CN109215108B - 基于激光扫描的全景三维重建***及方法 - Google Patents

基于激光扫描的全景三维重建***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于激光扫描的全景三维重建***及方法，包括：控制转台、相机、激光发射器、数据处理装置和支架；所述控制转台能够按照预设角度进行多次转动，实现360°圆周旋转；所述相机用于在控制转台每次按照预设角度转动后获取所述激光发射器发射的激光照射在待重建物体表面时的图像；所述数据处理装置用于对每个角度拍摄的图片进行处理并计算该角度下的点云，并将点云拼合实现对扫描物体的三维重建；数据处理装置分别连接控制转台、相机、激光发射器；支架安装于控制转台上，相机和激光发射器安装于支架的不同位置上。该方案解决现有技术中存在的制造成本过高、三维点云配准难度大、不同坐标系转换不精确等问题。

Description

基于激光扫描的全景三维重建***及方法
技术领域
本发明涉及三维重建技术领域，特别涉及一种基于激光扫描的全景三维重建***及方法。
背景技术
现存的三维重建设备和方法有多种，常常被分为两大类：接触式和非接触式测量。接触型的三维测量设备典型的代表是三坐标测量仪，此类测量仪大多采用机械探针等测试头以及传感器在被测物体表面采集数十万以上数据点进行三维重建，此方法测量精度高，但对于室内或较为大型的建筑进行重建存在需要设计复杂的行车工装、扫描速度慢以及制造成本高的缺点，同时，接触式采集数据不适合用于文物、古建筑或者对表面有精密要求的场景进行三维重建。非接触型三维重建最常见的是利用光、电、磁等测量技术，结合光学原理、数字图像采集与处理技术对物体进行三维重建。此方法可以不接触被测物，具有较快的扫描速度等优点，但获取的三维数据是以测量***中的相机坐标系为基准，属于静态测量，因此，如果需要实现全景或物体全方位三维重建需要实现不同角度的三维信息的获取。
为了获取物体完整的3D模型，常需将扫描器本身进行移动，或者将被扫描物体进行旋转或者移动，来完成物体不同角度的三维信息的获取。由于扫描***的位置或者物***置的变化，每次扫描数据都被限定在不同的扫描仪坐标系下，从而导致三维数据无法直接有序排列到一个统一的坐标系内。因此，为了得到物体完整的三维信息，需要对不同角度的三维信息进行匹配。现在主要的处理方法有：(1)手动法(2)标记法(3)图像处理和几何计算法(4)机械移动坐标系变换法。
(1)手动法：对相邻扫描数据进行手动匹配对应点，然后根据对应点的位置信息计算变换矩阵，对扫描数据进行配准。该类方法要求相邻的扫描数据存在较大的重叠区域，这一要求限制了扫描旋转角度，从而导致扫描效率降低。该类方法的另一个缺点在于数据排列的准确性取决于操作人员的输入精度，而对于没有明显特征的表面，输入精度就更加难以保证。非自动的配准方法还存在耗费人力且效率不高的缺点。
(2)标记法：在扫描物体上附着上一个可检测的物体，成为标记或者目标。由操作员识别并进行精确的输入或者通过其他辅助的图像处理算法和几何算法识别相应点进行输入，完成相邻扫描数据的配准。该类方法与手动方法相比在精度和效率上有所提高但仍存在以下几个缺点：(a)必须确保相邻两次扫描视线中存在一定数目的标记点，从而限制了被扫描物体每次的转动角度,增加了扫描次数和数据量。(b)在物体少做标记或者附加标记，有可能对扫描物体造成损害，同时在由于标记的物理尺寸可能导致扫描对象表面信息的遮盖，造成扫描数据的细节损失。(c)标记的数目以及大小无法建立统一的标准，标记数目太少，扫描数据中可能出现标记不足，标记数目太多，可能造成扫描数据干扰严重的问题，标记的物理尺寸太小，可能无法检测，标记物理尺寸太大，可能导致操作员输入精度下降。
(3)图像和几何分析方法：该类方法通过检测相邻视角的图像或者扫描数据，通过检测和提取特征，同时对特征进行配准来完成模型的配准。该类方法的缺点在于：(a)方法对于扫描物体的表面特征和纹理存在限制，在纹理不明显或者特征不明显的情况下，该方法可能无法完成配准任务。(b)方法需要检测相邻图片的对应像素点或者检测相邻扫描数据的对应特征点，算法计算量大，且误差来源无法保证。(c)通过像素匹配和几何特征匹配的方法，需要相邻扫描数据存在一定的重叠面积以便检测对应特征，从而导致扫描视角移动的角度的限制，增加扫描次数，降低的扫描效率。
(4)机械移动坐标系变换法：通过计算相机在机械装置内移动量进行每次测量数据的坐标系转换，这类方法依赖于仪器的精密度，高精密度的装置需要精密的传感器造价高昂，普通的机械装置则需要手动测量，但因为相机坐标系以相机进光中心为坐标原点，测量中心移动量精度非常有限，同时随着测量距离的增大误差将被放大数倍，导致点云匹配度难度增加，后期需要人工进行调整或者运用点云匹配算法，又因为一般机械移动每次得到的扫描点云都是线状，区域特征不明显，匹配算法往往难以应用或处理效果不佳。
