CN115657061B - 一种室内墙面三维扫描装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室内墙面三维扫描装置及方法，属于三维扫描技术领域，所述装置包括基座、第一支撑台、第二支撑台、第三支撑台、振镜模块、可见光相机、控制模块和激光测距模块；所述方法采用全面或指定区域的三维扫描方式，避免了因墙面凹凸部分、裂缝等而存在稠密点云、噪点、畸变，从而有效避免造成扫描面不平整的技术问题，具有更高的扫描测绘精度，并且能够自主选择扫描区域，自由度更高。
Description
技术领域
本发明属于三维重建技术领域，具体涉及一种室内墙面三维扫描装置及方法。
背景技术
目前的三维重建方法主要通过激光雷达、RGB-D深度相机、双目相机获取三维稠密点云，利用稠密点云信息完成位姿估计，进而把点云拼接到正确的位置，完成三维重建。但在面对墙面这类平整目标时，激光雷达与RGB-D深度相机采集的点云数据会不可避免的出现部分噪点、畸变点，导致重建出的三维模型不满足高精度室内测绘使用；而双目相机更是由于墙面特征点难以提取，导致三维重建完全失效。
因此，本发明提供了一种室内墙面三维扫描装置及方法，以至少解决上述部分技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种室内墙面三维扫描装置及方法，以至少解决上述部分技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种室内墙面三维扫描装置，包括基座，设于基座上的第一支撑台、第二支撑台和第三支撑台，安装于第一支撑台上的振镜模块，安装于第二支撑台上的可见光相机和控制模块，以及安装于第三支撑台上的激光测距模块；所述控制模块分别与振镜模块、激光测距模块和可见光相机相连接，所述激光测距模块的激光出射口对准振镜模块的入射口。
进一步地，所述可见光相机的视场覆盖区覆盖被测墙面，所述激光测距模块的激光点覆盖区大于所述可见光相机的视场覆盖区。
进一步地，所述控制模块连接至PC端。
一种室内墙面三维扫描方法，包括以下步骤：
步骤1、可见光相机采集室内墙面的被测墙面的第一图像；
步骤2、在第一图像中标注被测墙面的4个墙角点和可扫描区域；
步骤3、利用激光测距模块和振镜模块发射激光，依次扫描4个墙角点和可扫描区域，得到4个墙角点的激光三维坐标、以及可扫描区域内的多个激光三维坐标；
步骤4、利用可扫描区域内的激光三维坐标拟合墙面方程，并通过4个墙角点的激光三维坐标确定墙面方程的边界值，完成墙面三维扫描。
进一步地，所述步骤1包括：步骤11、可见光相机采集被测墙面的第一图像，并通过控制模块传输至PC端。
进一步地，所述步骤2包括：步骤21、在第一图像上手动标注被测墙面的4个墙角点的像素坐标、以及可扫描区域内的像素坐标；步骤22、将被测墙面的4个墙角点的像素坐标、以及可扫描区域内的像素坐标传输至控制模块中。
进一步地，所述步骤3包括：
步骤31、激光测距模块发射激光，控制模块控制振镜模块内的振镜偏转，调整所述激光投射在被测墙面上激光点的位置，检测激光点的像素坐标直至依次与被测墙面的4个墙角点的像素坐标相同，得到4个墙角点对应的激光三维坐标；
步骤32、激光测距模块发射激光，控制模块控制振镜模块内的振镜偏转，调整所述激光投射在被测墙面上激光点的位置，检测激光点的像素坐标直至与可扫描区域内的像素坐标相同，得到可扫描区域内至少3个位置对应的激光三维坐标。
进一步地，所述激光点的像素坐标的检测包括：步骤A、激光测距模块发射激光，并投射在不同光照、不同距离且不同类型的室内墙面上形成对应的激光点，可见光相机依次采集对应墙面的第二图像，将第二图像转换为HSV颜色空间并统计激光点的HSV范围，得到判断阈值；步骤B、由可见光相机采集被测墙面的第三图像，遍历第三图像上所有像素坐标，统计满足判断阈值的像素坐标，选取所有满足判断阈值的像素坐标的中点作为第三图像上激光点的像素坐标。
进一步地，所述步骤4包括：步骤41、建立平面方程Ax+By+Cz+D=0，然后根据最小二乘法建立优化项（0-Ax-By-Cz-D）^2，其中（A，B，C）是平面方程对应的平面的法向量，D是平面方程的已知常数，并带入步骤32所得的可扫描区域内的多个激光三维坐标，利用高斯牛顿法求解所述平面方程；步骤42、利用步骤31所得的4个墙角点对应的激光三维坐标，确定所述平面方程的取值范围，完成被测墙面的三维扫描。
