激光点云与可见光图像共光路配准装置的制作方法

本实用新型涉及激光点云与可见光图像融合配准技术，可用于无人驾驶、机器人视觉、虚拟现实、建筑物展示与恢复等多个领域。具体涉及一种激光点云与可见光图像共光路配准装置。

背景技术：

激光雷达能够快速可靠的获取被测物体的空间距离数据，利用这些距离数据和对应的角度数据，可准确获得被测物体表面的空间三维坐标数据，由于这些坐标数据为物体表面的离散点集合，因此激光雷达的测量数据又称为点云数据。可见光图像数据可快速获取被测物体表面颜色和纹理数据，但图像数据本身并不具有被测目标的深度距离信息。虽然目前基于双目视觉原理，图像数据也可以获取深度数据，但相较而言，激光雷达有着更可靠的深度数据。特斯拉的辅助驾驶系统曾因为过度依赖图像数据产生的误判而造成严重的事故，而有了激光雷达之后，就可以避免因为图像造成的误判。将激光数据和可见光图像数据进行信息融合，以弥补各自测量的缺陷是当前的一个研究热点。

激光点云和图像融合的前提是配准，即确定每个点云坐标与图像像素的对应关系。目前国内外已有一些学者针对点云和图像配准进行了研究。这些研究的基础是在测量过程中，激光扫描仪和可见光相机相对位置固定，然后分别独自测量获得激光点云和可见光图像，然后根据特征点查找算法，提取点云中被测目标的特征点和可见光图像的特征点，根据扫描仪和相机的空间关系，结合相机的焦距信息，通过计算特征点的对应关系，可以得到点云向图像配准时的转换矩阵，利用该转换矩阵对所有点云进行变换，从而达到点云与像素配准的目的。这些算法的缺点在于，如果被测对象的特征点不明显或无特征点时，则无法完成配准。而且由于计算转换矩阵时，利用的是扫描仪和相机的空间相对位置关系，这些位置关系的测量误差会造成转换矩阵也存在误差，并且随着被测目标与测量设备的距离变大而急剧增加，最终导致配准结果存在较大误差。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种激光点云与可见光图像共光路配准装置，可将激光点云往返光路与可见光图像成像光路合二为一，达到激光点云与可见光图像共光路配准的目的。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种激光点云与可见光图像共光路配准装置，其包括激光扫描仪端以及相机端，所述相机端依次设置第一凸透镜、半透镜以及凹透镜，且均位于同一光路上，所述激光扫描仪端设置第二凸透镜，激光扫描仪发射的激光经第二凸透镜后由反射镜反射至半透镜处，并由半透镜反射至凹透镜，

其中激光扫描仪发射的激光依次经过第二凸透镜、反射镜、半透镜以及凹透镜至待测物体，并反射返回经原光路至激光扫描仪，完成测距，所述待测物体将自然光反射经凹透镜、半透镜以及第一凸透镜，由相机完成可见光成像。

激光扫描仪的发射中心与第二凸透镜的焦点重叠设置。

所述反射镜的反射面与半透镜的反射面相向设置。

所述凹透镜的发散光线的发射角θ2与激光扫描仪的扫描光线的发散角θ1相等。

激光扫描仪在物体表面的反射激光脉冲与物体表面反射到相机成像的自然光为同一光路。

处于同一光路的反射激光脉冲与自然光经半透镜分为返回至激光扫描仪的反射激光脉冲和返回至相机的自然光。

本实用新型的有益效果：将激光扫描仪测量的点云数据与可见光图像的像素数据完成一一对应的配准效果，与目前常用的数据后续计算配准方法相比，从数据测量的物理光路出发，将扫描仪和相机的测量光路合二为一，达到配准的目的，不仅可以直接完成配准目标，而且对于被测目标特征点不明显或无特征点的情况也可顺利完成配准目的。

附图说明

图1为本实用新型的整体设计示意图。

图2 相机拍摄的可见光图像。

图3 激光扫描仪获得的点云。

图4利用本文装置配准后的效果图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型公开了一种激光点云与可见光图像共光路配准装置，其包括激光扫描仪端以及相机端，激光扫描仪端与激光扫描仪1连接，用于获取激光扫描仪发射的激光，而相机端则连接相机。

所述相机端依次设置第一凸透镜、半透镜以及凹透镜，且均位于同一光路上，所述激光扫描仪端设置第二凸透镜，所述激光扫描仪发射的激光经第二凸透镜后由反射镜反射至半透镜处，并由半透镜反射至凹透镜，

其中激光扫描仪、第二凸透镜，反射镜、半透镜、凹透镜构成激光测距光路，相机、第一凸透镜、半透镜、凹透镜构成自然光成像光路，将两个光路合二为一，那么得到的激光点云坐标和图像像素坐标为同一目标同一位置的配准关系，即达到激光点云与可见光图像共光路配准的目的。

其中激光扫描仪发射的激光依次经过第二凸透镜、反射镜、半透镜以及凹透镜至待测物体，并反射返回经原光路至激光扫描仪，完成测距，所述待测物体将自然光反射经凹透镜、半透镜以及第一凸透镜，由相机完成可见光成像。

激光扫描仪发射的激光脉冲经凸透镜后汇聚为平行光线，依次经过反射镜和半透镜，再由凹透镜重新转换为散射线，到达被测物体表面，激光脉冲经过物体表面反射后，从上述路径返回到激光扫描仪中，完成测距功能，从而生成该反射点在激光扫描仪测量的点云坐标。

自然光照射到物体表面激光反射点时，其散射光经过凹透镜进入本配准装置，依次经过半透镜和凸透镜到达相机成像单位，完成可见光成像，得到该反射点在图像中的像素坐标。

激光扫描仪端，将激光扫描仪发射中心置于凸透镜的焦点位置，此设计可将激光扫描仪发射的不同发射角的光线变为平行光线。在相机成像端，凸透镜的作用是将外界进入的平行光线转变为自然角度光线，以小孔成像方式进行汇集，从而在相机成像单元进行成像。

所述反射镜的反射面与半透镜的反射面相向设置，使得激光扫描仪的激光由反射镜反射至半透镜， 并由其反射至凹透镜，实现共光路设计。

激光扫描仪在物体表面的反射激光脉冲与物体表面反射到相机成像的自然光为同一光路，以达到共光路的目的。

处于同一光路的反射激光脉冲与自然光经半透镜分为返回至激光扫描仪的反射激光脉冲和返回至相机的自然光，从而不会影响激光扫描仪测量与相机成像。

对于激光扫描仪而言，凹透镜的作用是将发射时被凸透镜变为平行光的激光光线重新变回发散光线，并且根据凸透镜和凹透镜的参数设置，所述凹透镜的发散光线的发射角θ2与激光扫描仪的扫描光线的发散角θ1相等。对于相机成像单元而言，凹透镜的作用是将自然反射光线转变为平行光线进入成像系统。

实施例

在本实施例中，利用本装置、相机和激光扫描仪同时对一放置于墙壁前面的纸箱进行测量，利用相机拍照得到的图像如图2所示。利用激光扫描测量的激光点云图像如图3所示。匹配后的图像如图4所示。

可以看出，利用本装置可对激光点云和可见光图像直接进行配准，不需要任何额外算法进行配准，减小了由于相机和扫描仪空间位置造成的配准误差，同时配准效果更好。

实施例不应视为对本实用新型的限制，但任何基于本实用新型的精神所作的改进，都应在本实用新型的保护范围之内。