[发明专利]基于嵌入式GPU的单像素激光雷达成像装置及成像方法

权利要求书

1.一种基于嵌入式GPU的单像素激光雷达成像装置，其特征在于，包括：

水平传动电机(1)，用于带动激光测距传感器底座(2)作水平轴向的运动；

激光测距传感器底座(2)，用于带动单像素飞时激光测距传感器(3)进行水平和垂直两个轴向的运动；

单像素飞时激光测距传感器(3)，固定在激光测距传感器底座(2)上，用于收集水平和垂直两个方向上空间的点云数据信息，将这些信息发送到嵌入式GPU底座(5)中；

垂直传动电机(4)，用于带动单像素飞时激光测距传感器(3)作垂直轴向的转动；

嵌入式GPU底座(5)，根据单像素飞时激光测距传感器(3)输入的空间点云数据信息，通过多线程并行处理方式完成对该点云数据的非线性曲面指数计算和均匀光滑曲面重建，并将重建好的三维光滑曲面模型进行动态成像显示。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于水平传动电机(1)中设有扫描步长控制单元(11)，用于通过接收来自嵌入式GPU底座的指令控制水平传动电机的传动杆(12)水平转动。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于垂直传动电机(4)与水平传动电机(1)级联带动激光测距传感器底座(2)做水平和垂直两个轴向的转动，激光测距传感器(3)采集周围环境到自身的距离信息，并将距离信息构建成半球空间点云数据，最后通过接线将距离信息传入到嵌入式底座(5)中。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于嵌入式GPU底座(5)中设有：

供电与数据指令传输单元(51)，用于将水平传动电机(1)、垂直传动电机(4)和激光测距传感器(3)连接到嵌入式GPU底座，由嵌入式GPU板卡提供5V的供电电压；

嵌入式GPU板卡(52)，用于提供三维网格模型，接收来自激光测距传感器(3)的半球空间点云数据信息，提取其中的三维坐标数据并保存，并这些三维坐标数据被一体化激光雷达控制软件使用；

嵌入式GPU动态渲染单元(53)，用于将一体化激光雷达控制单元中的三维几何模型作为输入，对三维几何模型进行着色处理，动态地显示三维图像；

一体化激光雷达控制单元，用于生成三维模型，并把三维模型输出给GPU动态渲染单元(53)。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于一体化激光雷达控制单元，包括：

三维均匀网格模型动态显示模块，用于将GPU板卡中提供的均匀三维网格根据光照条件的设置，生成可着色的四边形缓冲数据；

非线性曲面指数计算模块，根据三维坐标数据存储单元中存储的三维坐标数据，计算每个点的非线性曲面指数，最后将M个非线性曲面指数传输给几何模型生成模块；

几何模型生成模块，用于将非线性曲线指数作为输入，计算得到均匀的规则四边形模型网格，并保存成三维模型格式后输出给嵌入式GPU动态渲染单元(53)。

6.一种利用权利要求1所述装置进行成像的方法，包括：

1)利用嵌入式GPU底座控制水平和垂直转动的两个传动电机按顺序启动，进行激光扫描；

2)由嵌入式GPU底座发出指令控制激光测距传感器采集周围环境点的距离信息；

3)计算三维点云坐标数据：

3a)将2)中采集到的距离信息根据极坐标到笛卡尔坐标系的转换关系，计算得到一个基于右手坐标系的空间三维坐标，注意在计算过程中应对输入的数据每三个数据一组分时随机分配，充分利用数据传输带宽，提高三维坐标计算的效率；

3b)将3a)中计算得到的三维坐标数据以一维数组的形式存放于嵌入式GPU板卡的显存中，同时，利用GPU的异步传输技术，将显存中的三维点云数据传输到嵌入式GPU板卡的内存中，在整个半球空间扫描完成后以一个二进制文件的形式保存到嵌入式GPU板卡的固态硬盘中，此二进制文件包含了半球空间的点云数据信息；

4)并行计算非线性曲面指数，生成均匀四边形网络：

4a)在统一的世界坐标系下，将3)中半球空间的点云数据的所有点云向三个平面投影，生成三组二维坐标列表；

4b)设定均匀网格的数目，在每组二维坐标列表中应用最小二乘拟合的方法，获得每个节点的非线性插值系数；

4c)在4a)中的各自的二维坐标空间中进行插值，分别生成三组均匀二维网格点；

4d)在三维空间中，计算到达3)中点云的各个点最近的6领域点：上、下、左、右、前、后；

4e)以6领域点的距离为参数，建立三次样条函数曲线，计算每个点的非线性曲线指数；

4f)剔除不在均匀网格中的点，生成均匀四边形网格。

5)动态显示三维均匀网络模型：

5a)将4)中的四边形网格输入到GPU的渲染管线；

5b)通过设计光照的强度，范围从0到1取值，设置光照的方向，指定一个三维位置，添加一个虚拟的光源；

5c)设计每个几何顶点的着色方式，利用着色脚本进行并行赋值，通过虚拟光源的属性计算当前观察方向下每个顶点的颜色；

5d)利用GPU的片段程序对四边形网格内部进行颜色插值运算；

5e)在显示屏幕上动态输出着色后的三维均匀网格模型。