王震,劉進(jìn)

(1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,湖北武漢 430079； 2.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430079)

基于激光影像的物體三維點(diǎn)云獲取系統(tǒng)

王震1?,劉進(jìn)2

(1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,湖北武漢 430079； 2.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430079)

三維點(diǎn)云獲取系統(tǒng)能夠快速地獲取目標(biāo)物體的幾何信息，生成大量點(diǎn)云，將目標(biāo)的真實(shí)三維形態(tài)在計(jì)算機(jī)中可視化的展現(xiàn)出來(lái)。本文提出了一種新的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的方法，應(yīng)用在自主開發(fā)的基于激光影像的物體三維點(diǎn)云獲取系統(tǒng)中，即標(biāo)定激光面映射目標(biāo)表面點(diǎn)的一維坐標(biāo)，利用單像攝影測(cè)量后方交會(huì)和一維坐標(biāo)的聯(lián)合解算，得出目標(biāo)點(diǎn)三維偽坐標(biāo)。通過(guò)坐標(biāo)逆向旋轉(zhuǎn)恢復(fù)，得到真實(shí)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，據(jù)此完整地建立目標(biāo)物體的三維可視化模型。

相機(jī)標(biāo)定；激光線檢測(cè)；三維建模

1 引 言

基于激光影像的物體三維點(diǎn)云獲取系統(tǒng)通過(guò)激光影像處理和攝影測(cè)量技術(shù)獲取三維實(shí)物表面點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù),并由三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成三維點(diǎn)云。目前三維點(diǎn)云獲取技術(shù)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛,例如虛擬現(xiàn)實(shí)模擬、游戲、電影、電子商務(wù)等。

本文提出的基于激光影像的物體三維點(diǎn)云獲取系統(tǒng)使用了一種新的模型數(shù)據(jù)采集方法,即物體單幅影像結(jié)合激光掃描的方法。利用標(biāo)定裝置確定相機(jī)空間方位、姿態(tài)以及激光面和旋轉(zhuǎn)中心的空間位置,通過(guò)相機(jī)得到的單幅影像和已標(biāo)定過(guò)的激光掃描的數(shù)據(jù),計(jì)算經(jīng)旋轉(zhuǎn)恢復(fù)的物體表面點(diǎn)的三維空間坐標(biāo),根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可視化顯示目標(biāo)物體的形態(tài)。

2 系統(tǒng)平臺(tái)搭建

本系統(tǒng)由軟件和配套的硬件系統(tǒng)組合而成。整套設(shè)備造價(jià)低廉,測(cè)量完整,可多視角觀察可視化三維點(diǎn)云模型。其中硬件系統(tǒng)分為四部分,如圖1所示:

(1)檢校板:由國(guó)際象棋棋盤制成,以棋盤的豎直邊為x軸,以棋盤的橫邊為y軸,z軸垂直于棋盤朝向相機(jī)；

(2)激光器:本系統(tǒng)采用5 mw 650 nm一字激光器,射出高亮的紅色激光線?？捎晒馊φ{(diào)整激光線位置、亮度和線寬；

(3)旋轉(zhuǎn)平臺(tái):旋轉(zhuǎn)平臺(tái)主要由微型三腳架、步進(jìn)電機(jī)和圓盤連接組成。由MCS-51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)以一定步幅旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)圓盤上物體旋轉(zhuǎn)360°；

(4)相機(jī):本系統(tǒng)采用奧尼ANC高清攝像頭,與激光發(fā)生器保持固定觀察角度,視野中必須包含標(biāo)定板和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。

圖1 硬件設(shè)備安裝圖紙

軟件主要包括三個(gè)版塊:相機(jī)標(biāo)定,物方圖像獲取,物體表面點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量及三維模型重建。具體程序如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

3 物體三維點(diǎn)云獲取算法流程

物體三維點(diǎn)云獲取的過(guò)程主要包括系統(tǒng)標(biāo)定、物方圖像獲取、激光線提取及三維點(diǎn)云的生成、三維模型重建,如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)算法流程圖

