基于三角测距的房屋轮廓构建算法制造技术

本发明专利技术提出了一种基于三角测距的房屋轮廓构建算法，利用三维激光扫描仪的水平一字线性激光器和竖直一字线性激光器投射到墙面上，由于墙面阴角线的存在，激光线会被调制成折线的形式，通过接收装置中的工业相机获得的图像来设计算法检测折线的转折点，将转折点的图像坐标代入到三角测距的数学模型解算出转折点的三维坐标即可构建出墙面的轮廓。其中水平投射的一字线性激光器用来构建墙面的竖直轮廓，竖直投射的一字线性激光器用来构建房屋的水平轮廓。通过规划好的扫描路径实现房屋轮廓的构建，所获得的点云可以导入到CAXA等三维绘图软件中直接测量房屋的尺寸。解决了在室内装修工作中人工测量尺寸不便，精度较低的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于三角测距的房屋轮廓构建算法
本专利技术涉及建筑测量
，尤其涉及一种房屋轮廓构建算法。
技术介绍
在传统的室内装修中，需要进行墙面尺寸的测量，通过测量所得到的尺寸可以进行成本核算，以及装修材料的预算等。通过人工来测量房屋尺寸特别是大型房屋的尺寸会有很多不便之处。因此通过自动化的仪器来测量房屋的尺寸可以提高效率，提高测量的精度。本专利技术在所设计的三维激光扫描仪的基础上开发房屋轮廓的构建算法，实现房屋尺寸的测量。
技术实现思路
本专利技术旨在三维激光扫描仪的基础上开发一种房屋轮廓的构建算法，通过该算法可以自动构建出房屋的轮廓，并用来测量房屋的尺寸，旨在解决在室内装修中人工测量房屋尺寸不便，精度较低的问题。本专利技术采用如下技术方案：一种基于三角测距的房屋轮廓构建算法，所述算法采用三维激光扫描仪实现，所述三维激光扫描仪包括俯仰转台、水平转台、竖直一字线性激光器、水平一字线性激光器和接收装置；所述水平一字线性激光器和竖直一字线性激光器投射到房屋墙面上，由于墙面阴角线的存在，激光线会被表现成折线的形式，通过接收装置中的工业相机获得的图像来检测折线的转折点，将转折点的图像坐标代入到三角测距的数学模型解算出转折点的三维坐标即可根据扫描轨迹算法构建出墙面的轮廓；其中，所述转折点的检测包括以下步骤：(1)初步选择转折点选取像素遍历的第一步长s1，则斜率的计算公式为：k(i)＝(P(i+s1-1).v-P(i).v)/(P(i+s1-1).u-P(i).u)其中，P(i).u代表光条上的第i个点在像素坐标系u轴上的坐标，P(i).v代表光条上的第i个点在像素坐标系v轴上的坐标；如果i满足以下判据则P(i)被定义为初选转折点：k(i+s2)×k(i)<0，s2为第一选择步长；(2)进一步选择转折点选取斜率的遍历步长s3，s1>s3，得到：kk(i)＝(P(i+s3-1).v-P(i).v)/(P(i+s3-1).u-P(i).u)如果i满足以下判据则P(i)被定义为近似转折点：kk(i+s4)×kk(i)<0，s4为第二选择步长；(3)求拟合直线的交点为了求得更加精确的转折点信息，采用通过直线拟合求交点的方式进行转折点的求解；以近似转折点为基准，向前与向后各选择N个像素点，并通过最小二乘法分别做直线拟合，然后求得两条直线的交点即为转折点。进一步地，通过三角架支撑俯仰转台，在所述俯仰转台上安装水平转台，在所述水平转台上安装两个一字线性激光器和接收装置。进一步地，房屋轮廓包括水平轮廓的构建与竖直轮廓的构建，其中，水平轮廓的构建分为墙面上部阴角线的构建与墙面下部阴角线的构建，墙面上部阴角线的构建通过转动俯仰转台到仰角状态再转动水平转台来实现；墙面下部阴角线的构建通过转动俯仰转台到俯角状态再转动水平转台来实现；竖直轮廓的构建的操作流程如下：首先通过转动俯仰转台实现一条墙面竖直阴角线的构建，之后通过转动水平转台到其他竖直阴角线的位置，再转动俯仰转台实现其他墙面竖直阴角线的构建。进一步地，水平轮廓中墙面下部阴角线的构建包括：将俯仰转台转动至俯角状态，之后水平转台每转动0.3°做一次转折点的检测，水平转台转动360°实现一周的扫描；工业相机获取到图像，通过畸变校正，灰度化处理并通过灰度重心法获取光条的像素坐标；定义光条上的像素坐标依次为P1,P2,…Pn，步骤(1)-(3)求得转折点PB，然后基于PB求得竖直方向上的转折点PA，PA的检测流程为：a.