[发明专利]基于激光扫描的全景三维重建系统及方法

说明书

本发明提供一种基于激光扫描的全景三维重建系统及方法，包括：控制转台、相机、激光发射器、数据处理装置和支架；所述控制转台能够按照预设角度进行多次转动，实现360°圆周旋转；所述相机用于在控制转台每次按照预设角度转动后获取所述激光发射器发射的激光照射在待重建物体表面时的图像；所述数据处理装置用于对每个角度拍摄的图片进行处理并计算该角度下的点云，并将点云拼合实现对扫描物体的三维重建；数据处理装置分别连接控制转台、相机、激光发射器；支架安装于控制转台上，相机和激光发射器安装于支架的不同位置上。该方案解决现有技术中存在的制造成本过高、三维点云配准难度大、不同坐标系转换不精确等问题。

技术领域

本发明涉及三维重建技术领域，特别涉及一种基于激光扫描的全景三维重建系统及方法。

背景技术

现存的三维重建设备和方法有多种，常常被分为两大类：接触式和非接触式测量。接触型的三维测量设备典型的代表是三坐标测量仪，此类测量仪大多采用机械探针等测试头以及传感器在被测物体表面采集数十万以上数据点进行三维重建，此方法测量精度高，但对于室内或较为大型的建筑进行重建存在需要设计复杂的行车工装、扫描速度慢以及制造成本高的缺点，同时，接触式采集数据不适合用于文物、古建筑或者对表面有精密要求的场景进行三维重建。非接触型三维重建最常见的是利用光、电、磁等测量技术，结合光学原理、数字图像采集与处理技术对物体进行三维重建。此方法可以不接触被测物，具有较快的扫描速度等优点，但获取的三维数据是以测量系统中的相机坐标系为基准，属于静态测量，因此，如果需要实现全景或物体全方位三维重建需要实现不同角度的三维信息的获取。

为了获取物体完整的3D模型，常需将扫描器本身进行移动，或者将被扫描物体进行旋转或者移动，来完成物体不同角度的三维信息的获取。由于扫描系统的位置或者物体位置的变化，每次扫描数据都被限定在不同的扫描仪坐标系下，从而导致三维数据无法直接有序排列到一个统一的坐标系内。因此，为了得到物体完整的三维信息，需要对不同角度的三维信息进行匹配。现在主要的处理方法有：(1)手动法(2)标记法(3)图像处理和几何计算法(4)机械移动坐标系变换法。

(1)手动法：对相邻扫描数据进行手动匹配对应点，然后根据对应点的位置信息计算变换矩阵，对扫描数据进行配准。该类方法要求相邻的扫描数据存在较大的重叠区域，这一要求限制了扫描旋转角度，从而导致扫描效率降低。该类方法的另一个缺点在于数据排列的准确性取决于操作人员的输入精度，而对于没有明显特征的表面，输入精度就更加难以保证。非自动的配准方法还存在耗费人力且效率不高的缺点。

(2)标记法：在扫描物体上附着上一个可检测的物体，成为标记或者目标。由操作员识别并进行精确的输入或者通过其他辅助的图像处理算法和几何算法识别相应点进行输入，完成相邻扫描数据的配准。该类方法与手动方法相比在精度和效率上有所提高但仍存在以下几个缺点：(a)必须确保相邻两次扫描视线中存在一定数目的标记点，从而限制了被扫描物体每次的转动角度,增加了扫描次数和数据量。(b)在物体少做标记或者附加标记，有可能对扫描物体造成损害，同时在由于标记的物理尺寸可能导致扫描对象表面信息的遮盖，造成扫描数据的细节损失。(c)标记的数目以及大小无法建立统一的标准，标记数目太少，扫描数据中可能出现标记不足，标记数目太多，可能造成扫描数据干扰严重的问题，标记的物理尺寸太小，可能无法检测，标记物理尺寸太大，可能导致操作员输入精度下降。

(3)图像和几何分析方法：该类方法通过检测相邻视角的图像或者扫描数据，通过检测和提取特征，同时对特征进行配准来完成模型的配准。该类方法的缺点在于：(a)方法对于扫描物体的表面特征和纹理存在限制，在纹理不明显或者特征不明显的情况下，该方法可能无法完成配准任务。(b)方法需要检测相邻图片的对应像素点或者检测相邻扫描数据的对应特征点，算法计算量大，且误差来源无法保证。(c)通过像素匹配和几何特征匹配的方法，需要相邻扫描数据存在一定的重叠面积以便检测对应特征，从而导致扫描视角移动的角度的限制，增加扫描次数，降低的扫描效率。