系統(tǒng)標(biāo)定:標(biāo)定包括相機(jī)標(biāo)定、激光線標(biāo)定和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的標(biāo)定。根據(jù)張正友經(jīng)典的棋盤標(biāo)定方法可迅速得出相機(jī)內(nèi)參數(shù)。相機(jī)標(biāo)定的過(guò)程中,調(diào)整激光線與拍攝最后一幅圖片的棋盤標(biāo)定板上的第二條豎直線相重合,確定激光面的一維坐標(biāo),即與其重合的標(biāo)定板上的豎直線的坐標(biāo),如圖4所示。調(diào)整激光線穿過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心,獲取其圖像,利用圖像處理的方法檢測(cè)激光線及其中點(diǎn)的像素坐標(biāo),攝影測(cè)量前方交會(huì)計(jì)算旋轉(zhuǎn)中心的三維空間坐標(biāo)。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)標(biāo)定的目的是能夠恢復(fù)因旋轉(zhuǎn)而錯(cuò)位的物方點(diǎn)空間坐標(biāo)。

圖4 激光面與棋盤標(biāo)定板的重合標(biāo)定

獲取物方圖像:通過(guò)上位機(jī)串口通訊控制單片機(jī),以四相勵(lì)磁的方式向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖,驅(qū)動(dòng)電機(jī)以1.406 25°的步幅旋轉(zhuǎn),目標(biāo)物體表面360°地經(jīng)過(guò)激光線的掃描,相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝,得到256幅目標(biāo)圖像。

激光線提取及三維點(diǎn)云坐標(biāo)的生成:復(fù)雜背景下激光線提取的干擾嚴(yán)重,因此利用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)提取激光點(diǎn),主要包括色彩標(biāo)準(zhǔn)(H、S、V)和激光線的連續(xù)性(縱向連續(xù)性和橫向連續(xù)性)。將目標(biāo)圖像轉(zhuǎn)成HSV顏色通道的圖像,以色調(diào)、飽和度和亮度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行閾值分割。激光線的連續(xù)性提取標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為:提取點(diǎn)的縱向y坐標(biāo)從上到下連續(xù)遞減,橫向x坐標(biāo)幾乎不變,左右差值不超過(guò)5個(gè)像素,抑或連續(xù)遞增或遞減。提取效果如圖5所示。最終通過(guò)立體視覺(jué)測(cè)量方法計(jì)算三維點(diǎn)云坐標(biāo),并使每幅圖像的點(diǎn)云經(jīng)過(guò)以電機(jī)轉(zhuǎn)軸為中心軸的逆旋轉(zhuǎn)恢復(fù)真實(shí)坐標(biāo)。

圖5 激光線提取效果圖

三維重建:讀取獲得的點(diǎn)云位置,利用OpenGL中中心投影函數(shù),重建目標(biāo)物體的三維模型。鼠標(biāo)交互操作,進(jìn)行任意角度的模型變化,更真實(shí)地將三維模型展現(xiàn)給用戶。

4 基于激光影像的立體視覺(jué)測(cè)量原理

本系統(tǒng)采用立體視覺(jué)測(cè)量方法,以已標(biāo)定的激光面為輔助,測(cè)量目標(biāo)物體表面點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。

4.1 近景攝影測(cè)量原理

圖6 相機(jī)針孔模型

如圖6所示,三維空間點(diǎn)Q(X,Y,Z),以點(diǎn)O為投影中心,在圖像平面上的成像點(diǎn)為q(x,y,f)。根據(jù)相似三角形原理可得:

其中焦距(fx,fy),像主點(diǎn)偏移量(cx,cy),以及徑向畸變、切向畸變參數(shù)構(gòu)成了相機(jī)標(biāo)定的內(nèi)方位元素。

對(duì)于圖像和物體之間的投影關(guān)系,我們可以用相

機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)和平移來(lái)表示。旋轉(zhuǎn)矩陣:

