CN110148080B - 空间信息采集设备以及空间信息采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间信息采集设备，具有图像采集装置、距离方位测量装置以及与图像采集装置和距离方位测量装置通信连接的控制装置。图像采集装置构造成能围绕镜头光学节点转动并且采集图像数据。距离方位测量装置构造成能转动并且采集距离方位数据。控制装置构造用于能分别从图像采集装置和距离方位测量装置获得图像数据和距离方位数据。控制装置构造用于在图像采集装置采集图像数据期间或之后标定镜头畸变参数及球坐标映射参数并且以此为基础根据镜头光学节点与距离方位测量装置的测量中心之间的位置关系对图像数据和距离方位数据进行配准，从而获得带有距离方位信息的全景图像。本发明还涉及一种相应的空间信息采集方法。

Description

空间信息采集设备以及空间信息采集方法

技术领域

本发明涉及一种空间信息采集设备和一种空间信息采集方法。

背景技术

全景采集目前已有比较成熟的技术，如单镜头旋转多次拍摄，多镜头同步拍摄等。但没有能够同步拍摄全景及采集对应空间内的位置方位数据并获得精确对应位置关系的设备。

在专利文献CN103729883A中公开了一种三维环境信息采集与重构***及方法，所述***包括二维激光测距仪、全景相机旋转平台等。在专利文献CN105157566A中公开了一种彩色三维激光扫描仪以及三维立体彩色点云扫描方法，采用图像采集模块(在该文献中为镜头和图像传感器)和激光距离信息采集模块相结合的复合技术，用于空间或物体的外形结构和彩色纹理进行扫描，并将这些信息转换为同时包含坐标信息和彩色信息的数字化模型。然而，在这些现有技术中，由于相机的镜头节点不在其转动中心并且不与点云数据的原点重合，导致单次拍摄的图像以及拼接后的图像出现较大的位置偏差、畸变或区域间的错位，使得图像特别是在全局范围内无法与点云测量数据做到精确对应，使得图像的实际使用价值大为降低，特别是对于较短距离空间中的信息采集时，这样的偏差尤为明显。因此，用户无法直接通过对图像的操作提取出有效的空间位置相关信息，无法达到实用的可见即可得的操作。虽然现在彩色点云能够通过高密度的扫描提供接近高清照片级别的高分辨率三维场景视图，但是需要采集海量的信息点。而且在采集时间、用户浏览设备要求、软件复杂度、易用易分享性能方面都有较大的制约。这样的设备例如还可以参考专利文献CN101901501A和CN105928457A等。

目前也有空间数据信息与图像信息分开采集的解决方案，使得图像采集能够满足完美全景采集的需求，但每次都需要后期加工进行数据匹配，无法达到简单易用，自动化操作的结果，所以其实用性亦不够好，且无法产品化。

发明内容

本发明的任务在于提供一种空间信息采集设备、特别是一种便携的和/或集成的空间信息采集设备以及一种相应的空间信息采集方法，按照本发明的设备和方法能够克服现有技术的缺点，尤其是能够同时采集空间360度范围内的影像数据及距离方位数据并通过控制装置输出图像数据与距离方位数据精确配准后的最终数据。

本发明的第一方面涉及一种空间信息采集设备，该空间信息采集设备包括图像采集装置、距离方位测量装置以及控制装置，图像采集装置和距离方位测量装置能分别与控制装置通信连接。所述图像采集装置构造成能围绕其唯一的镜头光学节点在至少一个方向上转动并且采集目标空间的图像数据；所述距离方位测量装置构造成能在至少一个方向上转动并且采集目标空间的距离方位数据。所述控制装置构造用于分别从图像采集装置和距离方位测量装置获得图像数据和距离方位数据。此外，所述控制装置构造用于在图像采集装置采集图像数据期间或之后标定镜头畸变参数及球坐标映射参数并且以所标定的镜头畸变参数及球坐标映射参数为基础根据镜头光学节点与距离方位测量装置的测量中心之间的相对位置关系对图像数据和距离方位数据进行配准，从而获得带有距离方位信息的全景图像。

