CN106153017A - 一种可移动式的三维建模成像系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种可移动式的三维建模成像系统，其利用激光测距技术得到的距离信息，结合INS/GPS解算的姿态与位置，将现实世界空间的扫描点映射到一个基准坐标系，建立现实世界的3D数字模型。

Description

一种可移动式的三维建模成像系统

技术领域

本发明涉及一种可移动式的三维建模成像系统，尤其涉及一种结合了INS/GPS解算的三维建模成像系统。

背景技术

每一次人类认知能力的突破，就必然极大的提高人类的创造力，并带来重大的社会变革。指南针、望远镜、显微镜等工具的出现都对人类的认知领域产生了深远的影响。随着信息技术和现代测量仪器的快速发展，以数字为代表的现代信息工程，更是极大的拓展了人类认知手段与认知空间，并广泛地应用于军事、社会、经济、灾害等各个领域。

获取现实世界的三维模型，是在现代测量技术和信息技术基础上发展起来的机器视觉与计算机图形学等领域的一个重要课题。

建立现实世界空间环境的三维数字模型，充分利用计算机的强大计算能力，运用各种技术处理手段，不仅可以真实的再现、模拟现实世界场景，还可以实现难以直接在现实空间中表述或想象的抽象操作，例如：数字模型的移动、旋转与形变；数字地图的搜索、定位、导航；数字环境的模拟仿真与推演等等。

可以极大的拓展人类的认知，丰富人类的逻辑和形象思维，并且非常便于保存与传输。在数字城市、地理信息系统(GIS)、医学工程、虚拟现实、工业设计与制造、文物保护，智能导航等领域有着非常广泛的应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可移动式的三维建模成像系统，其特征在于利用激光测距技术得到的距离信息，结合INS/GPS解算的姿态与位置，将现实世界空间的扫描点映射到一个基准坐标系，建立现实世界的3D数字模型。

一种可移动式的三维建模成像系统，其中，激光扫描仪装载于移动平台，进行快速行扫描，并将各个扫描点的距离测量值转换为相对于扫描平面的2D坐标信息。

一种可移动式的三维建模成像系统，其中，惯性测量元件与扫描仪固联于移动平台，构建INS/GPS惯导系统，解算出移动平台在每一时刻的姿态、位置。

一种可移动式的三维建模成像系统，其中，移动平台对测量环境或物体作相对运动，将2D行扫描进行3D空间的拓展；数据融合滤波，建立现实世界空间物体的数字模型；对数字模型的3D观察成像。

一种可移动式的三维建模成像系统，其中，移动平台主要负责数据采集与预处理，由惯性测量元件(IMU)，电子罗盘，GPS激光扫描仪等传感器，AVR单片机，PC/104嵌入式计算机以及无线通信设备组成。

一种可移动式的三维建模成像系统，其中，基站主要由便携式计算机与无线AP设备组成，构建地面监控系统，负责整个控制操作、状态显示、以及滤波建模和绘图成像。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是扫描示意图；

图2是功能结构图；

图3是系统组成结构；

图4是软件架构图；

图5是移动平台与基站实图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例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技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

随着现代测量仪器与技术的发展，各种数据获取手段的原理与方式各有不同，但从总体上可以将三维信息获取技术分为非接触式获取和接触式获取两大类：

接触式获取主要采用探针接触，直接测量等方式，主要有三坐标测量机(Coordinate Mesuring Machine，CCM)，铣销测量机，矿井测量、钻孔勘探等。

非接触式获取技术是建立在光电技术、微电子技术、以及计算机技术快速发展的基础上的，主要有激光测距、CT扫描、磁共振(MRT)、电磁波、光学影像等多钟方式。

相对于接触式获取而言，非接触获取技术避免测头等机械结构先天缺陷的工作。尤其是光学测量方法，利用结构光本身作为数据点坐标信息的传递载体，测量方便，速度快捷，并且可以完成对一些软材质工件，薄工件等的非接触测量，并且可以同时利用CCD摄像获取被测物的彩色信息，实现彩色3D测量。

