一种狭长空间的三维形貌测量方法技术

本发明专利技术公开了一种狭长空间的三维形貌测量方法，涉及形貌测量技术领域，设有形貌与变形测量仪器，形貌与变形测量仪器包括激光雷达和相机，相机包括X相机和Y相机，X相机的主轴方向为仪器X轴方向，Y相机的主轴方向为仪器Y轴方向，激光雷达的扫描中心为仪器坐标原点，激光雷达的扫描面为XY平面，仪器Z轴垂直于激光雷达扫描平面向上，形貌与变形测量仪器在狭长空间中移动，激光雷达、X相机、Y相机在移动过程中循环采集数据，激光雷达与X相机、Y相机初始时间戳对准或同步触发，所述X相机与Y相机时间戳同步，本发明专利技术具有仪器结构简单、成本低、测量精度高、算法简单稳定等优点。算法简单稳定等优点。算法简单稳定等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种狭长空间的三维形貌测量方法


[0001]本专利技术涉及形貌测量
，具体的说是一种狭长空间的三维形貌测量方法。

技术介绍

[0002]由于生产生活的需求，越来越多的场合中，需要对物体或空间的三维形貌进行测量，来辅助工程和设计需要。市面上已经存在空间三维形貌的测量仪器，能得到物体或空间的三维形貌，分为定点的全景激光雷达测量仪器和可移动的多线和面阵激光雷达测量仪器。
[0003]定点的全景激光雷达测量仪器，可以对普通的物体和近场空间做高精度的全方位的测量，内置的处理算法，可有效过滤噪声，并减小测量误差，可以达到极高的精度。
[0004]此种测量方式存在的问题是：此种方法适用于长宽高相当的中小尺寸且较开放空间的测量，测量中不能移动，无法满足狭长空间的有效测量。
[0005]采用可移动的多线和面阵激光雷达测量仪器，仪器使用激光雷达进行测量，仪器移动，激光雷达进行扫描，控制器根据扫描到的激光雷达点云特征点位置变化，来进行拼接，获得全景形貌，这一类方法对于尺寸中等的空间以及较小尺寸的物体（例如类似于桌椅板凳大小的物体，或是室内房间和走廊轮廓）测量效果较好。
[0006]此种测量仪器存在的问题是：需要保证测量物体的形貌轮廓具有很强的特征，否则会导致拼接失败，当测量物体的形貌轮廓特征不明显时，即使有激光扫描点云的颜色值和强度值作为辅助也无济于事，该测量方法的误差是不稳定的，精度较低，随着测量时间的加长和移动距离的增加，误差会被逐渐放大，直至完全不可控，对于狭长空间的测量鲁棒性过低，在狭长空间中测量效果不好。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种狭长空间的三维形貌测量方法，仪器结构简单、成本低、适用于狭长空间测量、测量精度高、算法简单稳定。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种狭长空间的三维形貌测量方法，其特征在于：设有形貌与变形测量仪器，所述形貌与变形测量仪器包括激光雷达和相机，所述相机包括X相机和Y相机，所述X相机的主轴方向与形貌与变形测量仪器X轴方向同向，所述Y相机的主轴方向与形貌与变形测量仪器Y轴方向同向，所述激光雷达的主轴为形貌与变形测量仪器的Z轴，所述激光雷达以形貌与变形测量仪器坐标原点为扫描中心，所述激光雷达的扫描面为形貌与变形测量仪器的XY平面，所述形貌与变形测量仪器Z轴正向垂直于激光雷达扫描面向上；采用形貌与变形测量仪器进行测量，测量方法为：步骤S1：形貌与变形测量仪器在狭长空间中进行移动，同时启动激光雷达和相机的触发程序，激光雷达、X相机、Y相机在移动过程中循环采集数据，并分别储存；