进一步地，所述被测墙面的4个墙角点包括左上角、左下角、右上角和右下角，可扫描区域为去除不可扫描区域的剩余区域。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
由于目前的三维扫描方式为整体全面扫描，当墙面出现凹凸部分时容易产生噪点、奇异点，最终扫描出的墙面不够平整。本发明可通过指定扫描区域的方式避免该情况的出现，以剔除不想扫描的区域，采用全面或指定区域的三维扫描方式，避免了因墙面凹凸部分、裂缝等而存在稠密点云、噪点、畸变，从而有效避免造成扫描面不平整的技术问题，具有更高的扫描测绘精度，并且能够自主选择扫描区域，自由度更高。
附图说明
图1为本发明所述扫描装置的结构示意图。
图2为本发明所述振镜模块、激光测距模块和可见光相机扫的平面分布图。
图3为本发明所述第一图像的手动标注示意图。
图4为本发明所述方法的流程图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-基座，2-振镜模块，3-激光测距模块，4-可见光相机，5-控制模块，6-可见光相机的视场覆盖区，7-激光测距模块的激光点覆盖区，11-第一支撑台，12-第二支撑台，13-第三支撑台。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅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。
如图1所示，本发明提供的一种室内墙面三维扫描装置，包括基座1，设于基座1上的第一支撑台11、第二支撑台12和第三支撑台13，安装于第一支撑台11上的振镜模块2，安装于第二支撑台12上的可见光相机4和控制模块5，以及安装于第三支撑台13上的激光测距模块3；所述控制模块5分别与振镜模块2、激光测距模块3和可见光相机4相连接，所述激光测距模块3的激光出射口对准振镜模块2的入射口。所述激光测距模块3发射激光，振镜模块2对所述激光的照射方向进行偏转，进而调整激光投射于被测墙面不同位置。可见光相机4对被测墙面以及经激光投射后形成对应激光点的被测墙面的拍照，控制模块5结合激光测距模块3的激光参数，对拍照的图片进行处理，最终实现被测墙面的三维扫描。
如图2所示，在部分实施例中，可见光相机的视场覆盖区6覆盖被测墙面，进而保证被测墙面的所有区域均能被图像记录；激光测距模块的激光点覆盖区7大于所述可见光相机的视场覆盖区6，如此使得可见光相机的视场覆盖区6能被激光点全部覆盖。
在部分实施例中，控制模块5连接至PC端。PC端用于人工对被测墙面的扫描区域进行区域自主选择扫描区域，自由度更高，同时还能剔除不想扫描的区域，如不平整的凹凸部分、或出现裂缝等区域。
所述激光测距模块3包括但不限于具有测距功能的激光测距仪或激光测距装置，并且激光测距模块3测距精度为毫米级或毫米级以下；所述振镜模块2包括用于改变激光光束方向的振镜，振镜的镜面可调节，其调节机构优选电动马达，电动马达与控制模块5相连；所述控制模块5为微处理器，型号优选STM32F103VE；所述可见光相机4可在市场上购买并直接使用。
如图4所示，一种室内墙面三维扫描方法，包括以下步骤：
步骤1、可见光相机采集室内墙面的被测墙面的第一图像；
步骤2、在第一图像中标注被测墙面的4个墙角点和可扫描区域；
步骤3、利用激光测距模块和振镜模块发射激光，依次扫描4个墙角点和可扫描区域，得到4个墙角点的激光三维坐标、以及可扫描区域内的多个激光三维坐标；
步骤4、利用可扫描区域内的激光三维坐标拟合墙面方程，并通过4个墙角点的激光三维坐标确定墙面方程的边界值，完成墙面三维扫描。
本发明所述方法可通过指定扫描区域的方式，避免墙面凹凸部分时容易产生噪点、奇异点，以剔除不想扫描的区域，避免了因墙面凹凸部分、裂缝等而存在稠密点云、噪点、畸变，从而有效避免造成扫描面不平整的技术问题，具有更高的扫描测绘精度，并且能够自主选择扫描区域，自由度更高。
在部分实施例中，所述步骤1包括：步骤11、可见光相机采集被测墙面的第一图像，并通过控制模块传输至PC端。