在本发明的意义中，“镜头光学节点”应理解为照相机或摄影(像)机镜头的光学中心，穿过此点的光线不会发生折射。“测量中心”应理解为距离方位测量装置所采集的原始数据点所在的原始坐标原点(距离方位测量装置固有的特征)。“相对位置关系”应理解为距离和方位的相对关系。“全景”在本发明的意义中应理解为360度的完整空间范围或者局部空间范围。例如，当不关心地面情况时，“全景”可以指的是除了地面之外的上方局部空间范围。此外，“距离方位”可理解为一个点在空间中相对于参考点的距离和角度，隐含的可与三维空间坐标的xyz信息相互转换。在此，“图像数据”也包括影像数据。

通过本发明的构思能够采集并且生成几何几乎无畸变和错位的全景图像，并且为该全景图像精确地叠加各种含有距离方位信息的数据。由于图像采集装置围绕其唯一的镜头光学节点转动，因此不会因为全景图像在拼接过程中可能出现的扭曲与错位导致图像中目标的位置信息与其它传感器的信息出现明显的位置误差。因此，能够为用户提供一套便携的/或集成的实景环境信息采集工具并提供在图像中直接提取空间信息的数据结果。通过高清晰图像，在降低对空间信息采集密度要求的同时大幅度增加数据结果的可感知性和可用性。由于图像数据与距离方位数据的精确配准，使得传统只用以类似“点云”方式展示的数据能够被全景图像近似代替，从而大幅降低对终端展示设备的处理性能的需求，丰富类似应用的终端覆盖，扩大使用场景。同时，该装置同时具备传统彩色点云的输出能力，可为使用者同时提供两种数据结果。

此外，通过在图像采集装置采集图像数据期间或之后标定镜头畸变参数及球坐标映射参数，一方面不需要独立的标定过程，特别是不需要专门采集标定板图像用于标定，另一方面能够方便图像采集装置的位置标定修正，无需对单个图像的球坐标方位信息单独标定，同时能够辅助对旋转机构转动精度的标定，对于量产设备来说，这将降低设备生产与维护成本。按照本发明的在实际环境下的实时标定的结果可以直接用于拼接图像数据。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述距离方位测量装置可以在所述图像采集装置采集数据期间始终保持在该图像采集装置的镜头有效视角范围之外，从而能够获得不受距离方位测量装置干扰的图像数据并且获得最大的图像采集范围。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述图像采集装置和所述距离方位测量装置能以同步或异步转动的方式和/或以同时或先后的方式采集各自的数据。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，可以设有一个唯一的转动机构，所述图像采集装置和所述距离方位测量装置的转动由该唯一的转动机构实现。由此能够使得图像数据与距离方位数据的配准和生成更加容易。优选地，所述唯一的转动机构具有一个唯一的围绕竖直轴线转动的转动自由度。所述唯一的转动机构例如可以在控制装置的作用下由电马达驱动。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述图像采集装置和所述距离方位测量装置可以彼此刚性连接。在此优选地，控制装置可以构造成用于根据所标定的球坐标映射参数中的方位信息对图像采集装置的转动偏差进行修正。由于此时图像采集装置和距离方位测量装置彼此刚性连接，因此也能够修正距离方位测量装置的转动偏差。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述图像采集装置的镜头光学节点和所述距离方位测量装置的测量中心的连线可以与转动机构的至少一个自由度的轴线垂直或基本上垂直，或者所述图像采集装置的镜头光学节点和所述距离方位测量装置的测量中心的连线可以与转动机构的至少一个自由度的轴线重合或基本上重合。由此能够进一步使得图像数据与距离方位数据的配准和生成更加容易。在此，“基本上”指的是偏差在5°以内。优选地，所述图像采集装置的镜头光学节点和所述距离方位测量装置的测量中心的连线也可以相对于转动机构的至少一个自由度的轴线倾斜，例如倾斜15度、35度、55度或65度，以便更容易实现距离方位测量装置在图像采集装置采集数据期间始终保持在该图像采集装置的镜头有效视角范围之外。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述图像采集装置和所述距离方位测量装置可以通过一个唯一的翻转机构彼此刚性连接，该唯一的翻转机构构造成使得图像采集装置的镜头光学节点和距离方位测量装置的测量中心能在先后采集各自的数据时在空间上尽量重合。该扩展方案能够使得图像数据与距离方位数据的配准特别精确。更优选地，所述图像采集装置和所述距离方位测量装置分别配置有第一翻转机构和第二翻转机构，所述第一翻转机构和第二翻转机构配合作用，使得所述图像采集装置的镜头光学节点和所述距离方位测量装置的测量中心能在先后采集各自的数据期间在空间上重合。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述图像采集装置和所述距离方位测量装置可以分别配置有各自的例如也能分别由电马达驱动的转动机构。在需要较长曝光时间时，由于图像采集装置在采集数据时不是连续转动的，而是会暂停以便长时间曝光拍摄，所以会导致图像采集装置的转动机构略微振动和停止。因此，为了使得距离方位测量装置不受所述振动和停止的影响，为该距离方位测量装置配置单独的转动机构。优选地，控制装置在此可以构造成用于根据所标定的球坐标映射参数中的方位信息对图像采集装置的转动偏差进行修正和/或构造用于对距离方位测量装置的转动偏差进行修正

