一種基于激光測(cè)距技術(shù)的三維可視化系統(tǒng)

摘要：構(gòu)建一個(gè)基于激光距離探測(cè)器的物體表面三維建模與成像系統(tǒng)，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的多次連續(xù)掃描，根據(jù)采集到的二維距離信息和掃描儀的運(yùn)動(dòng)方程以及轉(zhuǎn)動(dòng)姿態(tài)，建立物體表面的三維空間模型。其作為一個(gè)PC／104嵌入式系統(tǒng)，可應(yīng)用于室內(nèi)物體表面建模，也適用于將掃描儀掛載在車輛或小型無人機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)上，進(jìn)行室外地表環(huán)境的三維可視化。

關(guān)鍵詞：三維可視化；表面建模；移動(dòng)平臺(tái)；激光測(cè)距技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004—373X(2008)04—147—03

1 引 言

建立物體的真實(shí)三維模型在地學(xué)測(cè)繪、文物保護(hù)、數(shù)字城市、醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，近十年來，出現(xiàn)了各種各樣的物件表面數(shù)字化方法；根據(jù)信息獲取方式的不同，三維信息獲取技術(shù)可分為非接觸式獲取和接觸式獲取兩大類。

隨著光電技術(shù)，微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，非接觸式信息獲取技術(shù)有著越來越廣闊的應(yīng)用和發(fā)展。多光譜掃描儀、CCD線陣列掃描、合成孔徑雷達(dá)、激光掃描儀等新型傳感器不斷出現(xiàn)，使現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)進(jìn)入一個(gè)能夠動(dòng)態(tài)，快速，準(zhǔn)確提供多種觀測(cè)數(shù)據(jù)的新階段。

激光測(cè)量技術(shù)的原理是通過主動(dòng)發(fā)射激光信號(hào)并測(cè)量從被測(cè)目標(biāo)反射回來的激光信號(hào)，高密度、高精度獲取目標(biāo)體的數(shù)字距離信息，進(jìn)而得到目標(biāo)的幾何信息。

本文采用非接觸激光測(cè)距采集物體表面數(shù)據(jù)信息，具有簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。利用激光測(cè)距技術(shù)得到相對(duì)于掃描平面的物體表面的深度信息，與慣性測(cè)量元件得到的掃描儀的當(dāng)前姿態(tài)估計(jì)以及掃描儀的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行坐標(biāo)的配準(zhǔn)和定位，建立物體表面的三維數(shù)字模型并進(jìn)行成像。系統(tǒng)由嵌入式移動(dòng)站與基站構(gòu)成，能靈活方便地應(yīng)用于各種機(jī)／空載激光掃描系統(tǒng)和地面掃描系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基本構(gòu)成分為移動(dòng)站與基站2個(gè)部分。

移動(dòng)站包括慣性測(cè)量元件加速度計(jì)、陀螺儀、激光掃描儀以及嵌入式PC／104。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，融合濾波并建立目標(biāo)物體的數(shù)字模型并發(fā)送給基站。圖1所示為移動(dòng)站的基本結(jié)構(gòu)。

加速度計(jì)和陀螺儀是慣性測(cè)量元件，能夠測(cè)量空間三維的加速度和角速度，用于對(duì)移動(dòng)站進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)估計(jì)。因?yàn)檩敵龅氖悄M信號(hào)，需要通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC與PC／104進(jìn)行通信。

激光掃描儀選用德國SICK公司的LMS－291型激光測(cè)距掃描儀，屬于非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，他通過發(fā)射激光對(duì)其周圍物體進(jìn)行二維行掃描，并且不需要額外的反射鏡和位置標(biāo)記。在進(jìn)行高頻率連續(xù)掃描時(shí)，在較短時(shí)間內(nèi)將得到大量的測(cè)量數(shù)據(jù)，因?yàn)槌Ｒ姷腞S 232串口通信協(xié)議最高支持通信速率為115 200 Baud／s，為了保持系統(tǒng)掃的描實(shí)時(shí)性，以及大量數(shù)據(jù)通信的完整性，采用RS 422通信標(biāo)準(zhǔn)，使用專門的高速串口通信模塊與PC／104進(jìn)行通信。