因此，现在的测量方法主要存在制造成本过高、三维点云配准难度大、不同坐标系转换不精确等问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于激光扫描的全景三维重建***，可以解决现有技术中存在的制造成本过高、三维点云配准难度大、不同坐标系转换不精确等问题。
该基于激光扫描的全景三维重建***包括：控制转台、相机、激光发射器、数据处理装置和支架；
所述控制转台、相机、激光发射器分别与所述数据处理装置连接；所述相机、激光发射器安装于所述支架的不同位置上；
所述控制转台能够按照预设角度进行多次转动，实现360°圆周旋转；
所述相机用于在控制转台每次按照预设角度转动后获取所述激光发射器发射的激光照射在待重建物体表面时的图像，并将多张图像发送至所述数据处理装置；
所述数据处理装置用于：接收所述多张图像，并获取所述多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标，以控制转台处于0度时的相机坐标系为固定坐标系，根据已构建的坐标转换模型将获取的所述多张图像中的激光线上所有点的三维坐标转换至固定坐标系下，获得所述多张图像中的激光线上所有点在固定坐标系下的坐标，根据坐标转换处理结果对待重建物体进行三维重建。
在一个实施例中，所述支架包括竖直支架、第一水平支架和第二水平支架；
所述竖直支架垂直安装于控制转台中心，第一水平支架与第二水平支架成十字相交安装，第一水平支架一端垂直固定于所述竖直支架上，所述相机安装于所述第一水平支架的另一端；所述第二水平支架垂直于所述第一水平支架，所述激光发射器安装于所述第二水平支架远离所述数据处理装置的一端上。
在一个实施例中，所述控制转台包括串口通信接口，所述相机包括串口通信接口。
在一个实施例中，所述数据处理装置还用于在所述相机和所述激光发射器打开后，对所述相机和所述激光发射器之间的距离进行可视化调整，以使激光条纹处于相机拍摄视场内。
在一个实施例中，所述数据处理装置还用于在所述相机和所述激光发射器打开后，对所述第一水平支架和第二水平支架的安装高度进行可视化调整，以使相机能拍摄到待重建物体。
在一个实施例中，所述数据处理装置还用于：预设控制转台旋转的角度，控制所述控制转台按照所述预设角度进行多次转动。
在一个实施例中，所述数据处理装置还用于：
接收相机获取的N张无激光标定板图和3张带激光线的标定板图，其中N大于10，前N-1张无激光标定板图为标定板处于不同位置时获取的，第N张无激光标定板图为在获取第N-1张标定板图片后不移动标定板，控制转台按照预设角度旋转一次后获取的；3张带激光线的标定板图分别为在获取第N-2张、第N-1张和第N张无激光标定板图时获取的；
根据N张无激光标定板图对相机进行标定，获取相机内参矩阵和N个相机到标定板的外参矩阵；
提取3张带激光标定板图中激光线上的所有点在图像坐标系下的坐标，根据相机内参矩阵和第N-2个、第N-1个和第N个相机到标定板的外参矩阵，确定3张带激光标定板图中所有的激光点在相机坐标系下的三维坐标；
根据3张带激光标定板图中所有的激光点的三维坐标，对3张带激光标定板图中所有的激光点进行最小二乘法拟合，获得激光平面方程：
所述激光平面方程为：
axc+byc+czc+d＝0；
其中，(xc，yc，zc)为相机坐标系坐标，a、b、c、d为拟合常数。
在一个实施例中，所述数据处理装置还用于：
根据第N-1个和第N个相机到标定板的外参矩阵，确定控制转台旋转预设角度前后两个位置的相机坐标系转换方程；
所述坐标系转换方程为：
Figure GDA0004185846260000041
其中，Tr为控制转台旋转预设角度前后两个位置的相机坐标系转换方程，MwN-1为第N-1个相机到标定板的外参矩阵；MwN为第N个相机到标定板的外参矩阵。
在一个实施例中，所述数据处理装置具体用于：
按照如下公式创建坐标转换模型：
Figure GDA0004185846260000042
其中，[x0 y0 z0 1]为激光点在固定坐标系下的坐标；[xn yn zn 1]为控制转台转了n度时激光点的相机齐次坐标。
在一个实施例中，所述数据处理装置具体用于：
按照如下方式获取所述多张图像中的激光线上所有点的三维坐标：
获取多张图像中的激光线上所有点在图像坐标系下的坐标；
根据所述多张图像中的激光线上所有点在图像坐标系下的坐标、图像坐标和相机坐标系之间的转换方程和激光平面方程，确定所述多张图像中的激光线上所有点在所在角度下相机坐标系下三维坐标；
其中，所述图像坐标和相机坐标系之间的转换方程为：
Figure GDA0004185846260000051
其中，(u，v)为图像坐标，Mc为相机内参矩阵，kx为x方向每毫米的像素度量，ky为y方向每毫米的像素度量，(u0，v0)为图像中心坐标。
本发明实施例提供了一种基于激光扫描的全景三维重建方法，可以解决现有技术中存在的制造成本过高、三维点云配准难度大、不同坐标系转换不精确等问题。
