空间信息采集设备以及空间信息采集方法技术

本发明专利技术涉及一种空间信息采集设备，具有图像采集装置、距离方位测量装置以及与图像采集装置和距离方位测量装置通信连接的控制装置。图像采集装置构造成能围绕镜头光学节点转动并且采集图像数据。距离方位测量装置构造成能转动并且采集距离方位数据。控制装置构造用于能分别从图像采集装置和距离方位测量装置获得图像数据和距离方位数据。控制装置构造用于在图像采集装置采集图像数据期间或之后标定镜头畸变参数及球坐标映射参数并且以此为基础根据镜头光学节点与距离方位测量装置的测量中心之间的位置关系对图像数据和距离方位数据进行配准，从而获得带有距离方位信息的全景图像。本发明专利技术还涉及一种相应的空间信息采集方法。

Spatial Information Acquisition Equipment and Spatial Information Acquisition Method

【技术实现步骤摘要】
空间信息采集设备以及空间信息采集方法
本专利技术涉及一种空间信息采集设备和一种空间信息采集方法。
技术介绍
全景采集目前已有比较成熟的技术，如单镜头旋转多次拍摄，多镜头同步拍摄等。但没有能够同步拍摄全景及采集对应空间内的位置方位数据并获得精确对应位置关系的设备。在专利文献CN103729883A中公开了一种三维环境信息采集与重构系统及方法，所述系统包括二维激光测距仪、全景相机旋转平台等。在专利文献CN105157566A中公开了一种彩色三维激光扫描仪以及三维立体彩色点云扫描方法，采用图像采集模块(在该文献中为镜头和图像传感器)和激光距离信息采集模块相结合的复合技术，用于空间或物体的外形结构和彩色纹理进行扫描，并将这些信息转换为同时包含坐标信息和彩色信息的数字化模型。然而，在这些现有技术中，由于相机的镜头节点不在其转动中心并且不与点云数据的原点重合，导致单次拍摄的图像以及拼接后的图像出现较大的位置偏差、畸变或区域间的错位，使得图像特别是在全局范围内无法与点云测量数据做到精确对应，使得图像的实际使用价值大为降低，特别是对于较短距离空间中的信息采集时，这样的偏差尤为明显。因此，用户无法直接通过对图像的操作提取出有效的空间位置相关信息，无法达到实用的可见即可得的操作。虽然现在彩色点云能够通过高密度的扫描提供接近高清照片级别的高分辨率三维场景视图，但是需要采集海量的信息点。而且在采集时间、用户浏览设备要求、软件复杂度、易用易分享性能方面都有较大的制约。这样的设备例如还可以参考专利文献CN101901501A和CN105928457A等。目前也有空间数据信息与图像信息分开采集的解决方案，使得图像采集能够满足完美全景采集的需求，但每次都需要后期加工进行数据匹配，无法达到简单易用，自动化操作的结果，所以其实用性亦不够好，且无法产品化。
技术实现思路
本专利技术的任务在于提供一种空间信息采集设备、特别是一种便携的和/或集成的空间信息采集设备以及一种相应的空间信息采集方法，按照本专利技术的设备和方法能够克服现有技术的缺点，尤其是能够同时采集空间360度范围内的影像数据及距离方位数据并通过控制装置输出图像数据与距离方位数据精确配准后的最终数据。本专利技术的第一方面涉及一种空间信息采集设备，该空间信息采集设备包括图像采集装置、距离方位测量装置以及控制装置，图像采集装置和距离方位测量装置能分别与控制装置通信连接。所述图像采集装置构造成能围绕其唯一的镜头光学节点在至少一个方向上转动并且采集目标空间的图像数据；所述距离方位测量装置构造成能在至少一个方向上转动并且采集目标空间的距离方位数据。所述控制装置构造用于分别从图像采集装置和距离方位测量装置获得图像数据和距离方位数据。此外，所述控制装置构造用于在图像采集装置采集图像数据期间或之后标定镜头畸变参数及球坐标映射参数并且以所标定的镜头畸变参数及球坐标映射参数为基础根据镜头光学节点与距离方位测量装置的测量中心之间的相对位置关系对图像数据和距离方位数据进行配准，从而获得带有距离方位信息的全景图像。在本专利技术的意义中，“镜头光学节点”应理解为照相机或摄影(像)机镜头的光学中心，穿过此点的光线不会发生折射。“测量中心”应理解为距离方位测量装置所采集的原始数据点所在的原始坐标原点(距离方位测量装置固有的特征)。“相对位置关系”应理解为距离和方位的相对关系。“全景”在本专利技术的意义中应理解为360度的完整空间范围或者局部空间范围。例如，当不关心地面情况时，“全景”可以指的是除了地面之外的上方局部空间范围。此外，“距离方位”可理解为一个点在空间中相对于参考点的距离和角度，隐含的可与三维空间坐标的xyz信息相互转换。在此，“图像数据”也包括影像数据。通过本专利技术的构思能够采集并且生成几何几乎无畸变和错位的全景图像，并且为该全景图像精确地叠加各种含有距离方位信息的数据。由于图像采集装置围绕其唯一的镜头光学节点转动，因此不会因为全景图像在拼接过程中可能出现的扭曲与错位导致图像中目标的位置信息与其它传感器的信息出现明显的位置误差。因此，能够为用户提供一套便携的/或集成的实景环境信息采集工具并提供在图像中直接提取空间信息的数据结果。