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，尤其是在采用同步转动的方式采集各数据时可以设有同步信号传感器，该同步信号传感器构造用于检测距离方位测量装置的同步信号，该同步信号表明该距离方位测量装置已经按照预定的规则完成一次数据采集，所述同步信号能优选通过信号线(当然也可以通过无线方式)被传输给控制装置，以便该控制装置控制转动机构的同步转动。优选的，同步信号传感器可被编码器或位置传感器代替。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，在空间信息采集设备中可以设有编码器或位置传感器，用于记录转动机构的当前位置信息并将该位置信息传递给控制装置。通过设置编码器或位置传感器，一方面能够进一步改善图像数据在同一位置被反复采集时的拼接质量，另一方面能够进一步精确图像数据与距离方位数据的配准。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，在空间信息采集设备中可以包括固定的或可拆卸的用于给空间信息采集设备供电的电能模块。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，空间信息采集设备能通过控制装置以有线或无线的方式与外部设备通信。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，空间信息采集设备可以包括用于检测该空间信息采集设备在运行过程中的姿态、特别是异常状态的姿态传感器，控制装置能从该姿态传感器获取与所述姿态相关的信息并且利用该信息对图像数据和距离方位数据进行修正处理，以便实时最小化配准偏差以及修正最终数据的姿态(俯仰角、倾角等)。例如当空间信息采集设备放置在一个不水平的地面上时，该扩展方案是特别有利的。此外，该扩展方案在空间信息采集设备出现异常状态、例如受到过大冲击或震动时是特别有利的。优选地，所述姿态传感器是多轴传感器，所述多轴传感器优选包括重力传感器。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，空间信息采集设备还可以包括用于获取空间信息采集设备的方位信息的指南针和/或用于记录数据采集点的全球坐标信息的GPS模块。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，图像采集装置的至少一个转动轴线与距离方位测量装置的至少一个转动轴线重合。在该情况下，由于所述空间信息采集设备能够被横向或纵向放置，为了使空间信息采集设备在图像采集装置与距离方位测量装置的重合转动轴线上的重心稳定，优选在该空间信息采集设备中设有用于配平重量的配平结构。优选地，所述配平结构设置在镜头进光侧和/或分布在镜头周围。有利地，所述配平结构例如可以是附加的配平重量块，当然也可以通过调整空间信息采集设备的各组成部分的相对位置来实现所述配平结构。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，可以设有用于支撑空间信息采集设备的支架、例如三脚架。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，可以设有用于封闭空间信息采集设备的各组成部分的壳体。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述图像采集装置可以是照相机、摄像机或任意带有镜头的能够采集图像的电子模块。

在按照本发明的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述距离方位测量装置可以是单点或线扫描或面扫描方式的距离/方位传感器、例如激光测距仪。