步骤S2：对激光雷达获取的带有时间角度距离信息的点云数据进行解码，解码后储存为离散的表格矩阵，即，中不同行代表不同时间戳，不同列代表离散的角度；对X相机、Y相机采集的图像数据进行处理运算，得到X相机时刻相对于时刻仪器坐标系Y方向的像素偏移，仪器坐标系Z方向的像素偏移；得到Y相机时刻相对于时刻仪器坐标系X方向的像素偏移，仪器坐标系Z方向的像素偏移；步骤S3： 中，取角度值为0与π/2的数据，得到两组序列，代表了不同时间X、Y相机光轴方向上的距离，即物距；将步骤S2得到的像素偏移值与步骤S3中的物距进行联合，计算出基于仪器坐标系的仪器刚体位移增量，由X相机数据得到Y、Z方向的基于仪器坐标系刚体位移增量，由Y相机数据得到X、Z方向的基于仪器坐标系刚体位移增量；步骤S4：根据基于仪器坐标系刚体位移增量，得到世界坐标系下的位移增量，对进行前序累加，获得形貌与变形测量仪器在世界坐标系下的以时间戳为变量的仪器中心点坐标，以激光雷达的时间对仪器中心点坐标进行插值，得到插值后的中心点坐标；步骤S5：根据得到包含每个点的直角坐标信息的矩阵；基于激光雷达技术，通过双相机的图片作为辅助，可以在不需要其他设备和数据作为参考的情况下，对于相对复杂的狭长空间进行有效的较高精度测量，得到测量空间的轮廓，仪器结构简单、成本低；根据X相机、Y相机可以得到XYZ方向由刚体平动产生的偏移值，再与激光雷达数据进行联合，可计算出基于仪器坐标系的仪器刚体位移增量，进一步得到最终的直角坐标位置矩阵，算法简单，测量精确度高。
[0009]本专利技术步骤S1中，所述激光雷达与X相机、Y相机初始时间戳对准或同步触发，所述X相机与Y相机时间戳同步。
[0010]本专利技术步骤S2中，对X相机、Y相机采集的图像数据进行处理运算方法为：X相机、Y相机分别记时间获得的图像为，记相邻时刻时间获得的图像为，取正中心处尺寸为的子域图像，作为算子，对图像与算子做去均值的归一化互相关运算，简称NCC，分别得到X相机、Y相机图像与算子的相关函数，即，其中，是图像竖直方向的像素偏移量，是图像水平方向的像素偏移量；分别找到X相机、Y相机图像最大值出现的位置，此时的值是相对于所移动的像素坐标匹配度最高的像素偏移，X相机像素坐标匹配度最高的像素偏移
记为，Y相机像素坐标匹配度最高的像素偏移记为，其中，为X相机第i张图片的算子与第i
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1张图片进行去均值的归一化互相关运算得到的竖向最大像素偏移量，为X相机第i张图片的算子与第i
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1张图片进行去均值的归一化互相关运算得到的水平方向最大像素偏移量，为Y相机第i张图片的算子与第i
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1张图片进行去均值的归一化互相关运算得到的竖向最大像素偏移量，为Y相机第i张图片的算子与第i
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1张图片进行去均值的归一化互相关运算得到的水平方向最大像素偏移量；将得到的像素偏移数据与图像对应的时间戳进行储存，格式为；由X相机的数据，得到了时刻相对于时刻仪器坐标系Y方向的像素偏移，仪器坐标系Z方向的像素偏移；由Y相机的数据，得到了时刻相对于时刻仪器坐标系X方向的像素偏移，仪器坐标系Z方向的像素偏移。
[0011]本专利技术所述形貌与变形测量仪器还包括三轴姿态陀螺仪，所述三轴姿态陀螺仪设在形貌与变形测量仪器内部；所述三轴姿态陀螺仪储存的数据表中包括时间和姿态，姿态包含了偏航角、俯仰角、横滚角，即，用于校正由于仪器的刚体转动导致的像素偏移，当不采用三轴姿态陀螺仪时，此时则设偏航角、俯仰角、横滚角恒为零，即；步骤S1中，当激光雷达、X相机、Y相机采集数据时，三轴姿态陀螺仪也开始循环采集数据并储存，所述三轴姿态陀螺仪的初始时间戳与两个相机的初始时间戳以及激光雷达的初始时间戳对准；步骤S2中，将两个相机和激光雷达的时间戳插入到三轴姿态陀螺仪的时间戳序列中，并在两个相机和激光雷达的时间戳对姿态进行插值，得到与相机以及激光雷达时间戳匹配的姿态；通过三轴姿态陀螺仪采集的数据运算得到仪器在世界坐标系下的姿态矩阵， 再将三轴姿态陀螺仪姿态矩阵与相机数据进行联合，得到第i时刻相对于第i
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1时刻X相机由旋转产生的Y轴像素偏移以及Z轴像素偏移；同理，也可得到第i时刻相对于第i