基站由具有圖形顯示的計(jì)算機(jī)以及數(shù)據(jù)接收和三維成像軟件構(gòu)成，負(fù)責(zé)接收各種數(shù)據(jù)并根據(jù)操作進(jìn)行多角度的三維繪圖。移動(dòng)站與基站之間搭載無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

系統(tǒng)基于PC／104平臺(tái)，構(gòu)建一個(gè)小型嵌入式Linux操作系統(tǒng)，能夠滿足小型化、可靠性的需要，具有極佳的擴(kuò)展性，并能靈活應(yīng)用于各種車載、機(jī)載系統(tǒng)。

3 數(shù)據(jù)分析處理

要得到物體的數(shù)字模型，需要建立一個(gè)三維直角的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，用來表征目標(biāo)物體的空間位置以及自身形體等信息。而激光掃描儀進(jìn)行連續(xù)的行掃描，對(duì)于每個(gè)掃描點(diǎn)，得到的是基于掃描平面的極坐標(biāo)距離信息。以掃描儀掃描截面的中線為y軸，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°得到x軸，并根據(jù)右手法則得到x軸建立機(jī)體三維坐標(biāo)系。設(shè)掃描點(diǎn)的極坐標(biāo)為P(r，θ)，可得到掃描點(diǎn)在機(jī)體坐標(biāo)系中。

由于掃描儀是運(yùn)動(dòng)的，在每個(gè)掃描時(shí)刻，由運(yùn)動(dòng)方程可以得到掃描儀在當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的坐標(biāo)位置，也就是機(jī)體坐標(biāo)系原點(diǎn)在當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系中的位置。同時(shí)，掃描儀可以轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)時(shí)刻掃描平面在機(jī)體坐標(biāo)中的空間角，也就是由慣性測(cè)量元件計(jì)算出來的姿態(tài)角，根據(jù)掃描的分辨率和得到通過對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的多次連續(xù)掃描，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和運(yùn)動(dòng)方程配準(zhǔn)，可以得到較為連續(xù)的物體表面點(diǎn)在當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的坐標(biāo)位置，由連續(xù)界面輪廓進(jìn)行重構(gòu)，建立物體表面的三維數(shù)字模型。最后通過平移、旋轉(zhuǎn)等坐標(biāo)變換，從不同觀察點(diǎn)和視角繪出物體表面的3一D效果圖，并且由物體表面各點(diǎn)的反射率進(jìn)行映射可以得到簡(jiǎn)單的具有灰度特征變化的效果圖。

4 三維觀察成像

4.1 觀察流線

系統(tǒng)基站通過無線網(wǎng)絡(luò)接受目標(biāo)物體的數(shù)字模型信息，并進(jìn)行三維繪圖與成像。

三維視圖的計(jì)算機(jī)生成步驟類似于拍1張照片的過程。圖3表明了對(duì)建模以及將場(chǎng)景的世界坐標(biāo)描述變換到設(shè)備坐標(biāo)的一般處理步驟。

4.2 網(wǎng)格化與填充著色

通常，將經(jīng)過預(yù)處理的三維點(diǎn)云，按一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)成多邊形網(wǎng)格。將點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)化為面的信息，以更好地描繪出物體形體特征。

常見的多邊形網(wǎng)格的類型是三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格。將散亂的數(shù)據(jù)點(diǎn)按一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，聯(lián)結(jié)成多個(gè)小的三角形面，或四邊形面。但對(duì)于三維空間結(jié)構(gòu)來說如果多邊形的頂點(diǎn)數(shù)多于3個(gè)，這些多邊形就有可能不在一個(gè)平面上，因此系統(tǒng)采用三角形網(wǎng)格。使用三角形的多邊形小平面來確保任意多邊形的頂點(diǎn)在一個(gè)平面上。并且由三角形面可以表現(xiàn)更多的模型細(xì)節(jié)，增強(qiáng)繪圖的真實(shí)性。目前，有著比較完善理論體系和廣泛應(yīng)用的是Delaunay三角剖分算法。

在得到物體模型的多變性網(wǎng)格圖后，還需要進(jìn)一步的填充著色。如果采用n邊形網(wǎng)格，則對(duì)每個(gè)n邊形面，提取構(gòu)成多邊形面的各頂點(diǎn)象素值，按頂點(diǎn)數(shù)進(jìn)行均值化，然后按得到的平均象素值渲染整個(gè)多邊形，對(duì)其進(jìn)行填充著色。對(duì)整個(gè)n邊形網(wǎng)格圖循環(huán)填充，即可得到基于n邊形網(wǎng)格的表面實(shí)體圖。