优选地，距离方位测量装置的扫描中心线或平面可以经过图像采集装置的其中一个转动轴线、优选经过镜头光学节点。

本发明的第二方面涉及一种尤其是利用上述空间信息采集设备来采集空间信息的方法，所述方法包括如下方法步骤：

采集距离方位数据采集步骤：距离方位采集装置在至少一个方向上转动并且采集距离方位数据；

图像数据采集步骤：图像采集装置围绕其唯一的镜头光学节点转动并且采集图像数据；

标定步骤：在所述采集图像数据期间或之后优选通过图像间的内在关系(如图象特征点)来标定镜头畸变参数及球坐标映射参数；

配准步骤：以所标定的镜头畸变参数及球坐标映射参数为基础，根据镜头光学节点与距离方位采集装置的测量中心之间的相对位置关系将距离方位数据与全景图配准，从而获得带有距离方位信息的全景图像。

在按照本发明的方法的一种扩展方案中，所述配准步骤可以包括：

图像数据映射步骤：将所采集的图像数据变换并映射拼接到一个以球坐标表示的全景图像上；

距离方位数据变换步骤：将所采集的距离方位数据变换到同一个原点的三维空间内；

数据对应步骤：将三维空间的所述原点变换到与球坐标的原点重合，使得球坐标图像上的方位与三维空间内的点的方位一一对应。

在按照本发明的方法的一种扩展方案中，距离方位数据采集步骤和图像数据采集步骤可以以同步转动或异步转动的方式和/或以同时或先后的方式进行。优选地，所述距离方位测量装置可以在所述图像采集装置采集数据期间始终保持在该图像采集装置的镜头有效视角范围之外。

在按照本发明的方法的一种扩展方案中，图像采集装置可以单次或多次重复转动并且重复采集图像数据和/或距离方位采集装置多次重复转动并且采集距离方位数据。优选地，在图像采集装置反复采集图像数据时，图像采集装置在同一位置或不同位置用不同的曝光模式采集图像数据。同样优选地，在距离方位采集装置多次重复并且转动采集距离方位数据时，距离方位测量装置在同一位置或不同位置采集距离方位数据。优选地，在距离方位采集装置多次重复转动并且采集距离方位数据之后，可以通过控制装置对多次重复转动采集的距离方位数据进行多次采样平均和/或异常值剔除处理。优选地，在所述配准步骤之前或之后可以对图像数据进行多帧降噪、活动景物剔除和/或动态范围压缩等图像处理。由此能够保证数据采集的准确性，丰富性、完整性。

附图说明

下面借助于实施例参照附图示例性地详细阐述本发明。这些实施例对于本发明不应是限制性的，而是用于更好地理解本发明。其中：

图1a、1b分别示意性示出按照本发明的空间信息采集设备的第一种优选实施例在不同状态下的结构简化图；

图2a、2b示意性示出按照本发明的空间信息采集设备的第二种优选实施例在不同状态下的结构简化图；

图3示意性示出按照本发明的空间信息采集设备的第三种优选实施例的结构简化图；

图4示出按照本发明的方法的示意流程图。

图5示出按照本发明的方法的配准步骤的优选实施例的示意流程图。

具体实施方式

图1a、1b分别示意性示出按照本发明的空间信息采集设备100的第一种优选实施例在不同状态下的结构简化图。所述空间信息采集设备100包括：用于采集目标空间的图像数据的图像采集装置1；用于采集目标空间的距离方位数据的距离方位测量装置2；以及例如通过信号线(也可以以无线的方式)分别与图像采集装置1和距离方位测量装置2通信连接的控制装置4。所述控制装置4构造用于分别通过所述通信连接从图像采集装置和距离方位测量装置获得图像数据和距离方位数据。所述控制装置4还构造用于在图像采集装置1采集图像数据期间或之后标定镜头畸变参数及球坐标映射参数并且以所标定的镜头畸变映射及球坐标位置参数为基础根据镜头光学节点P0与距离方位测量装置2的测量中心L0之间的相对位置关系d对图像数据和距离方位数据进行配准，从而获得带有距离方位信息的全景图像。距离方位测量装置2可以是单点或线扫描或面扫描方式的距离/方位传感器。此外，空间信息采集设备100还包括一个唯一的能通过控制装置4由电马达5驱动的转动机构3。图像采集装置1和距离方位测量装置2固定地或可拆卸地安装在该转动机构3上。