该基于激光扫描的全景三维重建方法包括：
在控制转台每次按照预设角度转动后获取激光发射器发射的激光照射在待重建物体表面时的图像；
获取所述多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标；
以控制转台处于0度时的相机坐标系为固定坐标系，根据已构建的坐标转换模型将获取的所述多张图像中的激光线上所有点的三维坐标转换至固定坐标系下，获得所述多张图像中的激光线上所有点在固定坐标系下的坐标；
根据坐标转换处理结果对待重建物体进行三维重建；
其中，控制转台能够按照预设角度进行多次转动，实现360°圆周旋转。
在一个实施例中，在获取所述多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标之前，还包括：
获取N张无激光标定板图和3张带激光线的标定板图，其中N大于10，前N-1张无激光标定板图为标定板处于不同位置时获取的，第N张无激光标定板图为在获取第N-1张标定板图片后不移动标定板，控制转台按照预设角度旋转一次后获取的；3张带激光线的标定板图分别为在获取第N-2张、第N-1张和第N张无激光标定板图时获取的；
根据N张无激光标定板图对相机进行标定，获取相机内参矩阵和N个相机到标定板的外参矩阵；
提取3张带激光标定板图中激光线上的所有点在图像坐标系下的坐标，根据相机内参矩阵和第N-2个、第N-1个和第N个相机到标定板的外参矩阵，确定3张带激光标定板图中所有的激光点在相机坐标系下的三维坐标；
根据3张带激光标定板图中所有的激光点的三维坐标，对3张带激光标定板图中所有的激光点进行最小二乘法拟合，获得激光平面方程：
所述激光平面方程为：
axc+byc+czc+d＝0；
其中，(xc，yc，zc)为相机坐标系坐标，a、b、c、d为拟合常数。
在一个实施例中，在获取所述多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标之前，还包括：
根据第N-1个和第N个相机到标定板的外参矩阵，确定控制转台旋转预设角度前后两个位置的相机坐标系转换方程；
所述坐标系转换方程为：
Figure GDA0004185846260000061
其中，Tr为控制转台旋转预设角度前后两个位置的相机坐标系转换方程，MwN-1为第N-1个相机到标定板的外参矩阵；MwN为第N个相机到标定板的外参矩阵。
在一个实施例中，所述已构建的坐标转换模型为：
Figure GDA0004185846260000062
其中，[x0 y0 z0 1]为激光点在固定坐标系下的坐标；[xn yn zn 1]为控制转台转了n度时激光点的相机齐次坐标。
在一个实施例中，获取所述多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标，包括：
获取所述多张图像中的激光线上所有点在图像坐标系下的坐标；
根据所述多张图像中的激光线上所有点在图像坐标系下的坐标、图像坐标和相机坐标系之间的转换方程和激光平面方程，确定所述多张图像中的激光线上所有点在所在角度下相机坐标系下三维坐标；
其中，所述图像坐标和相机坐标系之间的转换方程为：
Figure GDA0004185846260000063
其中，(u，v)为图像坐标，Mc为相机内参矩阵，kx为x方向每毫米的像素度量，ky为y方向每毫米的像素度量，(u0，v0)为图像中心坐标。
在本发明实施例中，提出的基于激光扫描的全景三维重建***包括：控制转台、相机、激光发射器、数据处理装置和支架；所述控制转台、相机、激光发射器分别与所述数据处理装置连接；所述相机、激光发射器安装于所述支架的不同位置上；所述控制转台能够按照预设角度进行多次转动，实现360°圆周旋转；所述相机在控制转台每次按照预设角度转动后获取所述激光发射器发射的激光照射在待重建物体表面时的图像，并将多张图像发送至所述数据处理装置；所述数据处理装置接收所述多张图像，并获取所述多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标，以控制转台处于0度时的相机坐标系为固定坐标系，根据已构建的坐标转换模型将获取的所述多张图像中的激光线上所有点的三维坐标转换至固定坐标系下，获得所述多张图像中的激光线上所有点在固定坐标系下的坐标，根据坐标转换处理结果对待重建物体进行三维重建。与现有技术相比，本发明提出的***和方法可以解决现有技术中存在的制造成本过高、三维点云配准难度大、不同坐标系转换不精确等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于激光扫描的全景三维重建***结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种无误差安装时坐标系示意图；
图3是本发明实施例提供的一种有误差安装时坐标系示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于激光扫描的全景三维重建方法流程图一；
