[发明专利]一种适用于自然环境的激光三维扫描设备及方法

说明书

技术领域

本发明属于激光三维扫描技术领域，涉及一种适用于自然环境的激光三维扫描设备及方法。

背景技术

激光三维扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。

在自然光照条件下使用激光三维扫描设备，会受到太阳光、大气等外界因素的影响。已经生产出的一些三维扫描设备，如车载三维激光扫描仪已经可以解决这一问题，但成本过高。为了降低设备成本，保证激光三维扫描设备可在自然光照条件下使用，解决CCD/CMOS图像中激光和自然光的精确区分问题，需要对激光波段进行选择。选择激光波段时要综合考虑自然环境中太阳光的影响、大气对光谱吸收造成的衰减、CCD/CMOS的敏感特性和激光器的安全性限制这四个问题。

现有的适合于室外自然环境使用的激光三维扫描系统较少。我们在SCI数据库中检索了2007年至2013年的相关文献6篇。现有技术一是采用脉冲激光的飞行时间法来达到数据获取的目标。该技术要通过计算机主频时钟精确控制激光脉冲的发射并记录从发射到接收到反射信号的时间差，以此来测算光点的三维信息。因为计算机主频时钟频率约为2GHz左右，所以测量精度(误差)约为150mm。为提高测量精度而提高时钟频率时，成本大幅增加，体积较为庞大。另外，这种设备所需的光电转换传感单元要求苛刻，造价高。以该原理方法制作的设备适合于对距离较远的物体进行测量，对近距离小物体的测量则难以得到详细细节信息。现有技术存在以下缺陷：

(1)成本高，体积庞大，不易携带。

(2)技术实现不易控制。

(3)分辨率较低，不能测量较小物体或效果较差。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，解决上述技术问题，本发明提供一种适用于自然环境的激光三维扫描设备及方法，该设备大幅度降低设备成本，同时保证适用于自然环境的激光三维扫描设备能够在自然光条件下使用，需要对激光波段进行选择。

其技术方案如下：

一种适用于自然环境的激光三维扫描设备，包括导轨滑槽1、两个红外CCD摄像机和激光调制模块4，两个红外CCD摄像机和激光调制模块4位于导轨滑槽1上，激光调制模块4位于第一红外CCD摄像机2和第二红外CCD摄像机3的中间，所述激光调制模块4上设有激光出射光孔5，所述激光调制模块4包括光斑激光发射器6和两组步进电机驱动的反光镜，第一反光镜7和第二反光镜8之间的距离为5cm。

优选地，两个红外CCD摄像机平行放置，间隔距离为50cm。

优选地，所述激光发射器6为3A级1064nm激光发射器。

优选地，所述激光出射光孔5的直径为3.6cm，形状为夹角90°的圆锥状。

一种适用于自然环境的激光三维扫描方法，包括以下步骤：

1)先将激光调制模块确定在支架的中间位置。激光调制模块中第一组反光镜绕水平轴线低速旋转，第二组反光镜绕垂直轴线高速旋转。激光点经第二组镜面反射后在相机成像上会形成直线型的李萨如(JulesAntoine Lissajous)图形。第二组反光镜旋转30周/秒(10800°/秒)，第一组反光镜只做很小幅度(约1/30°/秒)的转动，以保证扫描动作在空间较小的的跨度。

2)根据扫描物体的距离和扫描范围调节两个红外CCD相机的相对与激光调制模块的位置。距离短且范围小时，两个红外CCD相机距离激光调制模块较近。相反地，距离远且范围大时，两个红外CCD相机距离激光调制模块较远。两个红外CCD相机中分别安装了1064nm±10nm的窄带滤光片。

3)利用张正友算法或者三角法原理标定两个红外CCD相机的内部参数和外部参数(包含有相对位置和姿态的信息)。将相对位置和姿态信息作为固定参数存储。

4)扫描过程中，提取两幅图像中的激光点信号，结合两红外CCD相机的相对位置和姿态信息，利用视差原理计算出相对应点的三维坐标值。该方法可达到2000P/s的扫描速率。