在该第一种优选实施例中，图像采集装置1构造成能围绕其唯一的镜头光学节点P0在至少一个方向上转动，在此能围绕转动机构3的竖直轴线A转动。当图像采集装置1仅具有一个转动自由度时，该图像采集装置所配备的镜头为120以上的大广角镜头、特别是鱼眼镜头，其镜头光学节点应当处于该转动自由度的轴线上。此外，为了保证图像采集装置1在转动机构3围绕竖直轴线A转动180度之后，在相对于转动机构的另一方向上具有部分采集重叠区域，图像采集装置1可以相对于转动机构3倾斜一个角度、例如相对于转动机构3的竖直轴线A向上倾斜15度。同样地，距离方位测量装置2构造成能在至少一个方向上转动，在此能围绕转动机构3的竖直轴线A转动。在此，图像采集装置1的镜头光学节点P0和距离方位测量装置2的测量中心L0的连线与转动机构3的竖直轴线A垂直。

在当前实施例中，图像采集装置1与距离方位测量装置2通过翻转机构6彼此刚性连接，从而能够简单地确保距离方位测量装置在图像采集装置采集数据期间始终保持在该图像采集装置的镜头有效视角范围之外。当采用先后方式采集图像数据和距离方位数据时，所述翻转机构6还能够对换图像采集装置1和距离方位测量装置2的位置，从而图像采集装置1的镜头光学节点P0和距离方位测量装置2的测量中心L0能在先后采集各自的数据时在空间上重合。具体地，当图像采集装置1采集图像数据时，镜头光学节点P0如图1a所示的那样处于转动机构3的竖直轴线A上，此时距离方位测量装置2不工作；而在图像数据采集结束之后并且在距离方位测量装置2开始采集距离方位数据之前，翻转机构6在控制装置4的控制下翻转，使得距离方位测量装置2的测量中心L0如图1b所示的那样位于镜头光学节点P0在图1a中的位置上。此时，翻转机构6例如也可以通过与控制装置4连接的电马达来驱动以便实现上述对换功能。该构造方案对于图像数据和距离方位数据的配准是特别有利的。

当采用同步方式采集图像数据和距离方位数据时，在空间信息采集设备100中设有未示出的同步信号传感器，该同步信号传感器构造用于检测距离方位测量装置2的同步信号，该同步信号表明该距离方位测量装置已经按照预定的规则完成一次数据采集。所述同步信号通过信号线传输给控制装置4，以便控制转动机构3的转动。

另外，在空间信息采集设备100中还可以设有未示出编码器或位置传感器，用于记录转动机构3的当前位置信息并将该位置信息传递给控制装置4。空间信息采集设备还包括可拆卸的电能模块(未示出)，用于给空间信息采集设备供电。

进一步地，空间信息采集设备100能通过控制装置4以有线(例如网线或USB)或无线(例如蓝牙或wifi)的方式与外部设备(例如手机、平板、笔记本电脑等)通信。亦即，该空间信息采集设备100能通过控制装置4向外部设备输出带有距离方位信息的图像数据和/或能通过控制装置4从外部设备接收控制数据或更新数据等。

空间信息采集设备100还可以包括用于检测该空间信息采集设备在运行过程中的姿态、特别是异常状态的姿态传感器(未示出)，控制装置4能从该姿态传感器获取与姿态相关的信息并且利用该信息对图像数据和距离方位数据进行修正处理。所述姿态传感器可以是多轴传感器(水平、垂直俯仰角等姿态传感器)。

此外，空间信息采集设备100中还可以包括用于获取空间信息采集设备的方位信息的指南针和/或用于记录数据采集点的全球坐标信息的GPS模块(未示出)。

在此，图像采集装置1和距离方位测量装置2均能围绕转动轴线A转动。在该情况下，由于所述空间信息采集设备能够被横向或纵向放置，为了使空间信息采集设备在图像采集装置与距离方位测量装置的重合转动轴线A上的重心稳定，优选在该空间信息采集设备中还设有配平结构(未示出)。

图2a、2b示意性示出按照本发明的空间信息采集设备的第二种优选实施例在不同状态下的结构简化图。图2a、2b分别与图1a、1b基本上对应，但在该第二种优选实施例中，图像采集装置1的镜头光学节点P0和距离方位测量装置2的测量中心L0的连线与转动机构3的竖直轴线A重合。