在部分实施例中，所述步骤2包括：步骤21、在第一图像上手动标注被测墙面的4个墙角点的像素坐标、以及可扫描区域内的像素坐标；步骤22、将被测墙面的4个墙角点的像素坐标、以及可扫描区域内的像素坐标传输至控制模块中。步骤2通过手动标注进行被测墙面全面或指定区域的扫描限制，如图3所示，所述被测墙面可以是室内墙面的整面墙面，也可以是室内墙面的某一区域的部分墙面，并获取该部分墙面的三维信息，而目前主流的整体扫描方式无法满足该需求。所述4个墙角点包括左上角、左下角、右上角和右下角。可扫描区域为4个角点以内且去除不可扫描区域的剩余区域，不可扫描区域包括墙面凹凸部分、裂缝等影响扫描效果的区域。
在部分实施例中，所述步骤3包括：
步骤31、激光测距模块发射激光，控制模块控制振镜模块内的振镜偏转，调整所述激光投射在被测墙面上激光点的位置，检测激光点的像素坐标直至依次与被测墙面的4个墙角点的像素坐标相同，得到4个墙角点对应的激光三维坐标；
步骤32、激光测距模块发射激光，控制模块控制振镜模块内的振镜偏转，调整所述激光投射在被测墙面上激光点的位置，检测激光点的像素坐标直至与可扫描区域内的像素坐标相同，得到可扫描区域内至少3个位置对应的激光三维坐标。
所述步骤3通过将激光点投射到4个墙角点和可扫描区域，进而得到对应的激光三维坐标。
在部分实施例中，所述激光点的像素坐标检测包括：步骤A、激光测距模块发射激光，并投射在不同光照、不同距离且不同类型的室内墙面上形成对应的激光点，可见光相机依次采集对应墙面的第二图像，将第二图像转换为HSV颜色空间并统计激光点的HSV范围，得到判断阈值；步骤B、由可见光相机采集被测墙面的第三图像，遍历第三图像上所有像素坐标，统计满足判断阈值的像素坐标，选取所有满足判断阈值的像素坐标的中点作为第三图像上激光点的像素坐标。其中步骤31和步骤32在激光投射位置的调整过程中，通过可见光相机持续采集对应的第三图像，并由步骤B实时获得激光点的像素坐标，进而判断是否到达4个墙角点或可扫描区域。
由于激光测距模块发射形成的激光点在不同光照情况下，在图像中的像素值略有不同，因此需要统计多种情况得到判断阈值，从而在图像中找出激光所对应的像素坐标。统计多种情况下的激光点的阈值，能够更加精准的找出激光点，并且提高泛化性。
在部分实施例中，所述步骤4包括：步骤41、建立平面方程Ax+By+Cz+D=0，然后根据最小二乘法建立优化项（0-Ax-By-Cz-D）^2，其中（A，B，C）是平面方程对应的平面的法向量，D是平面方程的已知常数，并带入步骤32所得的可扫描区域内的多个激光三维坐标，利用高斯牛顿法求解所述平面方程；步骤42、利用步骤31所得的4个墙角点对应的激光三维坐标，确定所述平面方程的取值范围，完成被测墙面的三维扫描。由于平面方程为一个无限大的平面，需要通过4个墙角点指出其边界，即x，y，z的最大最小值，为此得到被测墙面的扫描图。
最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种室内墙面三维扫描装置，其特征在于，包括基座（1），设于基座（1）上的第一支撑台（11）、第二支撑台（12）和第三支撑台（13），安装于第一支撑台（11）上的振镜模块（2），安装于第二支撑台（12）上的可见光相机（4）和控制模块（5），以及安装于第三支撑台（13）上的激光测距模块（3）；所述控制模块（5）分别与振镜模块（2）、激光测距模块（3）和可见光相机（4）相连接，所述激光测距模块（3）的激光出射口对准振镜模块（2）的入射口；
所述室内墙面三维扫描装置的扫描方法包括以下步骤：
步骤1、可见光相机采集室内墙面的被测墙面的第一图像；
步骤2、在第一图像中标注被测墙面的4个墙角点和可扫描区域；
步骤3、利用激光测距模块和振镜模块发射激光，依次扫描4个墙角点和可扫描区域，得到4个墙角点的激光三维坐标、以及可扫描区域内的多个激光三维坐标；
步骤4、利用可扫描区域内的激光三维坐标拟合墙面方程，并通过4个墙角点的激光三维坐标确定墙面方程的边界值，完成墙面三维扫描；
所述步骤3包括：
步骤31、激光测距模块发射激光，控制模块控制振镜模块内的振镜偏转，调整所述激光投射在被测墙面上激光点的位置，检测激光点的像素坐标直至依次与被测墙面的4个墙角点的像素坐标相同，得到4个墙角点对应的激光三维坐标；
步骤32、激光测距模块发射激光，控制模块控制振镜模块内的振镜偏转，调整所述激光投射在被测墙面上激光点的位置，检测激光点的像素坐标直至与可扫描区域内的像素坐标相同，得到可扫描区域内至少3个位置对应的激光三维坐标；