随着现代测量仪器尤其是各种非接触式、遥感传感器的发展，非接触式获取技术以其高效、便捷、低成本、广适用性等优点，越来越成为三维重建信息获取的主要手段。

目前，国内外均有一些比较成熟的三维建模成像系统应用于各个不同的领域。

美国徕卡CYRA公司的CYRAX系统，法国MENSI公司的GS2000系列三维激光扫描仪都是比较成熟的使用激光测距技术的三维扫描仪。在各个领域有着广泛应用，如美国Cyberware公司3030系列彩色三维扫描仪，已经广泛应用于影视特技，如《终结者2》，《侏罗纪公园》，《蝙蝠侠2》等美国FARO公司的Sterling系列，则是基于机械测量臂原理的三维扫描设 备的代表。具有很高的测量精度。

卡耐基-梅隆大学和斯坦福大学利用小型无人直升机平台，利用GPS定位，已成功进行一些低空数据采集建模的研究工作。

S.Thrun等人也利用一个遥控车载平台，使用两个处于正交方向的激光扫描仪对一个废弃的矿洞坑道进行了三维建模，用虚拟现实(VRML)作为显示手段。

哥伦比亚大学在街区项目中开发了导航机器人，它由一个CCD摄相机，一个Cyrax激光测距仪和一个GPS接受机组成，主要目的是建立自动生成室外场景真实感的精确的三维模型系统。

第三军医大学和南方医科大学联合完成了对于人体的数字化项目。在国家863计划和国家自然科学基金共同资助下，通过建立低温实验室、改造数控铣床、改进切削工艺等一系列技术创新，完成了3男5女共8例中国数字化人体数据集的构建。在数据集的连续性、分辨率、断面层厚、完整性、标本选用代表性等六个方面全面超过美国(VHP)、韩国(VKH)数据集。该成果被解剖学领域的权威杂志英国《Journal of Anatomy》作为封面论文发表，并被评为“2002年中国医药科技十大新闻”之一，已被数十家单位应用。

华中科技大学人工智能研究所研制出3DLCS三维彩色激光扫描仪，获得国家专利，并得到国家自然科学基金，863计划等支持。之后与湖北黄鹤影视科技股份有限公司合作，开发了一些列3DLCS扫描产品，将这一成果用于产业化。

这些三维建模系统都有各自的特点和应用领域，但总结发现有以下几个特点：

1.对于小型物体的三维建模，无论在数据采集设备还是建模算法上面都有比较成熟的应用。在这部分的研究，主要集中在对三维点云数据进行面元或体元重建，对建模精度、建模快速性和自动化能力等方面进行深入研究。

在文物保护和工业应用中的逆向工程系统，精度甚至可以达到毫米级，可以使用成熟的第三方测量系统，或者第三方建模成像软件采集并处理精确的点云数据，通过人机交互的半自动化建模手段，如B样条、曲面拟合等， 进行精确的3D数字建模。

斯坦福大学利用Cyberware的3D激光测距仪，结合彩色图像，对米开朗基罗雕像进行了数字化工作。西北工业大学现代信息与电子系统研究所与法国MENSI中心成立了联合研发中心，使用SOISIC扫描仪，ScanWork2.0控制软件，3Dipsos三维数据处理软件，对秦兵马俑、飞机模型等进行了三维扫描与重建工作。

2.对复杂大规模场景的三维建模，目前并没有特别具有广泛适用性的方法或建模算法。

比较常见的是使用定点扫描的三维建模系统，可以比较精确的控制或得到扫描仪的姿态信息，但因为定点以及传感器性能和检测范围的限制，面对大规模场景的时候具有较大的局限性，不具备实时的运动扫描建模能力。如瑞士的Jan Weingarten和Roland Siegwart对于复杂室内场景的建模绘图，具有不错的准确度，但是整个系统基于扫描仪姿态的精确控制。