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1时刻Y相机由旋转产生的X轴像素偏移与Z轴像素偏移；可以分别得到：由X相机的刚体平动产生的Y方向像素偏移，由X相机的刚体平动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种狭长空间的三维形貌测量方法，其特征在于：设有形貌与变形测量仪器，形貌与变形测量仪器包括激光雷达、X相机和Y相机，X相机的主轴方向与形貌与变形测量仪器X轴方向同向，Y相机的主轴方向与形貌与变形测量仪器Y轴方向同向，激光雷达的主轴为形貌与变形测量仪器的Z轴，激光雷达以形貌与变形测量仪器坐标原点为扫描中心，激光雷达的扫描面为形貌与变形测量仪器的XY平面，形貌与变形测量仪器Z轴正向垂直于激光雷达扫描面向上；采用形貌与变形测量仪器进行测量，测量方法为，步骤S1：形貌与变形测量仪器在狭长空间中移动，同时启动激光雷达和X相机、Y相机的触发程序，激光雷达、X相机、Y相机在移动过程中循环采集数据，并分别储存；步骤S2：对激光雷达获取的点云数据进行解码，解码后储存为离散的表格矩阵，即，中不同行代表不同时间戳，不同列代表离散的角度；对X相机、Y相机采集的图像数据进行处理运算，得到X相机时刻相对于时刻仪器坐标系Y方向的像素偏移，仪器坐标系Z方向的像素偏移，得到Y相机时刻相对于时刻仪器坐标系X方向的像素偏移，仪器坐标系Z方向的像素偏移；步骤S3： 中，取角度值为0与π/2的数据，得到两组序列，代表了不同时间X、Y相机光轴方向上的距离，即物距；将步骤S2得到的像素偏移值与步骤S3中的物距进行联合，计算出基于仪器坐标系的仪器刚体位移增量；步骤S4：根据基于仪器坐标系刚体位移增量，得到世界坐标系下的位移增量，最终获得形貌与变形测量仪器在世界坐标系下的以时间戳为变量的仪器中心点坐标，以激光雷达的时间对仪器中心点坐标进行插值，得到插值后的中心点坐标；步骤S5：根据得到包含每个点的直角坐标信息的矩阵。2.根据权利要求1所述的一种狭长空间的三维形貌测量方法，其特征在于：步骤S1中，所述激光雷达与X相机、Y相机初始时间戳对准或同步触发，所述X相机与Y相机时间戳同步。3.根据权利要求2所述的一种狭长空间的三维形貌测量方法，其特征在于：步骤S2中，对X相机、Y相机采集的图像数据进行处理运算方法为，X相机、Y相机分别记时间获得的图像为，记相邻时刻时间获得的图像为，取正中心处尺寸为的子域图像，作为算子，对图像与算子做去均值的归一化互相关运算，简称NCC，分别得到X相机、Y相机图像与算子的相关函数，即，其中，是图像竖直方向的像素偏移量，是图像水平方向的像素偏移量；分别找到X相机、Y相机图像最大值出现的位置，此时的值是相对于
所移动的像素坐标匹配度最高的像素偏移，X相机像素坐标匹配度最高的像素偏移记为，Y相机像素坐标匹配度最高的像素偏移记为，其中，为X相机第i张图片的算子与第i
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1张图片进行去均值的归一化互相关运算得到的竖向最大像素偏移量，为X相机第i张图片的算子与第i
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1张图片进行去均值的归一化互相关运算得到的水平方向最大像素偏移量，为Y相机第i张图片的算子与第i
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1张图片进行去均值的归一化互相关运算得到的竖向最大像素偏移量，为Y相机第i张图片的算子与第i
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1张图片进行去均值的归一化互相关运算得到的水平方向最大像素偏移量；将得到的像素偏移数据与图像对应的时间戳进行储存，格式为；由X相机的数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：王日东，黄星植，胡涛，杨彬，丛家梁，
申请(专利权)人：威海晶合数字矿山技术有限公司，
类型：发明
国别省市：