图3示意性示出按照本发明的空间信息采集设备的第三种优选实施例的结构简化图。在该实施例中，图像采集装置1和距离方位测量装置2分别配置有各自的转动机构3、7。这两个转动机构3、7能分别通过控制装置4由各自的电马达5、8驱动，从而分别带动图像采集装置1和距离方位测量装置2同步或异步转动。在此，所述控制装置4构造使得距离方位测量装置2在图像采集装置1采集数据期间始终保持在该图像采集装置的镜头有效视角范围之外。该第三优选实施例的其余结构与图1a、1b或图2a、2b的相应部分相同。

图4示出按照本发明的方法的示意流程图。所述方法包括如下方法步骤：距离方位数据采集步骤S100——距离方位采集装置在至少一个方向上转动并且采集距离方位数据；图像数据采集步骤S200——图像采集装置围绕其唯一的镜头光学节点转动并且采集图像数据；标定步骤S300——在所述采集图像数据期间或之后标定镜头畸变参数及球坐标映射参数；配准步骤S400——以所标定的镜头畸变参数及球坐标映射参数为基础，根据镜头光学节点与测量中心之间的相对位置关系将距离方位数据与图像数据配准，从而获得带有距离方位信息的全景图像。此外，通过该方法也可以利用图像数据的色彩信息给距离方位信息绑定颜色。

其中，图像数据采集步骤和距离方位数据采集步骤可以以同步或异步转动的方式和/或以同时或先后的方式进行。尤其是当光线充足时，图像采集装置和距离方位测量装置可同步转动并同时采集各自数据，同步传感器不断地反馈同步信息，编码器不断反馈当前位置信息。

当图像采集装置和距离方位测量装置同步转动采集各自数据时，在宏观上是连续转动的，但在微观上每当距离方位测量装置按照一定的采集规则完成一次采集后发出同步信号，在两个同步信号之间转动机构转动一定的角度。

为保证数据采集的准确性，丰富性、完整性，图像采集装置和/或距离方位测量装置可多次重复转动并且采集图像数据和/或距离方位数据。试验表明，当距离方位测量装置重复转动3次采集数据时，获得最好的采集效果与采集时间之间的平衡。在图像采集装置多次重复转动并且采集图像数据过程中，图像采集装置在同一位置或不同位置用不同的曝光模式采集图像数据。当然，图像采集装置也可以单次转动并且在暂停转动进行拍摄时在同一位置多次重复(同样优选重复3次)采集图像数据。距离方位测量装置同样可在距离方位测量装置多次重复转动并且采集距离方位数据过程中在同一位置或不同位置采集距离方位数据。

例如当图像采集装置与距离方位测量装置具有一个共同的转动机构时，可以在一次转动期间只采集图像数据或距离方位数据(即，仅图像采集装置或距离方位测量装置工作)或者也可以在一次转动期间图像采集装置和距离方位测量装置一起工作并且采集各自的数据。当图像采集装置与距离方位测量装置例如各自配置有转动机构时，图像采集装置与距离方位测量装置可同时分开转动采集数据，并且通过控制装置的控制使得距离方位测量装置始终处于图像采集装置的镜头有效视角范围之外。

当采用多次重复采集数据法时，所采集的图像数据可合成高动态范围图像(HDR)，并降低图像噪声，而距离方位数据则可通过对多次重复转动采集的同一个点的数据求平均值获得更准确的数据。

如果采集的次数大于等于3，则还可以用排除异常值算法，剔除采集过程中的异常情况(离群点)，比如采集过程中出现人员走动，小动物误入等状况。通过多次数据比对能够排除异常值，提高数据可用性。

此外，还可以通过控制装置4将所获得的带有距离方位信息的全景图像和/或彩色点云数据传输给外部设备，或者将带有距离方位信息的全景图像和/或彩色点云数据存储在控制装置4的存储器中。