图5是本发明实施例提供的一种基于激光扫描的全景三维重建方法流程图二；
图6是本发明实施例提供的一种基于激光扫描的全景三维重建方法流程图三。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，提供了一种基于激光扫描的全景三维重建***，用于对房间之类的物体进行全景三维重建。该***包括：控制转台、相机、激光发射器、数据处理装置和支架；控制转台、相机、激光发射器分别与所述数据处理装置连接；所述相机、激光发射器安装于所述支架的不同位置上。
其中，控制转台能够按照预设角度进行多次转动，实现360°圆周旋转；
相机用于在控制转台每次按照预设角度转动后获取所述激光发射器发射的激光照射在待重建物体表面时的图像，并将多张图像发送至所述数据处理装置；
数据处理装置用于：接收所述多张图像，并获取所述多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标，以控制转台处于0度时的相机坐标系为固定坐标系，根据已构建的坐标转换模型将获取的所述多张图像中的激光线上所有点的三维坐标转换至固定坐标系下，获得所述多张图像中的激光线上所有点在固定坐标系下的坐标，根据坐标转换处理结果对待重建物体进行三维重建。
具体实施时，支架可以采用多种形式，只要是能使得相机、激光发射器安装于支架的不同位置上，且相机和激光发射器的相对位置必须保持不变；且使得在激光发射器打开发射激光照射到待重建物体上时，相机能够拍摄到带有激光的照片即可。
具体的，支架可以采用如下形式安装：支架包括竖直支架、第一水平支架和第二水平支架。其中，竖直支架垂直安装于控制转台中心，第一水平支架与第二水平支架成十字相交安装，第一水平支架一端垂直固定于所述竖直支架上，所述相机安装于所述第一水平支架的另一端；所述第二水平支架垂直于所述第一水平支架，所述激光发射器安装于所述第二水平支架远离所述数据处理装置的一端上。
采用如上形式的支架来安装相机和激光发射器，具体的安装示意图如图1所示，其中，包括控制转台1、两根水平支架2、一根竖直支架3、相机4、激光发射器5和数据处理装置7。其中，控制转台1、相机4、激光发射器5分别与所述数据处理装置7连接；竖直支架3通过紧固件6垂直安装于控制转台1中心，两根水平支架2通过紧固件6成十字相交安装，其中一根水平支架2的一端通过紧固件6垂直固定于竖直支架3上，相机4通过紧固件6安装于该根水平支架2的另一端；激光发射器5通过紧固件6安装于另一根水平支架2远离数据处理装置7的一端上。
具体实施时，紧固件6为紧固螺栓螺母，数量为8套。控制转台1可以包括串口通信接口，相机(可以是工业相机)可以包括串口通信接口，这样相机、控制转台1与数据处理装置7(可以是计算机)进行通信。激光发射器5可以采用一字激光器，也可以采用红外等线结构光源替代。
具体实施时，控制转台1可以是手控转台，在操作时只需要保证转动角度的准确性即可。也可以是自动控制转台，此时需要数据处理装置7预设控制转台旋转的角度，控制控制转台1按照所述预设角度进行多次转动，实现360°圆周旋转。预设角度根据实际需要进行设定，可以是0.1°，也可以是其他的角度。
具体实施时，在变换要进行三维重建的物体时，数据处理装置7需要在所述相机和所述激光发射器打开后，对所述相机和所述激光发射器之间的距离进行可视化调整，以使激光条纹处于相机拍摄视场；对所述水平支架的安装高度进行可视化调整，以使相机能拍摄到待重建物体。
具体实施时，在对待重建物体进行三维重建之前，需要获得相机内参矩阵、相机到标定板的外参矩阵、激光平面方程、坐标系转换方程等等，而这些方程或者矩阵的获取是对相机拍摄的多张可移动标定板(可以是棋牌格标定板，也可以是非棋牌格标定板)的图片进行处理后获得的。具体包括：
(1)在将相机4、控制转台1以及激光发射器5安装固定好后，通过数据线连接计算机7，准备好可移动标定板；
(2)用相机4拍摄随机角度旋转的无激光标定板图片N张，以及3张带激光线的标定板图片，其中N尽量大于10，前N-1张无激光标定板图为标定板处于不同位置时获取的，第N张无激光标定板图为在获取第N-1张标定板图片后不移动标定板，控制转台按照预设角度旋转一次后获取的；3张带激光线的标定板图分别为在获取第N-2张、第N-1张和第N张无激光标定板图时获取的。
将N取15来详细叙述照片的具体拍摄过程：
(21)关闭激光发射器5，先拍12张随机角度旋转的无激光标定板图片；
(22)将可移动标定板按照随机角度旋转后固定在某一位置(注意激光要能够照射到该标定板)，拍摄第13张无激光标定板图，打开激光发射器5使得激光可以照射到标定板，拍摄第1张带激光的照片；
(23)关闭激光发射器5，随机转动标定板，固定，然后拍摄第14张无激光标定板图，开激光发射器5，拍摄第2张带激光的标定板图,继续保持标定板不动；
