[发明专利]基于望远镜的三维光学扫描仪校准

说明书

本申请是原案申请号为200980148640.4的发明专利申请（国际申请号：PCT/EP2009/066280，申请日：2009年12月3日，发明名称：基于望远镜的三维光学扫描仪校准）的分案申请。

技术领域

本发明涉及基于望远镜的三维光学扫描仪校准，更具体地，涉及用于按对映体对排列三维光学扫描仪校准系统的第一望远镜和第二望远镜的方法以及利用所述方法校准的三维光学扫描系统。

背景技术

针对真实世界物体的数据采集和随后的计算机模型生成在许多行业中并且对于许多应用是受关注的，这些行业和应用包括建筑、实物产业设计、娱乐应用（例如，电影和游戏中）、测量、制造质量控制、医疗成像和构造、以及制图和地理应用。为了获得物体的准确3D模型以及物体在真实世界中的面积，必需对组成物体的表面和周围区域的元素进行准确测量或取样。历史上，使用以最多每小时数十或数百的速率提供取样的技术来执行该取样。

近来在扫描技术（如利用LIDAR扫描的技术）中的进展已经使得能够在大约数小时内在大区域上收集物理表面上的数十亿的点样本。在LIDAR扫描处理中，扫描装置将激光束扫描过包围关注结构的场景，并且由扫描装置捕获从场景反射的光束。扫描装置由此测量位于场景中可见的表面上的大量点。每个扫描点在3D空间中具有测量位置，在一定的测量误差内，该测量位置通常针对在扫描仪的本地坐标系中的点（x、y、z）被记录。所得到的点集合通常称为一个或更多个点云（point cloud），其中每个点云可以包括位于扫描视野中的许多不同表面上的点。

常规LIDAR扫描系统并不天然地创建点，而是替代地创建被转换为x、y和z坐标的具有关联镜面角的测程组。将这些天然测量结果映射为x、y和z坐标的功能取决于扫描仪如何装配，并且对于高精度系统，该功能针对每个扫描仪都是不同的，并且是温度和其他环境条件的函数。扫描仪系统之间的差别通常由称为校准参数的一组数据表示。校准系统的目的是估计校准参数。

扫描仪的校准系统现在通常包括测量一组已知靶物并根据这些测量结果来估计校准参数。扫描仪系统将测量一个或更多个靶物的位置。这些相同靶物的位置由受信基准系统（例如使用某种其他方法校准的全站仪（total station））测量。接着估计在该测量条件下的校准参数。在一个或更多个温度处可以执行前述处理。

这样的方法遇到至少三个问题。首先，需要辅助测量系统来定位激光扫描靶物。第二，如果在利用辅助测量系统测量靶物的时间和由被校准的扫描仪测量靶物的时间之间靶物发生移动——这或许是因为靶物例如固定到建筑物的随时间由于太阳光或其他因素而变形的部分，这些移动将系统性误差引入到校准参数中。第三，估计校准参数的能力不会比利用扫描仪和辅助测量系统来定位靶物的能力更好。靶物距扫描仪越远，校准的角度部分的估计值就越好。这已经导致现有技术成为宽范围地隔开靶物的大校准系统。这需要大的稳定空间。空间的尺寸占用太大并且倾向于加重第二个问题；即，靶物需随时间保持稳定或者固定在适当位置。

全站仪是在测量中使用的手动操作光学仪器。全站仪是电子经纬仪（经纬仪）、电子测距计（EDM）和运行在称为数据收集器的外部计算机上的软件的组合。利用全站仪，可以确定从仪器到待测量点的角度和距离。利用三角法和三角测量法，可以使用角度和距离来计算被测量点的实际位置的坐标（x、y和z或北距、东距和仰角）或者按照绝对项的仪器距已知点的位置。多数现代全站仪仪器通过对刻蚀在仪器内的旋转玻璃圆柱或盘上的极其精密的数字条形码进行光电扫描来测量角度。最好质量的全站仪能够测量低至0.5弧秒的角度。不昂贵的“结构级”的全站仪一般可以测量5或10弧秒的角度。

全站仪通过使用准直望远镜来解决高精度角度校准问题。待校准的全站仪放置在稳定的固定物上。在透镜组后具有靶物的望远镜用作靶物。通过在其靶物前放置透镜组，当靶物实际上小于1米远时，靶物表现为位于更大的距离处（也许甚至数百米远）。该技术将全站仪的校准系统的角度部分的尺寸减小到几个平方米。减小的尺寸还有助于靶物的稳定，因为靶物在物理上接近并且可以安装在通常由混凝土制成的同一稳定基部中。甚至靶物的稳定性不重要。全站仪校准系统通过在两个面中观测这些靶物而消除了对辅助测量系统或大稳定性的要求。

在双面测量中，全站仪放置在稳定的底座上。操作者接着通过全站仪的望远镜观测望远镜中的靶物。在第二面中重复该测量；即，在基部上旋转全站仪达180度或一周的一半并重复该测量。省去了角度测量，并且根据这些观测结果可以在不使用辅助测量系统的情况下确定望远镜的位置和相关全站仪参数二者。