一种室外场景三维点云采集系统的制作方法
【专利摘要】本发明是一种基于激光雷达的室外场景三维点云采集系统，属于计算机视觉领域。本发明解决的问题是：利用单线雷达102，相机103，通过同步模块104同步采集，在计算机101中利用相机的运动轨迹拼接雷达数据，解决了单线雷达室外场景测量中的尺度求解问题。本发明的主要算法的核心部分在于分别利用图像和雷达形成的点云进行点云融合，迭代求解尺度。本发明提出的方法能够简单、廉价的获取比较准确的室外场景三维模型。
【专利说明】
一种室外场景三维点云采集系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种室外场景三维点云采集系统，涉及计算机视觉领域室外场景三维 点75Γ米集。
【背景技术】
[0002] 随着3D技术在各领域得到重视和发挥，室外场景3D重建便成为视觉研究领域的热 点。高质量的室外场景3D模型在计算机视觉领域有着广泛的应用。
[0003] 现有的室外场景三维点云采集系统大体有两种：1、利用双目相机，通过特征点匹 配的方式，获得深度信息。2、利用激光雷达，搭载相机，GPSJMU等设备，对室外场景采集点 云。第一种方法精度不高。第二种方法多数使用面阵激光雷达，并且通过GPS获取运动轨迹， 成本较高。
【发明内容】
[0004] 本发明公开了一种室外场景三维点云采集系统，其目的在于整体或部分地解决一 个或多个上述问题或缺点，以提供至少以下描述的优点。
[0005] 相比以往的系统，只需使用一个普通的相机与单线激光雷达，系统组成比较简单， 不需要使用GPS、頂U等设备，成本较低。
[0006] 不需要过多人为操作，充分利用点云数据，点云精度较高。
[0007] 为了整体或者部分实现上述目的，本发明公开的室外场景三维点云采集系统，其 特征在于包括以下步骤：
[0008] (1)同步模块，功能是实现将激光雷达发出的同步脉冲降压分频并传输至相机，使 得相机与激光雷达进行硬件级同步，搭建成采集系统。
[0009] (2)户外采集，获取被测目标的多帧图像数据和雷达数据。
[0010] (3)对图像数据进行点云处理，得到目标的无尺度三维点云与每帧图像空间信息。
[0011] (4)通过得到的每帧图像空间信息拼接雷达数据，得到目标的另一块无尺度三维 点云。
[0012] (5)将两块不同的三维点云进行点云融合，求得目标的具体尺度。
[0013] (6)把计算到的尺度带入融合后的点云中，得到有具体尺寸的高质量的室外场景 三维点云。
【附图说明】
【附图说明】 [0014] 用于提供对本发明技术方案的进一步理解，并构成说明书的一部分，与 本发明的实施一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。附图 说明如下：
[0015] 图1为室外场景三维点云采集系统的硬件组成图。
[0016] 图2为数据处理流程图。
【具体实施方式】
[0017] 以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段 来解决问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
[0018] 采集系统。图1为采集系统的硬件组成，其中101部分为计算机，102部分为单线激 光雷达，103部分为相机，104部分为同步模块。
[0019]数据处理流程。该流程主要包括步骤:301、数据采集;302、图像数据处理；303、雷 达数据处理;304点云融合。
[0020] 301、数据采集:移动采集系统，对室外场景中的被测目标绕一圈进行数据采集，得 到图像数据和雷达数据，保存在计算机中。图像数据采集与雷达数据采集是同步进行的。
[0021] 302、图像数据处理:利用PnP问题的一般性求解方法，解得相机坐标系与雷达坐标 系之间的旋转平移矩阵[Rs I ts]。利用从运动到结构（Struct From Motion)算法，对采集到 的一系列彩色图像数据进行三维重建，得到一个在世界坐标系下的没有尺度信息的三维点 云?。=(1， 7。，2。），同时获得每一帧图像的图像坐标系到世界坐标系的旋转平移矩阵[Rj 4]，其中心为第j帧图像的旋转，k为平移，这是一个标量。假设尺度因子为λ〇,带入P。中得到 点txPc - 入〇 · (Xc，yc，Zc)〇
[0022] 3 0 3、雷达数据处理：采集得到的雷达数据可以表示为 乃=(< cos K sin 0),其中^为第j帧雷达数据中的第i个点在雷达坐标系下的 三维坐标，为第i个点的深度值J1为第i个点到雷达中心与水平面所成的夹角。将雷达数 据通过旋转平移转化到相机坐标系中，Lj = Rs · l#ts。由于每帧雷达数据和每帧图像数据 是一一对应的关系，因此，利用每帧图像的旋转平移变换[心Ik]，将雷达数据拼接在统一的 世界坐标系下，并且待入尺度因子得到点云azRjLj+Ao · tj。
[0023] 304、点云融合:在301中得到两块在世界坐标系下的点云，Pc和Pl。在P c中搜索Pl的 最近点，共有η个，PL(n)-Pc(n)，然后迭代计算
[0024:
[0025] 其中RaSP。和之间的旋转，由于相机和雷达测量的是在世界坐标系下的同一个 物体，所以通过一系列旋转平移变换后，Pc和Pl之间没有旋转，Ra为单位矩阵。将P c和Pl代入 得到公式
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[0030]
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[0033] 将求解到的λ代入点云Pc和Pl中重复上述步骤，反复求解直至λ不再变化或者达到 最大迭代次数，解得最终尺度因子λ。
[0034] 本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的系统结构和各个步骤可以用通用的 计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置组成的网 络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存 储装置中由计算装置来执行，或者将他们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的 多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件 和软件结合。
[0035] 虽然本发明所示出和描述的实施方式如上，但是所述的内容只是为了便于理解本 发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在 不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上以及细节上做任何的修 改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种室外场景Ξ维点云采集系统，该系统包括101、计算机；102、雷达；103、相机； 104、同步模块。其特征是包含W下主要步骤:301、数据采集;302、图像数据处理;303、雷达 数据处理;304、点云融合。2. 权利要求1中所述方法中的步骤304的特征在于:在301中得到两块在世界坐标系下 的点云，Pc和Pl。 在Pc中捜索Pl的最近点，共有η个，PL(n)^Pc(n)，然后迭代计算最小化代价函数：其中Ra为Pc和Pl之间的旋转，Ra为单位矩阵，展开代价函数，求解尺度因子。 得到尺度因子求解函数：将求解到的λ代入点云Pg和Pl中重复上述步骤，反复求解直至λ不再变化或者达到最大 迭代次数，解得最终尺度因子λ。
【文档编号】G06T17/00GK105844700SQ201610149194
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月14日
【发明人】周余, 蒋峥, 于耀, 彭成磊, 都思丹, 王自强, 马昱东
【申请人】南京大学