通过高清晰图像，在降低对空间信息采集密度要求的同时大幅度增加数据结果的可感知性和可用性。由于图像数据与距离方位数据的精确配准，使得传统只用以类似“点云”方式展示的数据能够被全景图像近似代替，从而大幅降低对终端展示设备的处理性能的需求，丰富类似应用的终端覆盖，扩大使用场景。同时，该装置同时具备传统彩色点云的输出能力，可为使用者同时提供两种数据结果。此外，通过在图像采集装置采集图像数据期间或之后标定镜头畸变参数及球坐标映射参数，一方面不需要独立的标定过程，特别是不需要专门采集标定板图像用于标定，另一方面能够方便图像采集装置的位置标定修正，无需对单个图像的球坐标方位信息单独标定，同时能够辅助对旋转机构转动精度的标定，对于量产设备来说，这将降低设备生产与维护成本。按照本专利技术的在实际环境下的实时标定的结果可以直接用于拼接图像数据。在按照本专利技术的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述距离方位测量装置可以在所述图像采集装置采集数据期间始终保持在该图像采集装置的镜头有效视角范围之外，从而能够获得不受距离方位测量装置干扰的图像数据并且获得最大的图像采集范围。在按照本专利技术的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述图像采集装置和所述距离方位测量装置能以同步或异步转动的方式和/或以同时或先后的方式采集各自的数据。在按照本专利技术的空间信息采集设备的一种扩展方案中，可以设有一个唯一的转动机构，所述图像采集装置和所述距离方位测量装置的转动由该唯一的转动机构实现。由此能够使得图像数据与距离方位数据的配准和生成更加容易。优选地，所述唯一的转动机构具有一个唯一的围绕竖直轴线转动的转动自由度。所述唯一的转动机构例如可以在控制装置的作用下由电马达驱动。在按照本专利技术的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述图像采集装置和所述距离方位测量装置可以彼此刚性连接。在此优选地，控制装置可以构造成用于根据所标定的球坐标映射参数中的方位信息对图像采集装置的转动偏差进行修正。由于此时图像采集装置和距离方位测量装置彼此刚性连接，因此也能够修正距离方位测量装置的转动偏差。在按照本专利技术的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述图像采集装置的镜头光学节点和所述距离方位测量装置的测量中心的连线可以与转动机构的至少一个自由度的轴线垂直或基本上垂直，或者所述图像采集装置的镜头光学节点和所述距离方位测量装置的测量中心的连线可以与转动机构的至少一个自由度的轴线重合或基本上重合。由此能够进一步使得图像数据与距离方位数据的配准和生成更加容易。在此，“基本上”指的是偏差在5°以内。优选地，所述图像采集装置的镜头光学节点和所述距离方位测量装置的测量中心的连线也可以相对于转动机构的至少一个自由度的轴线倾斜，例如倾斜15度、35度、55度或65度，以便更容易实现距离方位测量装置在图像采集装置采集数据期间始终保持在该图像采集装置的镜头有效视角范围之外。在按照本专利技术的空间信息采集设备的一种扩展方案中，所述图像采集装置和所述距离方位测量装置可以通过一个唯一的翻转机构彼此刚性连接，该唯一的翻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间信息采集设备(100)，该空间信息采集设备包括图像采集装置(1)、距离方位测量装置(2)以及控制装置(4)，图像采集装置(1)和距离方位测量装置(2)能分别与控制装置(4)通信连接，所述图像采集装置(1)优选是照相机、摄像机或带有镜头的具有照相或摄像功能的电子模块，所述距离方位测量装置(2)优选是单点或线扫描或面扫描方式的距离/方位传感器，优选在空间信息采集设备(100)中还设有用于支撑空间信息采集设备的支架和/或用于封闭空间信息采集设备的各组成部分的壳体，其特征在于：所述图像采集装置(1)构造成能围绕其唯一的镜头光学节点(P0)在至少一个方向上转动并且采集目标空间的图像数据；所述距离方位测量装置(2)构造成能在至少一个方向上转动并且采集目标空间的距离方位数据，优选地，所述距离方位测量装置(2)在所述图像采集装置(1)采集数据期间始终保持在该图像采集装置的镜头有效视角范围之外；所述控制装置(4)构造用于能分别从图像采集装置(1)和距离方位测量装置(2)获得图像数据和距离方位数据，优选地，所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)能以同步或异步转动的方式和/或以同时或先后的方式采集各自的数据；所述控制装置(4)构造用于在图像采集装置(1)采集图像数据期间或之后标定镜头畸变参数及球坐标映射参数并且以所标定的镜头畸变参数及球坐标映射参数为基础根据镜头光学节点(P0)与距离方位测量装置(2)的测量中心(L0)之间的相对位置关系(d)对图像数据和距离方位数据进行配准，从而获得带有距离方位信息的全景图像。...

