基于激光雷达的三维室内环境信息采集与显示系统

DOI:10.16184/prg.2019.01.043
1 概述
目前室内三维数据采集与显示是一个研究热点， 三 维环境信息采集与显示技术是一种真实环境信息转化为 虚拟信息， 使其具有再现能力， 使不可直接观察的现实 世界进行再现。 它利用激光雷达获取室内地图数据， 利 用深度摄像头获得影像点云进行三维模拟显示。 它可以 将物理信息数据转化为具有颜色、 状态、 纹理等使现实 环境再现， 使人可以观察到不可见的现象。
示。 控制部分： 过程状态的说明指示、 传感器和采集感 知设备的控制移动、 转向等， 保证各器件的稳定同时运 转， 兼容性。 构建合理的系统框架和模块化功能设计等 方面。
数据采集模块： 通过激光雷达以及其他传感器对三 维坐标和像素信息采集。
图像处理模块： 读取设备获取的环境信息并传入后 台 PC 机 ， 在 PC 机 对 点 云 数 据 处 理 ， 融 合 像 素 点 和 图 片对应点的 RGB 信息， 进行三 维 模 型 重 构 ， 并 利 用 三 维室内环境信息采集与显示系统进行显示。
通 过 Kinect 体 感 仪 ， 实 现 人 体 三 维 重 建 。 使 用 Kinect 体感仪， 扫描获取人体三维数据， 利用深度数据 转换算法实现二维顶点的三维化， 再通过红外相机姿态 跟踪算法进行顶点集配准， 求解相机每一次的相对位移 和转动角度， 实现相机姿态跟踪， 并将每一次拍摄到的 点集转换到同一全局坐标系之下， 使用晶格化显示集成 算法将点云集成到提前划分好精度及尺寸的体素晶格 中， 然后利用投影映射算法获得人体三维立体模型。 3 系统框架与功能模块
三维建模与显示模块： 通过 PC 机与 Kinect 体感仪 实现三维建模与可视化。
数据处理模块： 嵌入式开发板与激光雷达具有数据 收集、 数据存储与基础处理功能， 能对采集到的数据进 行处理。
如图 1 所示。
室内三维环境信息采集与显示系统
数
图
数
据 采 集 模 块
像 处 理 模 块
移 动 系 统
据 处 理 模 块
（1） 数据分布离散并且不均匀。 扫描激光的方向不停改变， 使每次探测到的距离 都是一个离散的数据， 在空间可视化之后表现出不同 位置的离散点； 由于扫描方式不同会导致数据分布不 均匀。 （2） 含目标空间位置坐标信息。 与传统光学数据相比， 可以直接从点云数据中进行 空间测量点云数据反应物体空间位置关系。 （3） 高密度， 高精度。 扫描仪角分辨率小， 点云数据密集， 而其高精度 特性由激光器的高精度决定， 同时会使点云的数据量
基于激光雷达的三维室内环境信息采集与显示系统
曹满鑫，李杰，耿帅，孙郑芬，黄枥元 （北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京 100101）
摘 要： 随着计算机图形学技术的迅速发展，人们已经开始对三维信息的需求与日剧增。在社会生活 中应用广泛，比如电子地图、建筑设计、园林景观、产品演示等各个领域。针对室内环境研究开发了 室内三维环境信息采集与显示系统，实现了采集室内环境信息、数据转化为图形等功能。通过实验验 证，该系统可行使用传感器对室内环境信息进行采集，并将采集到的数据转化为图形、图像使显示环 境再现。 关键词： 激光雷达；三维建模；点云
2 关键技术 2.1 激光雷达点云数据采集
LiDAR 激 光 探 测 及 测 距 系 统 的 简 称 ， 也 称 Laser Radar 或 者 LADAR。 激 光 雷 达 点 云 数 据 是 指 由 激 光 雷 达扫描获取的数据。 每一个很小的束探测到一个数 据， 可视化后就是一个点， 所以称 “点” 数据。 整个 无序数据可视化后就像云一样， 所以是 “云” 数据。 相比普通的平面二维数字图像数据， 激光达点云数据 的特点：
整个系统的软件分为控制部分和数据处理部分。 数 据处理： 对数据采集板得到点的多源数据进行优化， 把 点云、 位置、 影像等信息建立的数据模型进行可视化显
基金项目：北京信息科技大学 2018 年人才培养质 量提 高经费 （财务编号： 5111824103） 支持。 收稿日期：2018-10-16
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4.2 程序总体流程与算法
开始
扫描空间
获取数据
深度数据处理， 将传感器原始 的深度数据转换成点云
相 机 跟 踪 ： ICP 匹 配 ， 得 到相机位姿
点云融合
场景渲染： 使用光纤跟踪的方法， 预测出当前观察到的环境点云
信息显示
结束
图 2 基于激光雷达的三维室内环境信息采集与 显示系统流程图
4.2.1 总体算法流程 （1） 数据处理， 是将传感器原始的数据转换成 3D
嵌
嵌
激 光 雷 达 扫 描
传
感
三
器
维
采
建
集
模
三
入
入
维
式
式
可
开
开
视
发
发
化
板
板
模
存与显示系统模块图
4 功能开发与实现 4.1 系统开发环境
以 VC ++ 为 开 发 平 台 ， 集 成 传 感 器 ， 在 Windows 系 统 基 础 上 建 立 三 维 建 模 与 显 示 ， 该 系 统 以 基于激光雷达扫描和其他传感器对三维坐标和像素信 息 的 采 集 技 术 背 景 ， 在 PC 机 利 用 软 件 对 点 云 数 据 处 理， 融合像素点和图片对应 点 的 RGB 信 息 ， 进 行 三 维 模型重构， 建立三维模型包括物体轮廓， 颜色， 纹理 等信息并利用三维室内环境信息采集与显示系统进行 显示。
庞大。 2.2 数据采集、存储和传输硬件
基于激光雷达扫描和其他传感器对三维坐标和像素 信息的采集， 并实时获取空间三维点云、 GPS 位置、 与 目标点方位角、 俯仰等信息， 进行数据分析和存储， 并 可以通过开发板与 PC 连接传输数据。 2.3 三维建模与显示
读取设备获取的环境信息并传入后台 PC 机， 在 PC 机利用软件对点云数据处理， 融合像素点和图片对应点 的 RGB 信息， 进行三维模型重构 ， 建 立 三 维 模 型 包 括 物体轮廓、 颜色、 纹理等信息， 并利用三维室内环境信 息采集与显示系统进行显示。