CN115984512A - 一种平面场景三维重建装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维重建技术领域，具体设计一种平面场景三维重建装置及方法，所述方法包括：设置五个激光测距模块，五个激光测距模块测距方向的延长线交于一点；五个激光测距模块的可见光斑射向左、下、右、上、前五个平面区域，同时移动五个激光测距模块并持续采集五个平面区域的三维点云数据；利用三维点云数据拟合平面方程参数，得到四个交点的三维坐标，基于四个交点得到拟合平面；当连续获得的两个三维点云数据的拟合平面发生变化，基于两个三维点云数据拼接新平面。本发明采用稀疏点云的平面重建装置及方法，测距模块精度为毫米级，既减少了设备制造成本，又增加了测量精度。

Description

一种平面场景三维重建装置及方法

技术领域

本发明涉及三维重建领域，具体是一种平面场景三维重建装置及方法。

背景技术

目前的三维重建***主要通过激光SLAM算法、视觉SALM算法、多视角点云拼接算法完成三维重建。但上述方法均要求稠密点云数据，该类设备通常非常昂贵，并且为了保证点云数据的稠密度，牺牲了测距精度，通常为厘米级，不满足毫米级精度的测绘领域。

基于上述缺点，本发明提出一种基于稀疏点云的平面重建装置及方法，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：提供一种平面场景三位重建装置，以至少解决上述部分问题

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种平面场景三维重建装置，包括基座、设于基座上的控制模块、设于基座上的第一激光测距模块、设于基座上的第二激光测距模块、设于基座上的第三激光测距模块、设于基座上的第四激光测距模块、设于基座上的第五激光测距模块、设于基座上的手持结构；所述控制模块分别连接第一激光测距模块、第二激光测距模块、第三激光测距模块、第四激光测距模块、第五激光测距模块；所述第一激光测距模块固定于基座左侧；所述第二激光测距模块固定于基座下侧，所述第三激光测距模块固定于基座右侧，所述第四激光测距模块固定于基座上侧，所述第五激光测距模块固定于基座前侧，第一激光测距模块、第二激光测距模块、第三激光测距模块、第四激光测距模块和第五激光测距模块的测距方向的延长线交于一点。

进一步地，所述第一激光测距模块、第二激光测距模块、第三激光测距模块、第四激光测距模块、第五激光测距模块测距精度为毫米级。

进一步地，所述平面场景三维重建装置包含以下控制方法：

第一激光测距模块、第二激光测距模块、第三激光测距模块、第四激光测距模块和第五激光测距模块的可见光斑分别射向左、下、右、上、前五个平面区域，移动平面场景三维重建装置并持续采集五个平面区域的三维点云数据；

控制模块利用三维点云数据拟合平面方程参数，得到四个交点的三维坐标，基于四个交点得到拟合平面；当连续获得的两个三维点云数据的拟合平面发生变化，基于两个三维点云数据拼接新平面。

一种平面场景三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设置五个激光测距模块，五个激光测距模块测距方向的延长线交于一点；

步骤2、五个激光测距模块的可见光斑射向左、下、右、上、前五个平面区域，同时移动五个激光测距模块并持续采集五个平面区域的三维点云数据；

步骤3、利用三维点云数据拟合平面方程参数，得到四个交点的三维坐标，基于四个交点得到拟合平面；

步骤4、当连续获得的两个三维点云数据的拟合平面发生变化，基于两个三维点云数据拼接新平面。

其中步骤1所述五个激光测距模块测距方向交于一点，这一点就是设备本身建立的坐标系原点。

进一步地，所述步骤2中，采集的五个平面区域的三维点云数据中，前一帧的三维点云数据和后一帧的三维点云数据具有共视图。

进一步地，所述步骤3包括：

步骤31、建立平面方程的表达式为ax+by+cz+d=0；

步骤32、将五个平面区域的三维点云数据代入ransac算法分别拟合出5个平面参数；

步骤33、将每一个平面参数分别代入平面方程得到拟合平面的4个交点的三维坐标；

步骤34、基于三维坐标得到拟合平面的面积、边长。

进一步地，所述步骤4包括：

步骤41、同时移动五个激光测距模块时，计算后一帧和前一帧各个交点三维坐标之间的欧式距离，根据欧式距离最小原则，找到后一帧和前一帧各个交点的对应关系，若欧式距离变化量大于10%，则出现新的平面；