所述激光点的像素坐标的检测包括：步骤A、激光测距模块发射激光，并投射在不同光照、不同距离且不同类型的室内墙面上形成对应的激光点，可见光相机依次采集对应墙面的第二图像，将第二图像转换为HSV颜色空间并统计激光点的HSV范围，得到判断阈值；步骤B、由可见光相机采集被测墙面的第三图像，遍历第三图像上所有像素坐标，统计满足判断阈值的像素坐标，选取所有满足判断阈值的像素坐标的中点作为第三图像上激光点的像素坐标；
所述步骤4包括：步骤41、建立平面方程Ax+By+Cz+D=0，然后根据最小二乘法建立优化项（0-Ax-By-Cz-D）^2，其中（A，B，C）是平面方程对应的平面的法向量，D是平面方程的已知常数，并带入步骤32所得的可扫描区域内的多个激光三维坐标，利用高斯牛顿法求解所述平面方程；步骤42、利用步骤31所得的4个墙角点对应的激光三维坐标，确定所述平面方程的取值范围，完成被测墙面的三维扫描。
2.根据权利要求1所述的一种室内墙面三维扫描装置，其特征在于，所述可见光相机（4）的视场覆盖区覆盖被测墙面，所述激光测距模块（3）的激光点覆盖区大于所述可见光相机（4）的视场覆盖区。
3.根据权利要求1所述的一种室内墙面三维扫描装置，其特征在于，所述控制模块（5）连接至PC端。
4.一种室内墙面三维扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、可见光相机采集室内墙面的被测墙面的第一图像；
步骤2、在第一图像中标注被测墙面的4个墙角点和可扫描区域；
步骤3、利用激光测距模块和振镜模块发射激光，依次扫描4个墙角点和可扫描区域，得到4个墙角点的激光三维坐标、以及可扫描区域内的多个激光三维坐标；
步骤4、利用可扫描区域内的激光三维坐标拟合墙面方程，并通过4个墙角点的激光三维坐标确定墙面方程的边界值，完成墙面三维扫描；
所述步骤3包括：
步骤31、激光测距模块发射激光，控制模块控制振镜模块内的振镜偏转，调整所述激光投射在被测墙面上激光点的位置，检测激光点的像素坐标直至依次与被测墙面的4个墙角点的像素坐标相同，得到4个墙角点对应的激光三维坐标；
步骤32、激光测距模块发射激光，控制模块控制振镜模块内的振镜偏转，调整所述激光投射在被测墙面上激光点的位置，检测激光点的像素坐标直至与可扫描区域内的像素坐标相同，得到可扫描区域内至少3个位置对应的激光三维坐标；
所述激光点的像素坐标的检测包括：步骤A、激光测距模块发射激光，并投射在不同光照、不同距离且不同类型的室内墙面上形成对应的激光点，可见光相机依次采集对应墙面的第二图像，将第二图像转换为HSV颜色空间并统计激光点的HSV范围，得到判断阈值；步骤B、由可见光相机采集被测墙面的第三图像，遍历第三图像上所有像素坐标，统计满足判断阈值的像素坐标，选取所有满足判断阈值的像素坐标的中点作为第三图像上激光点的像素坐标；
所述步骤4包括：步骤41、建立平面方程Ax+By+Cz+D=0，然后根据最小二乘法建立优化项（0-Ax-By-Cz-D）^2，其中（A，B，C）是平面方程对应的平面的法向量，D是平面方程的已知常数，并带入步骤32所得的可扫描区域内的多个激光三维坐标，利用高斯牛顿法求解所述平面方程；步骤42、利用步骤31所得的4个墙角点对应的激光三维坐标，确定所述平面方程的取值范围，完成被测墙面的三维扫描。
5.根据权利要求4所述的一种室内墙面三维扫描方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤11、可见光相机采集被测墙面的第一图像，并通过控制模块传输至PC端。
6.根据权利要求5所述的一种室内墙面三维扫描方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤21、在第一图像上手动标注被测墙面的4个墙角点的像素坐标、以及可扫描区域内的像素坐标；步骤22、将被测墙面的4个墙角点的像素坐标、以及可扫描区域内的像素坐标传输至控制模块中。
7.根据权利要求4所述的一种室内墙面三维扫描方法，其特征在于，所述被测墙面的4个墙角点包括左上角、左下角、右上角和右下角，可扫描区域为去除不可扫描区域的剩余区域。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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