在定点扫描的基础上，随着大规模场景的建模需要，又发展出一些可移动式的扫描建模方法。

比如各种煤盘体积测量系统，通常是将扫描仪装载在一个可伸缩的机械吊臂，以固定姿态，通过电机对扫描仪的位置进行精确控制来进行运动采集。

Huijing Zhao和Ryosuke Shibasaki建立了一个车载扫描系统，利用两个2D扫描仪同时进行车辙定位和建模修正，对体育场馆外墙等大型室外场景进行建模绘图，取得很好的效果。但跟绝大多数车载建模系统一样，虽然是可移动式系统，在一定程度上满足了对大规模场景的建模需要，但仍然有一定的局限性，即整个系统基于一个假设前提，车辆运行于平坦地面。

由上分析可知，对于复杂环境，如非平坦路面，大角度大范围场景等，需要一种更加自由的，可以进行任意运动，并且可以动态采集建模的扫描系统。而最大的难点在于，进行移动扫描的同时，对扫描姿态和位置进行实时的精确描述是非常困难的。

因此，本文基于INS移动平台，设计并实现了一种分步式串级滤波算法，在对姿态和位置的实时最优估计的基础上进一步消除建模误差，可以在任意 运动的同时，进行动态采集成像，以满足各种复杂场景建模的需要。

本发明构建了一个可移动式的三维建模成像系统。利用激光测距技术得到的距离信息，结合INS/GPS解算的姿态与位置，将现实世界空间的扫描点映射到一个基准坐标系，建立现实世界的3D数字模型。

系统基本的建模成像过程可以表示如下：

激光扫描仪装载于移动平台，进行快速行扫描，并将各个扫描点的距离测量值转换为相对于扫描平面的2D坐标信息。

惯性测量元件与扫描仪固联于移动平台，构建INS/GPS惯导系统，解算出移动平台在每一时刻的姿态、位置。

移动平台对测量环境或物体作相对运动，将2D行扫描进行3D空间的拓展。

数据融合滤波，建立现实世界空间物体的数字模型。

对数字模型的3D观察成像。

图1是一个简单的扫描示意图，红色区域表示扫描范围，是一个2D行扫描，在本文构建的系统中，扫描仪与移动平台固联，并且可以相对与扫描环境或物体做任意运动，以得到所需要的测量信息。

整个建模成像系统可以按照功能结构分为三大模块，如图2所示：

数据采集模块：各传感器的数据更新与管理。

滤波建模模块：对多传感器数据的融合，滤波建模。

三维成像模块：对数字模型的变换与绘图成像

本发明构建了一个快速的可移动式三维建模与成像系统，由移动平台(机载系统)和基站(地面监控系统)两部分组成。

如图3所示，系统由移动平台与基站两部分组成。

移动平台主要负责数据采集与预处理。由惯性测量元件(IMU)，电子罗盘，GPS激光扫描仪等传感器，AVR单片机，PC/104嵌入式计算机以及无线通信设备组成。

基站主要由便携式计算机与无线AP设备组成，构建地面监控系统，负 责整个控制操作、状态显示、以及滤波建模和绘图成像。

机载系统运行在移动平台的PC/104嵌入式计算机上，使用根据系统需要自行裁剪的嵌入式Linux内核，文件系统使用ramdisk上的ext2作为根文件系统，cramfs文件系统作为基本系统库，tmpfs文件系统或fat文件系统作为数据存储系统。该嵌入式操作系统不仅精简高效，具有很好的稳定性，以及失电保护能力。而且可以支持必要的网口、串口等驱动程序使用C++语言，进行结构化设计的同时，考虑到系统各个功能模块的独立性与相互关联，进行了模块化设计，可以非常方便的进行调试，并且具有良好的扩展性和可移植性。

系统程序使用GNUcc(GCC)进行编译。GCC是一个交叉平台的编译器，支持在不同CPU平台上开发基于不同体系结构硬件的软件。如同其他编译器，GCC可以在编译时优化执行代码，而且能够产生调试代码。使用GCC编译程序非常简单，只需要加入需要的功能选项就可以完成相应的编译工作。