当后一帧和前一帧的拟合平面的边长发生变化，则出现新的平面；

步骤42、当出现新的平面时，将后一帧的所有面方程统一到对应交点的坐标系，与前一帧平面方程拼接；

步骤43、联立步骤42中所有平面方程，求出拼接后新平面的交点三维坐标；

步骤44、重复步骤步骤41~步骤43，不断拼接新的平面，完成平面场景三维重建。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用ransac算法完成三维重建，降低了云数据的稠密度，减少了设备的制作成本；本发明激光测距模块精度达到毫米级，提高了装置测量精度，因此本发明提高了装置的经济性的同时还提高了平面场景三维重建的精确度。

本发明的控制模块可直接对数据进行处理，方便携带，增加了装置的灵活性与方便性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图 。

图2为本发明三维重建的流程图。

图3为平面场景三维重建的房间俯视图。

图4为平面场景三维重建的房间内部观测到的正视面示意图。

图5为平面场景三维重建的房间内部观测到的右视面示意图。

1-基座、2-控制模块、3-第一激光测距模块、4-第二激光测距模块测距模块、5-手持结构、6-第三激光测距模块、7-第四激光测距模块、8-第五激光测距模块。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此其不能理解为对本发明的限制术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；当然的，还可以是机械连接，也可以是电连接；另外的，还可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。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发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种平面场景三维重建装置，包括基座1、设于基座1上的控制模块2、设于基座上的第一激光测距模块3、设于基座上的第二激光测距模块4、设于基座上的第三激光测距模块6、设于基座上的第四激光测距模块7、设于基座上的第五激光测距模块8、设于基座上的手持结构5；所述控制模块分别连接第一激光测距模块3、第二激光测距模块4、第三激光测距模块6、第四激光测距模块7、第五激光测距模块8；所述第一激光测3距模块固定于基座左侧；所述第二激光测距模块4固定于基座下侧，所述第三激光测距模块6固定于基座右侧，所述第四激光测距模块7固定于基座上侧，所述第五激光测距模块8固定于基座前侧，第一激光测距模块3、第二激光测距模块4、第三激光测距模块6、第四激光测距模块7和第五激光测距模块8的测距方向的延长线交于一点。

在部分实施例中，所述第一激光测距模块3、第二激光测距模块4、第三激光测距模块6、第四激光测距模块7、第五激光测距模块8测距精度为毫米级。提高了平面场景三维重建装置的测量精度，减小了三维重建的误差。

在部分实施例中，所述平面场景三维重建装置包含以下控制方法：

第一激光测距模块3、第二激光测距模块4、第三激光测距模块6、第四激光测距模块7和第五激光测距模块8的可见光斑分别射向左、下、右、上、前五个平面区域，移动平面场景三维重建装置并持续采集五个平面区域的三维点云数据；

控制模块2利用三维点云数据拟合平面方程参数，得到四个交点的三维坐标，基于四个交点得到拟合平面；当连续获得的两个三维点云数据的拟合平面发生变化，基于两个三维点云数据拼接新平面。

控制模块2直接与第一激光测距模块3、第二激光测距模块4、第三激光测距模块6、第四激光测距模块7、第五激光测距模块8相连，便于接收由第一激光测距模块3、第二激光测距模块44、第三激光测距模块6、第四激光测距模块7、第五激光测距模块8上传的三维点云数据，并处理三维点云数据。