(24)通过控制转台旋转0.1度(可以取任意度数，每次转动的角度增量)，拍摄第3张带激光标定板图和第15张无激光标定板图。
具体实施时，在相机拍摄完需要的照片后，需要数据处理装置7按照如下方式对照片进行处理，获得相机内参矩阵、相机到标定板的外参矩阵、激光平面方程、坐标系转换方程等等。具体的：
首先，相机的标定方法已经很成熟，主要的图像-相机-世界坐标转换关系如下所示：
图像坐标(u，v)与相机坐标系(0-xcyczc)转换方程：
Figure GDA0004185846260000101
其中，Mc为相机内参矩阵，kx为x方向每毫米的像素度量，ky为y方向每毫米的像素度量，(u0，v0)为图像中心坐标。
世界坐标系(0-xwywzw)与相机坐标系关系：
Figure GDA0004185846260000102
其中，R是3×3的旋转矩阵，t是三维的平移向量；Mw被称为外参矩阵，包含旋转矩阵平移向量。
结合上述，获得矩阵和方程的详细方案如下：
(3)通过N张无激光标定板图，使用opencv的calibrateCamera标定函数或MATLAB标定工具箱等对相机进行标定，获取相机内参矩阵(公式1)和N个相机到标定板的外参矩阵(公式2)；
(4)提取3张带激光标定板图中激光线上的所有点在图像坐标系下的坐标，根据相机内参矩阵(公式1)和第N-2个、第N-1和第N相机到标定板的外参矩阵(公式2)，确定3张带激光标定板图中所有的激光点在相机坐标系下的三维坐标；
根据3张带激光标定板图中所有的激光点的三维坐标，对3张带激光标定板图中所有的激光点进行最小二乘法拟合，获得激光平面方程：
axc +byc +czc +d＝0 (3)
其中，a、b、c、d为拟合常数。
(5)根据第N-1个和第N个相机到标定板的外参矩阵，确定控制转台旋转预设角度前后两个位置的相机坐标系转换方程；
所述坐标系转换方程为：
Figure GDA0004185846260000111
其中，Tr为控制转台旋转预设角度前后两个位置的相机坐标系转换方程，MwN-1为第N-1个相机到标定板的外参矩阵；M wN为第N个相机到标定板的外参矩阵。
具体的，以N取15为例来说明：
得到相机拍摄第14张标定板时相机到标定板的外参矩阵Mw14，以及相机拍摄第15张标定板时相机到标定板的外参矩阵Mw15，因为拍摄第14张和第15张时拍摄的是同一个位置的标定板，因此可以求解旋转0.1度前后两次的坐标系转换方程Tr，推导过程如下：
设相机拍摄第14张标定板时的相机坐标系下点的齐次坐标为[xc14 yc14 zc14 1]；相机拍摄第15张标定板时的相机坐标系下点的齐次坐标为[xc15 yc15 zc15 1]；
因为第14次和第15次拍摄的是同一张标定板，世界坐标系的原点在标定板上，所以有如下关系：
Figure GDA0004185846260000112
Figure GDA0004185846260000113
所以可以推出如下公式：
Figure GDA0004185846260000114
具体实施时，在获得了相机内参矩阵、相机到标定板的外参矩阵、激光平面方程、坐标系转换方程这些之后，可以利用这些方程或矩阵对待扫描物品(房间)进行全景三维重建。具体的过程是：
(6)转台转动到任意度数n时采集一张带激光图片，图片上激光中心线上任意一点在图片中的像素位置为(u，v)可以通过联立公式1和公式3求解得到在当前相机坐标系下的三维坐标[xc，yc，zc，1]，激光线上所有点均可按此方法求出三维坐标，点的数量可以按行取或者隔多行取。
(7)相机和激光发射器的支架通过转台从0度开始，每次转动0.1度进行一次拍照，通过求解出激光线上所有的点的三维坐标，以第0度时的相机坐标系为固定坐标系，则在n度时通过步骤(6)求解的所有三维点通过公式5即可将在n度时求得的坐标转换到固定坐标系，设n度时的相机齐次坐标为[xn yn zn 1]，转换至固定坐标系下的坐标为[x0 y0 z0 1]，则有关系式：
Figure GDA0004185846260000121
/>
因此，转动一周即可实现全景点云全自动配准，无需再使用其他点云的匹配算法。
本发明的关键点是利用一个固定的标定板作为世界坐标系，结合计算机视觉中的标定，求解固定转动角度下的坐标转换关系式，整个过程并不需要复杂的点云匹配算法和繁琐的人工调整，不要求其严格水平垂直安装支架，操作简便，成本低，通过求解精确的转换矩阵解去消除物理测量，其关键点也可以通过如下图示解释为何要通过数学计算去消除安装误差。
如果能够完全准确的安装支架(100％水平和垂直)，那么，坐标变换的关系就变得非常容易推导，固定坐标系原点为相机光轴到转动轴的投影，设固定坐标轴为0’-X’Y’Z’，其中，Z’轴为光轴，Y’轴为转轴，X’轴垂直于Y’和Z’轴，如图2所示。可知：相机坐标绕Y’轴旋转，平移t仅发生在Z轴上：
Figure GDA0004185846260000122
其中，/>
Figure GDA0004185846260000123