4.3 消隱成像

在對(duì)物體模型的三角形網(wǎng)格圖進(jìn)行填充渲染的時(shí)候必須考慮到在不同的觀察點(diǎn)和觀察視角時(shí)，構(gòu)成物體表面的各個(gè)三角面之間的相互遮擋隱藏關(guān)系，并必須消除所有隱藏面，使得顯示的圖形具有真實(shí)感和立體感，并且不會(huì)出現(xiàn)“二義性”。可見面判別算法，根據(jù)其處理場(chǎng)景是直接對(duì)物體定義進(jìn)行處理還是處理他們的投影圖像來分類，分別稱為對(duì)象空間算法和圖像空間算法。系統(tǒng)應(yīng)用中使用圖像空間里的深度緩沖器算法(Z—buffer算法)。

深度緩沖器算法是一個(gè)比較常用的判定物體表面可見性的圖像空間算法。其基本思想是：對(duì)投影平面上每個(gè)象素所對(duì)應(yīng)的表面深度進(jìn)行比較。由于通常沿著觀察系統(tǒng)的Z軸來計(jì)算各物體表面距察平面的深度，因此又稱為z—buffer算法。該算法對(duì)場(chǎng)景中的各個(gè)物體表面單獨(dú)進(jìn)行處理，且在表面上逐點(diǎn)進(jìn)行。通常應(yīng)用于包含多邊形平面的場(chǎng)景。

算法執(zhí)行步驟概括如下：

對(duì)構(gòu)成物體表面模型的每個(gè)三角形面，進(jìn)行上述判斷，循環(huán)完畢可以得到物體表面模型上所有投影后位于屏幕邊界內(nèi)的點(diǎn)之間的深度與相互遮擋關(guān)系。

對(duì)某柱狀物體表面進(jìn)行建模并繪圖，對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，選定某個(gè)觀察點(diǎn)和觀察方向，如圖4所示。圖4中左圖中物體表面某些部分與地面繪圖重疊，得到的圖形失去真實(shí)感，而且產(chǎn)生“二義性”，不能確認(rèn)物體表面的結(jié)構(gòu)。

圖4中右圖是使用消隱算法后的系統(tǒng)輸出圖形，經(jīng)過可見面的判別，對(duì)隱藏面消隱，最終得到了具有真實(shí)感的三維效果圖，并且消除了物體形體的“二義性”，能很好地確認(rèn)物體表面的具體結(jié)構(gòu)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

系統(tǒng)掃描范圍120°，行掃描間隔0.5°，掃描頻率37.5 Hz。效果圖如圖5所示。

由效果圖可以看到，系統(tǒng)得到的結(jié)果在一定程度上較準(zhǔn)確的反映了物體真實(shí)模型，并且系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)輸出物體三維模型的點(diǎn)云圖，十分高效便捷，并能從不同角度進(jìn)行繪圖成像，消隱算法也較成功地表現(xiàn)了物體表面的遮擋隱藏關(guān)系。圖5中，物體模型表面灰度值的信息由各點(diǎn)的反射率映射得到，而這跟激光測(cè)量的角度及材質(zhì)光潔度有較大關(guān)系，因此系統(tǒng)只是簡(jiǎn)單地得到粗略的顏色信息圖，如果要得到物體的真實(shí)彩色模型，可以添加攝像頭采集物體的顏色信息進(jìn)行彩色建模。另外，由于激光測(cè)距是基于光的反射原理，因此，對(duì)激光束被遮擋的底部在模型細(xì)節(jié)上面表現(xiàn)得不是很好。

系統(tǒng)進(jìn)一步的研究方向是將系統(tǒng)應(yīng)用于小型無人直升機(jī)機(jī)載系統(tǒng)，對(duì)地表環(huán)境進(jìn)行三維建模成像，利用GPS定位，以及慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與匹配，從不同角度，對(duì)同一目標(biāo)采集多次掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合建模，可以有效解決激光束被遮擋失去部分物體細(xì)節(jié)以及反射能量出現(xiàn)偏差的問題。