如图2所示，一种平面场景三维重建方法，包括以下步骤：

步骤1、设置五个激光测距模块，五个激光测距模块测距方向的延长线交于一点；

步骤2、五个激光测距模块的可见光斑射向左、下、右、上、前五个平面区域，同时移动五个激光测距模块并持续采集五个平面区域的三维点云数据；

步骤3、利用三维点云数据拟合平面方程参数，得到四个交点的三维坐标，基于四个交点得到拟合平面；

步骤4、当连续获得的两个三维点云数据的拟合平面发生变化，基于两个三维点云数据拼接新平面。

上述一种平面场景三维重建方法可以应用在上述一种平面场景三维重建装置，本发明所述的方法中通过不断移动装置，利用测距精度为毫米级的激光测距模块，每个激光测距模块分别向左、下、右、上、前五个区域发出激光测距，每个区域发射九个激光测距，采集每个平面的三维点云数据，将三维点云数据上传到控制模块，控制模块通过ransac算法拟合平面方程，求出拟合平面的四个交点，确定拟合平面的面积和边长，所述ransac算法能产生高精度参数，提高了平面场景三维建模的精度。

其中步骤1所述的五个激光模块测距方向的延长线交于一点，这一点为平面场景三维重建装置建立坐标系的原点。

在部分实施例中，所述步骤2中，采集的五个平面区域的三维点云数据中，前一帧的三维点云数据和后一帧的三维点云数据具有共视图。

保证前一帧和后一帧具有共视图的目的在于增加地图点信息，以优化地图。

在部分实施例中，所述步骤3包括：

步骤31、建立平面方程的表达式为ax+by+cz+d=0；

步骤32、将五个平面区域的三维点云数据代入ransac算法分别拟合出5个平面参数；

步骤33、将每一个平面参数分别代入平面方程得到拟合平面的4个交点的三维坐标；

步骤34、基于三维坐标得到拟合平面的面积、边长。

控制模块通过ransac算法直接处理由激光测距模块传输过来的三维点云数据，不必与计算机相连进行计算，为平面场景的三维建模提供了便捷，同时ransac算法使用满足可行条件的尽量少的初始数据，并使用一致性数据集去扩大它，这是一种寻找模型去拟合数据的思想，减小了数据拟合的误差，能更精确的得到前方平面数据，提高了平面场景三维重建精确度。

在部分实施例中，所述步骤4包括：

步骤41、同时移动五个激光测距模块时，计算后一帧和前一帧各个交点三维坐标之间的欧式距离，根据欧式距离最小原则，找到后一帧和前一帧各个交点的对应关系，若欧式距离变化量大于10%，则出现新的平面；

当后一帧和前一帧的拟合平面的边长发生变化，则出现新的平面；

步骤42、当出现新的平面时，将后一帧的所有平面方程统一到对应交点的坐标系，与前一帧平面方程拼接；

步骤43、联立步骤42中所有平面方程，求出拼接后新平面的交点三维坐标；

步骤44、重复步骤步骤41~步骤43，不断拼接新的平面，完成平面场景三维重建。

如图3所示为平面场景三维重建的房间俯视图，如图4所示平面场景三维重建的房间的正视面，如图5所示为平面场景三维重建的房间的右视面，当拼接房间正视面和右视面时，平面场景三维重建的房间的正视面为所述步骤41的前一帧，平面场景三维重建的房间的右视面为所述步骤41的后一帧，根据步骤41判断后一帧是否为新的平面，找到前一帧和后一帧各个交点之间的对应关系，如图4所示平面场景三维重建正视面的右上角和图5所示平面场景三维重建右视面的左上角为对应共同点，平面场景三维重建正视面的右下角和图5所示平面场景三维重建右视面的左下角为对应共同点，平面场景三维重建装置基于这两个对应共同点，将前一帧和后一帧的平面拼接在一起，拼接完成后联合所有已出现的平面方程求出拼接后的所有交点，使得整个平面空间完整。当出现新的平面时，平面场景三维重建装置再基于拼接后的交点拼接新的平面。完成所有房间平面之间的拼接，例如房间顶面与正视面、房间顶面和右视面等，直到完成平面场景三维重建。