其中，O’为固定坐标系原点，α为转动角度，转换矩阵中的R和t如公式6所示组成，然而，在实际安装过程，转轴做不到完全垂直和水平安装，有误差安装时坐标系示意图如图3所示。因此，公式6只可能是理论解。
因此，通过求解一个固定坐标系寻找两个坐标系的转换关系式可以消除安装引入的误差，详细过程参见本发明技术方案(5)部分。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种基于激光扫描的全景三维重建方法，如下面的实施例所述。由于基于激光扫描的全景三维重建方法解决问题的原理与基于激光扫描的全景三维重建***相似，因此基于激光扫描的全景三维重建方法的实施可以参见基于激光扫描的全景三维重建***的实施，重复之处不再赘述。
在对待重建物体进行三维重建之前，首先需要获得相机内参矩阵、相机到标定板的外参矩阵、激光平面方程、坐标系转换方程等等。因此，该基于激光扫描的全景三维重建方法包括如下步骤(如图4所示)：
步骤401：获取N张无激光标定板图和3张带激光线的标定板图，其中N大于10，前N-1张无激光标定板图为标定板处于不同位置时获取的，第N张无激光标定板图为在获取第N-1张标定板图片后不移动标定板，控制转台按照预设角度旋转一次后获取的；3张带激光线的标定板图分别为在获取第N-2张、第N-1张和第N张无激光标定板图时获取的；
步骤402：根据N张无激光标定板图对相机进行标定，获取相机内参矩阵和N个相机到标定板的外参矩阵；
步骤403：提取3张带激光标定板图中激光线上的所有点在图像坐标系下的坐标，根据相机内参矩阵和第N-2个、第N-1个和第N个相机到标定板的外参矩阵，确定3张带激光标定板图中所有的激光点在相机坐标系下的三维坐标；
步骤404：根据3张带激光标定板图中所有的激光点的三维坐标，对3张带激光标定板图中所有的激光点进行最小二乘法拟合，获得激光平面方程：
所述激光平面方程为：
aXc+bYc+cZc+d＝0；
其中，(Xc，Yc，Zc)为相机坐标系，a、b、c、d为拟合常数。
具体实施时，该基于激光扫描的全景三维重建方法还包括：
根据第N-1个和第N个相机到标定板的外参矩阵，确定控制转台旋转预设角度前后两个位置的相机坐标系转换方程；
所述坐标系转换方程为：
Figure GDA0004185846260000131
其中，Tr为控制转台旋转预设角度前后两个位置的相机坐标系转换方程，MwN-1为第N-1个相机到标定板的外参矩阵；MwN为第N个相机到标定板的外参矩阵。
具体实施时，所述已构建的坐标转换模型为：
Figure GDA0004185846260000141
其中，[x0 y0 z0 1]为激光点在固定坐标系下的坐标；[xn yn zn 1]为控制转台转了n度时激光点的相机齐次坐标。
具体实施时，在通过如上步骤获得了相机内参矩阵、相机到标定板的外参矩阵、激光平面方程、坐标系转换方程这些之后，可以利用这些方程或矩阵对待扫描物品(房间)进行全景三维重建。具体的全景三维重建过程如图5所示，包括：
步骤501：在控制转台每次按照预设角度转动后获取激光发射器发射的激光照射在待重建物体表面时的图像；
步骤502：获取多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标；
步骤503：以控制转台处于0度时的相机坐标系为固定坐标系，根据已构建的坐标转换模型将获取的所述多张图像中的激光线上所有点的三维坐标转换至固定坐标系下，获得所述多张图像中的激光线上所有点在固定坐标系下的坐标；
步骤504：根据坐标转换处理结果对待重建物体进行三维重建；
其中，控制转台能够按照预设角度进行多次转动，实现360°圆周旋转。
具体实施时，如图6所示，步骤502具体包括：
步骤5021：获取所述多张图像中的激光线上所有点在图像坐标系下的坐标；
步骤5022：根据所述多张图像中的激光线上所有点在图像坐标系下的坐标、图像坐标和相机坐标系之间的转换方程和激光平面方程，确定所述多张图像中的激光线上所有点在所在角度下相机坐标系下三维坐标；
其中，所述图像坐标和相机坐标系之间的转换方程为：
Figure GDA0004185846260000142
/>
其中，(u，v)为图像坐标，(Xc，Yc，Zc)为相机坐标系，Mc为相机内参矩阵，kx为x方向每毫米的像素度量，ky为y方向每毫米的像素度量，(u0，v0)为图像中心坐标。