以PB为基准向前选择80个像素点做直线拟合，并将此直线定义为L2；b.求得从点P1至PB到直线L2的距离d；c.设定阈值d，遍历从P1至PB到直线L2的距离，并将第一个小于阈值d的点定义为Pk；d.采用P1,P2,…Pk这些点做直线拟合，将此直线定义为L1。e.将直线L1与直线L2的交点定义为PA。进一步地，所述扫描轨迹算法包括：S1、将三维扫描仪放置于房屋中间，将俯仰转动板调节至水平状态，调整好竖直扫描的角度范围，其原则为在相机视野内能够看到墙面水平阴角线的上部与下部；S2、俯仰转台向上转动α度并停止，开始转动水平转台实现墙面上部阴角线360°的扫描，扫描完毕水平转台回到初始位置；S3、俯仰转台向下转动2α度并停止，开始转动水平转台实现墙面下部阴角线360°的扫描，扫描完毕水平转台回到初始位置；S4、俯仰转台向上每转动0.45°做一次转折点的检测，转动到2α度并停止，完成第一条竖直阴角线的构建；水平转台转动θ1度并停止，俯仰转台向下每转动0.45°做一次转折点的检测，转动到2α度并停止，完成第二条竖直阴角线的构建；其余的竖直阴角线按照相同的方法来构建。θ1，θ2，…的计算方法如下：首先，得到P1或Pn到直线L2的距离为D，通过设定阈值D′，如果D>D′则认为有三段直线；当D>D′时，水平转台每转0.3°保存一次水平转台当前的角度，当D<D′时，将所保存的角度序列求平均值即为θ1，清空用来储存角度的容器；再次当D>D′时水平转台每转0.3°保存一次水平转台当前的角度，当D<D′时，将所保存的角度序列求平均值即为θ2，…依次类推，以获得墙面每条竖直阴角线的水平角度。附图说明图1是本专利技术的三维激光扫描仪结构示意图；图2是本专利技术的三维激光扫描仪工作原理图；图3(a)是墙面下部阴角线的构建原理图；图3(b)是墙面上部阴角线的构建原理图；图4是本专利技术竖直轮廓构建原理图；图5是采用本专利技术算法的实验验证效果图。具体实施方式下面结合附图说明及具体实施方式对本专利技术进一步说明。首先，本专利技术设计了一款三维激光扫描仪，如附图1所示，包括水平转台101、俯仰转台102、两个一字线性激光器103,104和接收装置105。可通过三角架支撑水平转台101，在水平转台101上安装俯仰转台102，在俯仰转台102上安装所述一字线性激光器103,104和接收装置105。两个一字线性激光器103,104包括竖直一字线性激光器和水平一字线性激光器。然后，在所设计的三维激光扫描仪的基础上开发了房屋轮廓的检测算法，通过该算法可以自动检测房屋的轮廓，并生成房屋轮廓的点云图。房屋墙面轮廓的构建分为水平轮廓的构建与竖直轮廓的构建。水平轮廓的构建分为墙面上部阴角线的构建与墙面下部阴角线的构建。其中，墙面上部阴角线的构建通过转动俯仰转台到仰角状态再转动水平转台来实现；墙面下部阴角线的构建通过转动俯仰转台到俯角状态再转动水平转台来实现。竖直轮廓的构建的操作流程如下：首先通过转动俯仰转台实现一条墙面竖直阴角线的构建，之后通过转动水平转台到其他竖直阴角线的位置，再转动俯仰转台实现其他墙面竖直阴角线的构建。下文将给出在构建完一条墙面竖直阴角线的构建之后，水平转台每次需要转动多少度才能实现其余竖直阴角线的构建。本专利技术的三维激光扫描仪的工作原理如图2所示，水平一字线性激光器201和竖直一字线性激光器202投射到墙面上，由于墙面阴角线的存在，激光线会被表现成折线的形式，通过接收装置中的工业相机获得的图像来设计算法检测折线的转折点，将转折点的图像坐标代入到三角测距的数学模型解算出转折点的三维坐标即可构建出墙面的轮廓。