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)

1.一种平面场景三维重建装置，其特征在于，包括基座（1）、设于基座（1）上的控制模块（2）、设于基座（1）上的第一激光测距模块（3）、设于基座（1）上的第二激光测距模块（4）、设于基座（1）上的第三激光测距模块（6）、设于基座（1）上的第四激光测距模块（7）、设于基座（1）上的第五激光测距模块（8）、设于基座（1）上的手持结构（5）；所述控制模块（2）分别连接第一激光测距模块（3）、第二激光测距模块（4）、第三激光测距模块（6）、第四激光测距模块（7）、第五激光测距模块（8）；所述第一激光测距模块（3）固定于基座（1）左侧；所述第二激光测距模块（4）固定于基座（1）下侧，所述第三激光测距模块（6）固定于基座（1）右侧，所述第四激光测距模块（7）固定于基座（1）上侧，所述第五激光测距模块（8）固定于基座（1）前侧，第一激光测距模块（3）、第二激光测距模块（4）、第三激光测距模块（6）、第四激光测距模块（7）和第五激光测距模块（8）的测距方向的延长线交于一点。

2.如权利要求1所述一种平面场景三维重建装置，其特征在于，所述第一激光测距模块（3）、第二激光测距模块（4）、第三激光测距模块（6）、第四激光测距模块（7）、第五激光测距模块（8）测距精度为毫米级。

3.如权利要求1所述一种平面场景三维重建装置，其特征在于，所述平面场景三维重建装置包含以下控制方法：

第一激光测距模块（3）、第二激光测距模块（4）、第三激光测距模块（6）、第四激光测距模块（7）和第五激光测距模块（8）的可见光斑分别射向左、下、右、上、前五个平面区域，移动平面场景三维重建装置并持续采集五个平面区域的三维点云数据；

控制模块利用三维点云数据拟合平面方程参数，得到四个交点的三维坐标，基于四个交点得到拟合平面；当连续获得的两个三维点云数据的拟合平面发生变化，基于两个三维点云数据拼接新平面。

4.一种平面场景三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设置五个激光测距模块，五个激光测距模块测距方向的延长线交于一点；

步骤2、五个激光测距模块的可见光斑射向左、下、右、上、前五个平面区域，同时移动五个激光测距模块并持续采集五个平面区域的三维点云数据；

步骤3、利用三维点云数据拟合平面方程参数，得到四个交点的三维坐标，基于四个交点得到拟合平面；

步骤4、当连续获得的两个三维点云数据的拟合平面发生变化，基于两个三维点云数据拼接新平面。

5.如权利要求4所述的一种平面场景三维重建方法，其特征在于，所述步骤2中，采集的五个平面区域的三维点云数据中，前一帧的三维点云数据和后一帧的三维点云数据具有共视图。

6.如权利要求4所述的一种平面场景三维重建方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤31、建立平面方程的表达式为ax+by+cz+d=0；

步骤32、将五个平面区域的三维点云数据代入ransac算法分别拟合出5个平面参数；

步骤33、将每一个平面参数分别代入平面方程得到拟合平面的4个交点的三维坐标；

步骤34、基于三维坐标得到拟合平面的面积、边长。

7.如权利要求5所述的一种平面场景三维重建方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤41、同时移动五个激光测距模块时，计算后一帧和前一帧各个交点三维坐标之间的欧式距离，根据欧式距离最小原则，找到后一帧和前一帧各个交点的对应关系，若欧式距离变化量大于10%，则出现新的平面；

当后一帧和前一帧的拟合平面的边长发生变化，则出现新的平面；

步骤42、当出现新的平面时，将后一帧的所有平面方程统一到对应交点的坐标系，与前一帧平面方程拼接；

步骤43、联立步骤42中所有平面方程，求出拼接后新平面的交点三维坐标；

步骤44、重复步骤步骤41~步骤43，不断拼接新的平面，完成平面场景三维重建。

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