综上所述，本发明提出的基于激光扫描的全景三维重建***的组成元器件价格较低，无需购置精密昂贵的激光扫描仪，可以解决现有的测量方法中存在的制造成本过高这一问题。本发明提出的***和基于激光扫描的全景三维重建方法中，不需要对相机(即不同坐标系原点)移动向量进行精确物理测量，而是通过求解规则转动时前后两次相机坐标系精确的转换矩阵，从而进行全自动点云匹配。该方法求解的转换矩阵精确度高，无需人工测量构件或相机距离，对相机支架的安装水平度和垂直度要求不高，因为如果水平和垂直足够精确的话，那么，固定坐标系原点就是相机光轴到转动轴的投影点，相机坐标转换矩阵很容易得到，但实际情况很难做到精确安装支架以及精确测量相机光心在各固定坐标轴上的移动距离，因此，该发明通过计算机视觉算法求解相机空间变换矩阵，能够消除安装时无法保证支架水平和垂直精度带来的影响，从而降低了操作的复杂性。该方法可以避免现有方法如ICP算法等所采用的复杂迭代过程，能够得到任意位置到固定坐标系下的转换矩阵，并实现精细的全自动配准操作，这样降低了程序算法的复杂度以及增加了点云匹配的精确度，使得运算更快。点云可以导入AutoCAD或Geomagic等主流三维软件进行后续建模工作。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种基于激光扫描的全景三维重建***，其特征在于，包括：控制转台、相机、激光发射器、数据处理装置和支架；
所述控制转台、相机、激光发射器分别与所述数据处理装置连接；所述相机、激光发射器安装于所述支架的不同位置上；
所述控制转台能够按照预设角度进行多次转动，实现360°圆周旋转；
所述相机用于在控制转台每次按照预设角度转动后获取所述激光发射器发射的激光照射在待重建物体表面时的图像，并将多张图像发送至所述数据处理装置；
所述数据处理装置用于：接收所述多张图像，并获取所述多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标，以控制转台处于0度时的相机坐标系为固定坐标系，根据已构建的坐标转换模型将获取的所述多张图像中的激光线上所有点的三维坐标转换至固定坐标系下，获得所述多张图像中的激光线上所有点在固定坐标系下的坐标，根据坐标转换处理结果对待重建物体进行三维重建；所述支架包括竖直支架、第一水平支架和第二水平支架；
所述竖直支架垂直安装于控制转台中心，第一水平支架与第二水平支架成十字相交安装，第一水平支架一端垂直固定于所述竖直支架上，所述相机安装于所述第一水平支架的另一端；所述第二水平支架垂直于所述第一水平支架，所述激光发射器安装于所述第二水平支架远离所述数据处理装置的一端上。
2.如权利要求1所述的基于激光扫描的全景三维重建***，其特征在于，所述控制转台包括串口通信接口，所述相机包括串口通信接口。
3.如权利要求1所述的基于激光扫描的全景三维重建***，其特征在于，所述数据处理装置还用于在所述相机和所述激光发射器打开后，对所述相机和所述激光发射器之间的距离进行可视化调整，以使激光条纹处于相机拍摄视场内。
4.如权利要求1所述的基于激光扫描的全景三维重建***，其特征在于，所述数据处理装置还用于在所述相机和所述激光发射器打开后，对所述第一水平支架和第二水平支架的安装高度进行可视化调整，以使相机能拍摄到待重建物体。
5.如权利要求1所述的基于激光扫描的全景三维重建***，其特征在于，所述数据处理装置还用于：预设控制转台旋转的角度，控制所述控制转台按照所述预设角度进行多次转动。
6.如权利要求1所述的基于激光扫描的全景三维重建***，其特征在于，所述数据处理装置还用于：
接收相机获取的N张无激光标定板图和3张带激光线的标定板图，其中N大于10，前N-1张无激光标定板图为标定板处于不同位置时获取的，第N张无激光标定板图为在获取第N-1张标定板图片后不移动标定板，控制转台按照预设角度旋转一次后获取的；3张带激光线的标定板图分别为在获取第N-2张、第N-1张和第N张无激光标定板图时获取的；
根据N张无激光标定板图对相机进行标定，获取相机内参矩阵和N个相机到标定板的外参矩阵；
提取3张带激光标定板图中激光线上的所有点在图像坐标系下的坐标，根据相机内参矩阵和第N-2个、第N-1个和第N个相机到标定板的外参矩阵，确定3张带激光标定板图中所有的激光点在相机坐标系下的三维坐标；
根据3张带激光标定板图中所有的激光点的三维坐标，对3张带激光标定板图中所有的激光点进行最小二乘法拟合，获得激光平面方程：
所述激光平面方程为：
axc+byc+czc+d＝0；
其中，(xc，yc，zc)为相机坐标系坐标，a、b、c、d为拟合常数。
7.如权利要求6所述的基于激光扫描的全景三维重建***，其特征在于，所述数据处理装置还用于：
根据第N-1个和第N个相机到标定板的外参矩阵，确定控制转台旋转预设角度前后两个位置的相机坐标系转换方程；
所述坐标系转换方程为：
Figure FDA0004185846250000021
其中，Tr为控制转台旋转预设角度前后两个位置的相机坐标系转换方程，MwN-1为第N-1个相机到标定板的外参矩阵；MwN为第N个相机到标定板的外参矩阵。
8.如权利要求7所述的基于激光扫描的全景三维重建***，其特征在于，所述数据处理装置具体用于：
按照如下公式创建坐标转换模型：
Figure FDA0004185846250000022
其中，[x0 y0 z0 1]为激光点在固定坐标系下的坐标；[xn yn zn 1]为控制转台转了n度时激光点的相机齐次坐标。