[水平轮廓的构建]墙面下部阴角线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三角测距的房屋轮廓构建算法，其特征在于：所述房屋轮廓构建算法采用三维激光扫描仪实现，所述三维激光扫描仪包括俯仰转台、水平转台、竖直一字线性激光器、水平一字线性激光器和接收装置；所述水平一字线性激光器和竖直一字线性激光器投射到房屋墙面上，由于墙面阴角线的存在，激光线被表现成折线的形式，通过接收装置中的工业相机获得的图像来检测折线的转折点，将转折点的图像坐标代入到三角测距的数学模型解算出转折点的三维坐标即可根据扫描轨迹算法构建出墙面的轮廓；其中，所述转折点的检测包括以下步骤：(1)初步选择转折点选取像素遍历的第一步长s1，则斜率的计算公式为：k(i)＝(P(i+s1‑1).v‑P(i).v)/(P(i+s1‑1).u‑P(i).u)其中，P(i).u代表光条上的第i个点在像素坐标系u轴上的坐标，P(i).v代表光条上的第i个点在像素坐标系v轴上的坐标；如果i满足以下判据则P(i)被定义为初选转折点：k(i+s2)×k(i)<0，s2为第一选择步长；(2)进一步选择转折点选取斜率的遍历步长s3，s1>s3，得到：kk(i)＝(P(i+s3‑1).v‑P(i).v)/(P(i+s3‑1).u‑P(i).u)如果i满足以下判据则P(i)被定义为近似转折点：kk(i+s4)×kk(i)<0，s4为第二选择步长；(3)求拟合直线的交点为了求得更加精确的转折点信息，采用通过直线拟合求交点的方式进行转折点的求解；以近似转折点为基准，向前与向后各选择N个像素点，并通过最小二乘法分别做直线拟合，然后求得两条直线的交点即为转折点。...

【技术特征摘要】
1.一种基于三角测距的房屋轮廓构建算法，其特征在于：所述房屋轮廓构建算法采用三维激光扫描仪实现，所述三维激光扫描仪包括俯仰转台、水平转台、竖直一字线性激光器、水平一字线性激光器和接收装置；所述水平一字线性激光器和竖直一字线性激光器投射到房屋墙面上，由于墙面阴角线的存在，激光线被表现成折线的形式，通过接收装置中的工业相机获得的图像来检测折线的转折点，将转折点的图像坐标代入到三角测距的数学模型解算出转折点的三维坐标即可根据扫描轨迹算法构建出墙面的轮廓；其中，所述转折点的检测包括以下步骤：(1)初步选择转折点选取像素遍历的第一步长s1，则斜率的计算公式为：k(i)＝(P(i+s1-1).v-P(i).v)/(P(i+s1-1).u-P(i).u)其中，P(i).u代表光条上的第i个点在像素坐标系u轴上的坐标，P(i).v代表光条上的第i个点在像素坐标系v轴上的坐标；如果i满足以下判据则P(i)被定义为初选转折点：k(i+s2)×k(i)&lt;0，s2为第一选择步长；(2)进一步选择转折点选取斜率的遍历步长s3，s1&gt;s3，得到：kk(i)＝(P(i+s3-1).v-P(i).v)/(P(i+s3-1).u-P(i).u)如果i满足以下判据则P(i)被定义为近似转折点：kk(i+s4)×kk(i)&lt;0，s4为第二选择步长；(3)求拟合直线的交点为了求得更加精确的转折点信息，采用通过直线拟合求交点的方式进行转折点的求解；以近似转折点为基准，向前与向后各选择N个像素点，并通过最小二乘法分别做直线拟合，然后求得两条直线的交点即为转折点。2.根据权利要求1所述的房屋轮廓构建算法，其特征在于：通过三角架支撑俯仰转台，在所述俯仰转台上安装水平转台，在所述水平转台上安装两个一字线性激光器和接收装置。3.根据权利要求1所述的房屋轮廓构建算法，其特征在于：房屋轮廓包括水平轮廓的构建与竖直轮廓的构建，其中，水平轮廓的构建分为墙面上部阴角线的构建与墙面下部阴角线的构建，墙面上部阴角线的构建通过转动俯仰转台到仰角状态再转动水平转台来实现；墙面下部阴角线的构建通过转动俯仰转台到俯角状态再转动水平转台来实现；竖直轮廓的构建的操作流程如下：首先通过转动俯仰转台实现一条墙面竖直阴角线的构建，之后通过转动水平转台到其他竖直阴角线的位置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜欣，单鹏飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44