由于系统采用多个传感器，而各传感器的数据更新频率不同，为了数据同步与滤波，分别设计了INS/GPS采集滤波模块，与激光扫描仪LMS采集预处理模块。

采用多线程技术，如图2、3所示，线程A处理IMU、电子罗盘和GPS数据，并对INS/GPS数据进行融合滤波。

线程B采集激光扫描仪距离数据，并进行简单预处理。通过线程同步技术，将A、B线程中各自模块的输出数据同步，并通过网络协议与地面监控系统进行通信。

地面监控系统

地面监控系统运行在基站的便携式计算机上，使用VC++/MFC集成开发环境，进行面向对象，模块化程序设计，软件实现结构上清晰合理，易于维护升级。

监控系统采用图形界面，提供一个良好而便于操作的用户接口。系统通过事件或消息驱动，来实现人机交互，可以非常方便的进行一些必要设置和 操作。

远程控制模块，主要涉及地面监控系统对移动平台的控制设计，包括包括扫描范围，扫描角度分辨率，扫描模式等各种系统参数设置与控制。

数据通信模块，主要负责地面监控系统与移动平台机载系统的通信，对于地面监控系统来讲，上行数据主要有系统设置和控制命令等。下行数据主要有设置命令的应答，以及各传感器经过预处理或融合滤波的实时更新数据。考虑到数据传输量和频率，以及系统对实时性的要求，采用UDP/IP协议进行通信。

滤波建模模块，主要是根据INS/GPS融合滤波得到的姿态与位置信息结合扫描仪2D信息，建立3D模型，并且对点云模型进行再次滤波，建立面元模型。

三维成像模块，主要负责对已经建立的数字模型进行三维观察，绘图成像。用计算机的3D视觉技术来还原真实的三维场景。

文件操作模块，主要负责对各种需要保存或再利用的文件，如扫描行数据，原始点云数据，滤波后数字模型文件，系统配置文件等进行操作和管理，大大便利了各种系统调试，增加了人机交互的灵活性和可操作性。

如图5所示，左侧是系统构建的移动平台，包括多个传感器和嵌入式计算机。右侧是便携式笔记本构建的基站，运行地面监控程序。

各传感器以各自频率实时更新数据。

单片机对多传感器数据进行管理和同步。

MESA高速串行模块用以保证激光扫描仪数据的通信。

嵌入式计算机实时更新用来建模的数据信息，包括INS/GPS数据融合滤波得到移动平台的实时姿态与位置。

整个系统具有简单便捷的优点，可以非常方便的应用于各种车载、飞行器机载系统，通过无线通信，达到远程操控的目的。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但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 形式上及细节上作任何的修改与变化，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。

Claims (6)

1.一种可移动式的三维建模成像系统，其特征在于利用激光测距技术得到的距离信息，结合INS/GPS解算的姿态与位置，将现实世界空间的扫描点映射到一个基准坐标系，建立现实世界的3D数字模型。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：激光扫描仪装载于移动平台，进行快速行扫描，并将各个扫描点的距离测量值转换为相对于扫描平面的2D坐标信息。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：惯性测量元件与扫描仪固联于移动平台，构建INS/GPS惯导系统，解算出移动平台在每一时刻的姿态、位置。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于包括如下步骤：移动平台对测量环境或物体作相对运动，将2D行扫描进行3D空间的拓展；数据融合滤波，建立现实世界空间物体的数字模型；对数字模型的3D观察成像。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：移动平台主要负责数据采集与预处理，由惯性测量元件(IMU)，电子罗盘，GPS激光扫描仪等传感器，AVR单片机，PC/104嵌入式计算机以及无线通信设备组成。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：基站主要由便携式计算机与无线AP设备组成，构建地面监控系统，负责整个控制操作、状态显示、以及滤波建模和绘图成像。