激光雷达的三维室内信息采集与显示范文

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

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。

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LaserRadar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：（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。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

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。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。

4功能开发与实现

4.1系统开发环境

以VC++2012.Net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。

4.2程序总体流程与算法

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点云，得到点云中顶点的三维坐标和法向量。（2）相机跟踪，可以将当前帧的3D点云和现有模型生成的3D点云进行ICP(迭代最近点)匹配，计算得到当前帧相机的位姿。（3）点云融合，根据所计算出的当前相机位姿，使用TSDF点云融合算法将当前帧的3D点云融合到现有模型中。（4）场景渲染，使用光线跟踪的方法，根据现有模型和当前相机位姿预测出当前观察到的环境点云，1）用于反馈给用户，2）可以提供给相机跟踪进行ICP匹配。

4.2.2RPLIDAR激光雷达扫描后的数据处理算法

RPLIDARA1激光扫描测距雷达可以在二维平面内进行360度的激光测距扫描，然后产生所在空间的平面点云地图信息。RPLIDAR激光雷达扫描采用了激光三角测距技术，以激光作为光源，每次测距将发射红外激光信号，激光信号照射到目标物体后产生的反光将会被视觉采集系统接受，经过DSP处理器进行解算然后输出数据。接收数据的部分算法如下：

4.2.33D场景建模算法

KinectV2配备彩色摄像头，红外线投影机，深度摄像头和四元线性麦克风阵列等传感器。通过Kinect可以获取Color,Infrared,Depth,BodyIndex,Body共6个数据源，可根据需要调用多个传感器。在室内环境三维建模中，可以借助颜色和深度值的传感器（RGB-D），运用KinectFusion算法将采集到的数据实现3D场景建模。

5测试结果与分析

通过摄像头采集室内的各项数据，在程序中实现基于激光雷达的室内环境信息采集与显示系统，实现传感器数据采集、场景三维模型数据显示等基本功能。利用RPLIDAR激光雷达和Kinect的使用与开发、VC++2012.Net平台上C程序的开发方法，以及硬件设计基本方法实现传感器数据采集、场景三维模型数据显示等基本功能。实现了相机跟踪，点云融合，场景渲染，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。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示。通过Kinect获取Color,Infrared,Depth,BodyIndex,Body共6个数据源，可根据需要调用多个传感器。在室内环境三维建模中，借助颜色和深度值的传感器（RGB-D），运用KinectFusion算法将采集到的数据，实现3D场景建模。每次采样的数据通过通讯接口输出，包括距离值、夹角、信号强度和起始信号(布尔值)的信息。测距范围0.15-6米，频率大于2000Hz可调。

6结语

激光雷达的扫描与显示技术是近年来研究的热点，在工业制造、军事、民用、科学研究等方面有着越来越广泛的应用，以室内环境为研究对象，采用OpenGL技术和三维可视化技术对激光雷达地三维室内环境信息采集与显示系统进行研究和提高精度。通过多种传感器的基础上建立三维室内环境信息采集与显示系统，实现三维数据采集与显示，达到立体还原效果。系统可以快速还原重构室内场景三维原貌，可以获得物体的颜色、状态、纹路等信息，能满足人们对陌生环境的信息需求。

参考文献

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作者:曹满鑫 李杰 耿帅 孙郑芬 黄枥元 单位:北京信息科技大学信息与通信工程学院