平移矩陣:

物像點(diǎn)計(jì)算關(guān)系式:

簡(jiǎn)化得到中心投影共線方程的逆算式:

其中,角元素(γ,φ,θ)和線元素(Xs,Ys,Zs)構(gòu)成了相機(jī)標(biāo)定的外方位元素。

利用圖像處理的方法,提取激光采樣點(diǎn),得到目標(biāo)物體表面點(diǎn)的像方坐標(biāo)(x,y),通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定得到相機(jī)的內(nèi)外方位元素和激光面的一維坐標(biāo)(即穿過(guò)激光面的物體表面點(diǎn)的Y坐標(biāo))。最終根據(jù)方程計(jì)算出X和Z二維坐標(biāo),從而確定目標(biāo)點(diǎn)的物方三維坐標(biāo)。

4.2 物方坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)恢復(fù)

物體經(jīng)過(guò)360°旋轉(zhuǎn)被激光線完整掃描,得到的物方坐標(biāo)是經(jīng)過(guò)不同角度旋轉(zhuǎn)以后的坐標(biāo),所以要經(jīng)過(guò)逆旋轉(zhuǎn)計(jì)算,恢復(fù)物體表面點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)。

物體在同一水平面內(nèi)繞旋轉(zhuǎn)中心O(XO,YO,ZO)旋轉(zhuǎn),中心坐標(biāo)在標(biāo)定時(shí)已得出,坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)恢復(fù)的方程為:

其中(XAYAZA)則是旋轉(zhuǎn)恢復(fù)后的物體的真實(shí)三維空間坐標(biāo)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以類似于鼠標(biāo)形狀的物體為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,獲取完整的物體表面三維點(diǎn)云,在Windows平臺(tái)下,利用Open-GL 3D API顯示。

如圖7所示,三維點(diǎn)云在對(duì)話框中被完整地顯示出來(lái),用戶可以根據(jù)自己的需要,通過(guò)鼠標(biāo)交互操作,全方位360°的觀察目標(biāo)物體的三維形態(tài)。

圖7 三維點(diǎn)云獲取效果圖

6 結(jié) 論

基于激光影像的物體三維點(diǎn)云獲取系統(tǒng)利用圖像處理的方法提取激光影響的采樣點(diǎn),通過(guò)近景攝影測(cè)量技術(shù)獲取點(diǎn)的三維空間坐標(biāo),并進(jìn)行逆旋轉(zhuǎn)恢復(fù)三維真實(shí)坐標(biāo),生成點(diǎn)云并進(jìn)行可視化,從而顯示目標(biāo)物體的形態(tài)。整套設(shè)備造價(jià)低廉,運(yùn)行速度快,可實(shí)時(shí)控制,獲取360°完整點(diǎn)云。點(diǎn)云數(shù)據(jù)可用于物體長(zhǎng)度、面積、體積等參數(shù)的計(jì)算,后續(xù)開發(fā)前景廣泛。但仍存在一些不足,例如被測(cè)目標(biāo)的尺寸被限制,采樣率有待提高等。

參考文獻(xiàn)

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數(shù)字沈陽(yáng)地理空間框架建設(shè)項(xiàng)目通過(guò)國(guó)家級(jí)驗(yàn)收

(本刊訊)2013年12月5日,數(shù)字沈陽(yáng)地理空間框架建設(shè)項(xiàng)目國(guó)家級(jí)驗(yàn)收會(huì)議在沈陽(yáng)召開。

驗(yàn)收會(huì)上,專家組聽(tīng)取了工程承建單位沈陽(yáng)市規(guī)劃和國(guó)土資源局的工作報(bào)告和技術(shù)報(bào)告,觀看了項(xiàng)目成果演示,審閱了項(xiàng)目文檔資料,經(jīng)質(zhì)詢與討論,一致認(rèn)為數(shù)字沈陽(yáng)地理空間框架建設(shè)工程圓滿完成設(shè)計(jì)書規(guī)定的各項(xiàng)任務(wù),達(dá)到預(yù)期目標(biāo),同意通過(guò)驗(yàn)收。

