[发明专利]一种三维环境信息采集与重构系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维环境重构领域，尤其涉及一种三维环境信息采集与重构系统及方法。

背景技术

传统的环境信息采集与重构方法一般通过人工测绘或者简单二维激光传感器获得，其结果存在信息不够精确完备、专业性强，人机交互不够人性化的缺点。随着计算机技术和数字地图技术的发展和普及，高逼真度的三维场景也将逐渐走入我们的生活。三维环境的信息采集与重构对地理测绘、军事探测、机器人和无人机应用、环境结构监测、灾难和事故现场救援等特种应用有着重要意义。三维环境的信息采集与重构技术将产生巨大的经济和社会效益。

在三维环境信息采集和重构设备方面，当前主流的类型有：

（1）以产品Velodyne HDL 64E（美国专利号7969558）为代表的面阵激光，它能获得水平方向360度，垂直方向26度左右窄带区域范围的深度数据，这类系统观测范围有限，仅适用于开阔平坦的场景，且不包含真实图像信息。

（2）以产品Leica ScanStation C10和Riegl为代表的基于单个二维激光测距仪和单个相机的深度-视觉系统，二维激光测距仪和相机一同转动，扫描三维环境。其水平方向观测效率较低，采集时间较慢。且由于相机在不停转动需要克服图像模糊的问题，对相机设备要求高。同类的国内专利有：专利号CN201562075U。仅易于二维激光测距仪进行三维扫描的国内专利有：专利号CN302466240S、专利号CN102393516A、专利号CN201858962U、专利号CN1970894A。

（3）以产品Microsoft Kinect为代表的基于结构光的深度-视觉系统，其利用结构光原理测量环境深度图，并配以彩色相机增加颜色信息。其观测视角较小且深度数据的有效范围仅为0.5～4米之间。同类的国内专利有：专利号CN103162643A、专利号CN201583258U。

（4）以专利号CN202875336U为代表的纯视觉系统：使用照相机或摄像机为基本设备，利用多视角重构原理进行三维环境重构。其视角较小，深度信息精度不高且容易存在空洞，对于颜色均一的环境结构，出错概率较高。同类的国内专利还有：专利号CN101726257A。

综上所述， 现有的设备在观测范围、工作效率、重构精度、真实纹理等方面尚无一个有效的系统能实现全部的功能。本发明基于此提出了基于全景相机和旋转的二维激光测距仪数据的三维环境信息采集重构系统，可实现周围全视野范围的三维环境信息采集和重构，系统操作简单，运行效率高，可精确真实还原周围的三维场景。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种三维环境信息采集与重构系统及方法。

三维环境信息采集与重构系统包括二维激光测距仪、全景相机、旋转平台、机载处理器、电源、底座、导线滑轨、信号采集器、电机、减速齿轮组、全景相机支撑架、连杆；

底座上设有连杆、机载处理器、电源，在连杆上从下到上顺次套有减速齿轮组、导线滑轨、旋转平台，连杆顶部从下到上顺次设有全景相机支撑架、全景相机，旋转平台下表面固定有信号采集器，旋转平台上表面固定有一台或多台二维激光测距仪，二维激光测距仪位于全景相机支撑架的下方，电机设在减速齿轮组上。

所述的机载处理器的内部硬件模块连接关系为：

与中央处理器连接的PCI总线上挂载了内存、网络控制器、CAN控制器、串口、视频采集器,网络控制器提供无线网络接口和RJ45有线网口,CAN控制器通过CAN总线挂载电机驱动器,串口通过232总线挂载码盘信号采集器。

三维环境信息采集与重构系统的三维环境信息采集与重构方法的步骤如下：

1）设备时钟同步：将一台或多台二维激光测距仪、全景相机、转动平台的时钟同步到机载处理器时钟下，并进行在线实时修正，以使不同设备在不同时刻采集的数据能够正确对应；

2）激光测距仪-相机相对位姿标定：标定一台或多台二维激光测距仪、旋转平台、全景相机之间的相对位姿，并在线实时修正，以使二维激光测距仪采集的数据和全景相机采集的图像能进行正确的空间位置对应；

3）单帧点云增强：对二维激光测距仪采集得到的点云进行重采样以去除噪声并使点分布更为均匀，进行表面网格模型构建，并映射图像纹理，得到具有彩色纹理的表面网格模型；

4）多帧数据拼接：将不同位置采集到的表面网格模型进行拼接，从各帧所在的局部坐标系转换到统一的全局坐标系下，以恢复多帧数据之间的相对位姿关系；