图5示出按照本发明的方法的配准步骤的优选实施例的示意流程图。所述配准步骤S400包括：图像数据映射步骤S410——将所采集的图像数据变换并映射拼接到一个以球坐标表示的全景图像上；距离方位数据变换步骤S420——将所采集的距离方位数据变换到同一个原点的三维空间内；数据对应步骤S430——将三维空间的所述原点变换到与球坐标的原点重合，使得球坐标图像上的方位与三维空间内的点的方位一一对应。

以上描述中的术语“控制装置”是包含用于处理数据的各种的硬件设备、装置和机器，作为示例可包括可编程处理器、计算机、***芯片或多个它们的组合。控制装置也可包括特殊用途的逻辑电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。除硬件之外的组件还可以包括为计算机程序创建执行环境的代码所驱动的应用程序，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理***、操作***(例如Android***、OS***等)、跨平台运行环境、虚拟机或它们中的一个或多个组合的代码、设备和执行环境可以实现各种不同的计算模型基础结构，诸如web/browser服务、分布式计算以及网格计算基础结构。

以上提及的特征，只要在本发明的范围内是有意义的，均可以任意相互组合。针对所述设备所说明的优点和特征以相应的方式适用于所述方法。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些具体实施方式仅是举例说明。本领域的技术人员可以在不背离本发明的原理的前提下对这些具体实施方式做出多种变更或修改，这些变更和修改均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种空间信息采集设备(100)，该空间信息采集设备包括图像采集装置(1)、距离方位测量装置(2)以及控制装置(4)，图像采集装置(1)和距离方位测量装置(2)能分别与控制装置(4)通信连接，所述图像采集装置(1)是照相机、摄像机或带有镜头的具有照相或摄像功能的电子模块，所述距离方位测量装置(2)是单点或线扫描或面扫描方式的距离/方位传感器，在空间信息采集设备(100)中还设有用于支撑空间信息采集设备的支架和/或用于封闭空间信息采集设备的各组成部分的壳体，其特征在于：

所述图像采集装置(1)构造成能围绕其唯一的镜头光学节点(P0)在至少一个方向上转动并且采集目标空间的图像数据；

所述距离方位测量装置(2)构造成能在至少一个方向上转动并且采集目标空间的距离方位数据，所述距离方位测量装置(2)在所述图像采集装置(1)采集数据期间始终保持在该图像采集装置的镜头有效视角范围之外；

所述控制装置(4)构造用于能分别从图像采集装置(1)和距离方位测量装置(2)获得图像数据和距离方位数据，所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)能以同步或异步转动的方式和/或以同时或先后的方式采集各自的数据；

所述控制装置(4)构造用于在图像采集装置(1)采集图像数据期间或之后标定镜头畸变参数及球坐标映射参数并且以所标定的镜头畸变参数及球坐标映射参数为基础根据镜头光学节点(P0)与距离方位测量装置(2)的测量中心(L0)之间的相对位置关系(d)对图像数据和距离方位数据进行配准，从而获得带有距离方位信息的全景图像；所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)分别配置有各自的转动机构(3、7)，控制装置(4)构造成用于根据所标定的球坐标映射参数中的方位信息对图像采集装置(1)的转动偏差进行修正和/或构造用于对距离方位测量装置(2)转动偏差进行修正。

2.根据权利要求1所述的空间信息采集设备(100)，其特征在于，设有一个唯一的转动机构(3)，所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)的转动由该唯一的转动机构实现。

3.根据权利要求2所述的空间信息采集设备(100)，其特征在于，所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)彼此刚性连接，控制装置(4)构造成用于根据所标定的球坐标映射参数中的方位信息对图像采集装置(1)的转动偏差进行修正；

所述图像采集装置(1)的镜头光学节点(P0)和所述距离方位测量装置(2)的测量中心(L0)的连线与转动机构的至少一个自由度的轴线(A)垂直，或者所述图像采集装置(1)的镜头光学节点(P0)和所述距离方位测量装置(2)的测量中心(L0)的连线与转动机构的至少一个自由度的轴线(A)重合；

所述图像采集装置的镜头光学节点和所述距离方位测量装置的测量中心的连线相对于转动机构的至少一个自由度的轴线倾斜，倾斜角度为：15度、35度、55度或65度中的一种；