會(huì)議認(rèn)為,數(shù)字沈陽(yáng)地理空間框架建設(shè)項(xiàng)目,建立了覆蓋全市的電子地圖、影像地圖和地名地址數(shù)據(jù),建成了多源、多維、多尺度、多時(shí)態(tài)的框架數(shù)據(jù)體系,符合國(guó)家規(guī)范,滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。項(xiàng)目開發(fā)了政務(wù)版、公眾版地理信息公共服務(wù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了地理信息資源的在線管理、更新、發(fā)布及定制開發(fā)服務(wù),可滿足多領(lǐng)域、多行業(yè)、多部門的應(yīng)用需求?！疤斓貓D·沈陽(yáng)”實(shí)現(xiàn)了與國(guó)家及省級(jí)天地圖節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通及服務(wù)聚合,開發(fā)了基于Android、IOS等系統(tǒng)的客戶端服務(wù),滿足了社會(huì)公眾需求。項(xiàng)目完成的十二運(yùn)地圖網(wǎng)站、規(guī)劃國(guó)土一張圖、數(shù)字沈河、數(shù)字地稅、數(shù)字城管、數(shù)字旅游等示范應(yīng)用項(xiàng)目,運(yùn)行穩(wěn)定。項(xiàng)目出臺(tái)了《沈陽(yáng)市地理空間框架建設(shè)和使用管理辦法》,明確了運(yùn)行維護(hù)機(jī)構(gòu),建立起保障平臺(tái)穩(wěn)定、持續(xù)、長(zhǎng)期服務(wù)的長(zhǎng)效機(jī)制。

驗(yàn)收會(huì)后,召開了數(shù)字沈陽(yáng)地理空間框架建設(shè)成果發(fā)布推廣會(huì)。會(huì)議強(qiáng)調(diào),沈陽(yáng)市要進(jìn)一步加強(qiáng)測(cè)繪地理信息基礎(chǔ)性工作,認(rèn)真做好數(shù)字沈陽(yáng)地理空間框架建設(shè)成果的更新、維護(hù)、運(yùn)行及部門應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)支持工作,保持?jǐn)?shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性及平臺(tái)系統(tǒng)的生命力,并做好數(shù)字沈陽(yáng)地理空間框架建設(shè)成果的推廣應(yīng)用工作,加大推廣的廣度和深度,為政府和社會(huì)公眾做好地理信息服務(wù),全面提升測(cè)繪地理信息服務(wù)保障能力。

國(guó)家測(cè)繪地理信息局、遼寧省測(cè)繪地理信息局、沈陽(yáng)市人民政府、沈陽(yáng)市有關(guān)委辦局、項(xiàng)目實(shí)施單位負(fù)責(zé)人參加會(huì)議。

(沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪研究院供稿)

The acquisition System of 3D Point Cloud Based on Image W ith Laser

Wang Zhen1,Liu Jin2
(1.WuHan University,School of Geodesy and Geomatics,Wuhan 430079,China；2.Stat Key Laboratory of Information Engineering in Surveying,Mapping and Remote Sensing,Wuhan 430079,China)

The acquisition system of 3D point cloud can get the geometric information fast and provide a lot of point cloud data in order to show the object3D shape on a computer.This paper gives a new method of getting 3D point cloud data that is applied to the self-made system of object3D point cloud acquisition based on image with laser.The calibrated laser area reflects the one dimension coordinates of object surface.Through the combined calculation of one dimension coordinate and resection of single photogrammetry the original 3D coordinates of object points can be obtained.Through reverse rotation we can get the true 3D coordinates and construct the complete 3D visualmodel of object.

calibration；detection of laser line；3D modeling

1672-8262(2013)06-89-04

P234.4

B

2013—04—27

王震(1991—),男,本科生,主要從事工業(yè)測(cè)量和近景攝影測(cè)量的研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271454)