9.如权利要求6或8所述的基于激光扫描的全景三维重建***，其特征在于，所述数据处理装置具体用于：
按照如下方式获取所述多张图像中的激光线上所有点的三维坐标：
获取所述多张图像中的激光线上所有点在图像坐标系下的坐标；
根据所述多张图像中的激光线上所有点在图像坐标系下的坐标、图像坐标和相机坐标系之间的转换方程和激光平面方程，确定所述多张图像中的激光线上所有点在所在角度下相机坐标系下三维坐标；
其中，所述图像坐标和相机坐标系之间的转换方程为：
Figure FDA0004185846250000031
其中，(u，v)为图像坐标，Mc为相机内参矩阵，kx为x方向每毫米的像素度量，ky为y方向每毫米的像素度量，(u0，v0)为图像中心坐标。
10.一种基于激光扫描的全景三维重建方法，其特征在于，包括：在控制转台每次按照预设角度转动后获取激光发射器发射的激光照射在待重建物体表面时的图像；
获取多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标；
以控制转台处于0度时的相机坐标系为固定坐标系，根据已构建的坐标转换模型将获取的所述多张图像中的激光线上所有点的三维坐标转换至固定坐标系下，获得所述多张图像中的激光线上所有点在固定坐标系下的坐标；
根据坐标转换处理结果对待重建物体进行三维重建；
其中，控制转台能够按照预设角度进行多次转动，实现360°圆周旋转；
所述相机、激光发射器安装于支架的不同位置上；
所述支架包括竖直支架、第一水平支架和第二水平支架；
所述竖直支架垂直安装于控制转台中心，第一水平支架与第二水平支架成十字相交安装，第一水平支架一端垂直固定于所述竖直支架上，所述相机安装于所述第一水平支架的另一端；所述第二水平支架垂直于所述第一水平支架，所述激光发射器安装于所述第二水平支架远离数据处理装置的一端上。
11.如权利要求10所述的基于激光扫描的全景三维重建方法，其特征在于，在获取所述多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标之前，还包括：
获取N张无激光标定板图和3张带激光线的标定板图，其中N大于10，前N-1张无激光标定板图为标定板处于不同位置时获取的，第N张无激光标定板图为在获取第N-1张标定板图片后不移动标定板，控制转台按照预设角度旋转一次后获取的；3张带激光线的标定板图分别为在获取第N-2张、第N-1张和第N张无激光标定板图时获取的；
根据N张无激光标定板图对相机进行标定，获取相机内参矩阵和N个相机到标定板的外参矩阵；
提取3张带激光标定板图中激光线上的所有点在图像坐标系下的坐标，根据相机内参矩阵和第N-2个、第N-1个和第N个相机到标定板的外参矩阵，确定3张带激光标定板图中所有的激光点在相机坐标系下的三维坐标；
根据3张带激光标定板图中所有的激光点的三维坐标，对3张带激光标定板图中所有的激光点进行最小二乘法拟合，获得激光平面方程：
所述激光平面方程为：
axc+byc+czc+d＝0；
其中，(xc，yc，zc)为相机坐标系坐标，a、b、c、d为拟合常数。
12.如权利要求11所述的基于激光扫描的全景三维重建方法，其特征在于，在获取所述多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标之前，还包括：
根据第N-1个和第N个相机到标定板的外参矩阵，确定控制转台旋转预设角度前后两个位置的相机坐标系转换方程；
所述坐标系转换方程为：
Figure FDA0004185846250000041
其中，Tr为控制转台旋转预设角度前后两个位置的相机坐标系转换方程，MwN-1为第N-1个相机到标定板的外参矩阵；MwN为第N个相机到标定板的外参矩阵。
13.如权利要求12所述的基于激光扫描的全景三维重建方法，其特征在于，所述已构建的坐标转换模型为：
Figure FDA0004185846250000042
其中，[x0 y0 z0 1]为激光点在固定坐标系下的坐标；[xn yn zn 1]为控制转台转了n度时激光点的相机齐次坐标。
14.如权利要求11或13所述的基于激光扫描的全景三维重建方法，其特征在于，获取所述多张图像中的激光线上所有点在其相机坐标系下的三维坐标，包括：
获取所述多张图像中的激光线上所有点在图像坐标系下的坐标；
根据所述多张图像中的激光线上所有点在图像坐标系下的坐标、图像坐标和相机坐标系之间的转换方程和激光平面方程，确定所述多张图像中的激光线上所有点在所在角度下相机坐标系下三维坐标；
其中，所述图像坐标和相机坐标系之间的转换方程为：
Figure FDA0004185846250000051
其中，(u，v)为图像坐标，Mc为相机内参矩阵，kx为x方向每毫米的像素度量，ky为y方向每毫米的像素度量，(u0，v0)为图像中心坐标。
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