所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)通过一个唯一的翻转机构彼此刚性连接，该唯一的翻转机构构造成使得图像采集装置(1)的镜头光学节点(P0)和距离方位测量装置(2)的测量中心(L0)能在先后采集各自的数据时在空间上重合；

所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)分别配置有第一翻转机构和第二翻转机构，所述第一翻转机构和第二翻转机构配合作用，使得所述图像采集装置(1)的镜头光学节点(P0)和所述距离方位测量装置(2)的测量中心(L0)能在先后采集各自的数据期间在空间上重合。

4.根据权利要求1所述的空间信息采集设备(100)，其特征在于，设有同步信号传感器，该同步信号传感器构造用于检测距离方位测量装置(2)的同步信号，该同步信号表明该距离方位测量装置已经按照预定的规则完成一次数据采集，所述同步信号能被传输给控制装置(4)，以便该控制装置控制转动机构的转动。

5.根据权利要求1所述的空间信息采集设备(100)，其特征在于，在空间信息采集设备(100)中设有编码器或位置传感器，用于记录转动机构(3)的当前位置信息并将该位置信息传递给控制装置(4)；和/或

空间信息采集设备(100)包括可拆卸的用于给空间信息采集设备供电的电能模块；和/或

空间信息采集设备(100)包括用于检测该空间信息采集设备在运行过程中的姿态、异常状态的姿态传感器、多轴传感器，控制装置(4)能从该姿态传感器获取与所述姿态相关的信息并且利用该信息对图像数据和距离方位数据进行修正处理；和/或空间信息采集设备(100)包括用于获取空间信息采集设备的方位信息的指南针和/或用于记录数据采集点的全球坐标信息的GPS模块。

6.根据权利要求1所述的空间信息采集设备(100)，其特征在于，图像采集装置(1)的至少一个转动轴线与距离方位测量装置(2)的至少一个转动轴线重合；空间信息采集设备(100)包括用于使空间信息采集设备在图像采集装置(1)与距离方位测量装置(2)的重合转动轴线(A)上的重心稳定的配平结构。

7.一种采集空间信息的方法，尤其是利用根据权利要求1至6中任一项所述的空间信息采集设备(100)来实现，所述方法包括如下方法步骤：

距离方位数据采集步骤(S100)：距离方位采集装置在至少一个方向上转动并且采集距离方位数据；

图像数据采集步骤(S200)：图像采集装置围绕其唯一的镜头光学节点转动并且采集图像数据，所述距离方位测量装置在所述图像采集装置采集数据期间始终保持在该图像采集装置的镜头有效视角范围之外，距离方位数据采集步骤(S100)和图像数据采集步骤(S200)以同步或异步转动的方式和/或以同时或先后的方式进行；

参数标定步骤(S300)：在所述图像数据采集步骤(S200)期间或之后标定镜头畸变参数及球坐标映射参数，根据所标定的球坐标映射参数中的方位信息对图像采集装置的转动偏差进行修正和/或对距离方位采集装置的转动偏差进行修正；

配准步骤(S400)：以所标定的镜头畸变参数及球坐标映射参数为基础，根据镜头光学节点与距离方位采集装置的测量中心之间的相对位置关系将距离方位数据与图像数据配准，从而获得带有距离方位信息的全景图像。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述配准步骤(S400)包括：

图像数据映射步骤(S410)：将所采集的图像数据变换并映射拼接到一个以球坐标表示的全景图像上；

距离方位数据变换步骤(S420)：将所采集的距离方位数据变换到同一个原点的三维空间内；

数据对应步骤(S430)：将三维空间的所述原点变换到与球坐标的原点重合，使得球坐标图像上的方位与三维空间内的点的方位一一对应。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，图像采集装置单次或多次重复转动、重复三次并且反复采集图像数据，在图像采集装置反复采集图像数据时，图像采集装置在同一位置或不同位置用不同的曝光模式采集图像；和/或

距离方位采集装置多次重复转动、重复三次并且采集距离方位数据，在距离方位采集装置多次重复转动并且采集距离方位数据之后，通过控制装置对多次重复转动采集的距离方位数据进行多次采样平均和/或异常值剔除处理；

在所述配准步骤(S400)之前或之后对图像数据进行多帧降噪、活动景物剔除和/或动态范围压缩处理。

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