【技术特征摘要】
1.一种空间信息采集设备(100)，该空间信息采集设备包括图像采集装置(1)、距离方位测量装置(2)以及控制装置(4)，图像采集装置(1)和距离方位测量装置(2)能分别与控制装置(4)通信连接，所述图像采集装置(1)优选是照相机、摄像机或带有镜头的具有照相或摄像功能的电子模块，所述距离方位测量装置(2)优选是单点或线扫描或面扫描方式的距离/方位传感器，优选在空间信息采集设备(100)中还设有用于支撑空间信息采集设备的支架和/或用于封闭空间信息采集设备的各组成部分的壳体，其特征在于：所述图像采集装置(1)构造成能围绕其唯一的镜头光学节点(P0)在至少一个方向上转动并且采集目标空间的图像数据；所述距离方位测量装置(2)构造成能在至少一个方向上转动并且采集目标空间的距离方位数据，优选地，所述距离方位测量装置(2)在所述图像采集装置(1)采集数据期间始终保持在该图像采集装置的镜头有效视角范围之外；所述控制装置(4)构造用于能分别从图像采集装置(1)和距离方位测量装置(2)获得图像数据和距离方位数据，优选地，所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)能以同步或异步转动的方式和/或以同时或先后的方式采集各自的数据；所述控制装置(4)构造用于在图像采集装置(1)采集图像数据期间或之后标定镜头畸变参数及球坐标映射参数并且以所标定的镜头畸变参数及球坐标映射参数为基础根据镜头光学节点(P0)与距离方位测量装置(2)的测量中心(L0)之间的相对位置关系(d)对图像数据和距离方位数据进行配准，从而获得带有距离方位信息的全景图像。2.根据权利要求1所述的空间信息采集设备(100)，其特征在于，设有一个唯一的转动机构(3)，所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)的转动由该唯一的转动机构实现。3.根据权利要求2所述的空间信息采集设备(100)，其特征在于，所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)彼此刚性连接，优选地，控制装置(4)构造成用于根据所标定的球坐标映射参数中的方位信息对图像采集装置(1)的转动偏差进行修正；优选地，所述图像采集装置(1)的镜头光学节点(P0)和所述距离方位测量装置(2)的测量中心(L0)的连线与转动机构的至少一个自由度的轴线(A)垂直或基本上垂直，或者所述图像采集装置(1)的镜头光学节点(P0)和所述距离方位测量装置(2)的测量中心(L0)的连线与转动机构的至少一个自由度的轴线(A)重合或基本上重合；更优选地，所述图像采集装置的镜头光学节点和所述距离方位测量装置的测量中心的连线相对于转动机构的至少一个自由度的轴线倾斜，例如倾斜15度、35度、55度或65度；更优选地，所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)通过一个唯一的翻转机构彼此刚性连接，该唯一的翻转机构构造成使得图像采集装置(1)的镜头光学节点(P0)和距离方位测量装置(2)的测量中心(L0)能在先后采集各自的数据时在空间上重合；更优选地，所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)分别配置有第一翻转机构和第二翻转机构，所述第一翻转机构和第二翻转机构配合作用，使得所述图像采集装置(1)的镜头光学节点(P0)和所述距离方位测量装置(2)的测量中心(L0)能在先后采集各自的数据期间在空间上重合。4.根据权利要求1所述的空间信息采集设备(100)，其特征在于，所述图像采集装置(1)和所述距离方位测量装置(2)分别配置有各自的转动机构(3、7)，优选地，控制装置(4)构造成用于根据所标定的球坐标映射参数中的方位信息对图像采集装置(1)的转动偏差进行修正和/或构造用于对距离方位测量装置(2)转动偏差进行修正。5.根据权利要求2至4中任一项所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱峰，崔亚峰，
申请(专利权)人：上海杰图天下网络科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31