用于校准三维扫描仪和优化点云数据的设备和方法技术

提供一种用于校准光检测与测距(LiDAR)设备的方法。所述校准方法是迭代环路所涉及的。通过执行所述校准方法，使用输入的点云来生成初始点云矩阵，且计算距离和入射角的函数的形式的初始偏移简档。所述初始点云矩阵可通过所述初始偏移简档优化，且接着生成下一迭代的点云矩阵。在所述迭代环路中，可执行所述优化一次或多次，且最终迭代的输出包含最终点云和最终偏移网格。所述最终点云可含有接近物理距离信息的测得的距离信息。所述最终偏移网格含有表示关于对所述LiDAR设备的测量值的校准或修改的信息的函数。改的信息的函数。改的信息的函数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于校准三维扫描仪和优化点云数据的设备和方法


[0001]本专利技术涉及三维(3D)点云处理，尤其是涉及用于校准3D扫描仪和优化点云数据的方法和设备。

技术介绍

[0002]光检测与测距(LiDAR)是密集地扫描感测目标的表面并对所述表面进行取样的光学遥感技术。LiDAR通常采用有源光学传感器，其在移动经过特定勘察路线时朝向目标传输激光(即，其可包含激光束、激光脉冲或其组合)。由LIDAR传感器中的接收器检测和分析激光从目标的反射。
[0003]LiDAR设备通常包含激光源，以及在不同方向上朝向待成像的目标导引激光源的扫描仪。可使用旋转材料、微机电系统(MEMS)、使用硅光子学的固态扫描或例如里斯利棱镜(Risley prism)等其它装置来执行激光的转向。入射光从正扫描的目标反射。
[0004]所接收反射形成数据的三维(3D)点云，其中数据可以在例如同时定位与绘图(SLAM)、建筑物重建和道路标记提取等许多应用中使用。法向量估计是3D点云处理中的基本任务。已知法向量估计方法可分类为基于回归的方法、基于Vorono的方法和深度学习方法。
[0005]然而，因为使用LIDAR设备实现前面描述的应用涉及测量技术和计量法，所以可能需要测量之前的校准。也就是说，LiDAR设备可能遇到归因于大气不稳定性的系统误差和/或噪声，从而导致不准确的飞行时间(ToF)测量偏移，且因此需要校准LiDAR来补偿测量偏移。相应地，对于不同应用和目的，使用LiDAR设备的技术取决于校准来减小测量误差。当前用于校准的技术很繁琐，其可能需要工作量来获取用于校准的数据，且依赖于来自LiDAR设备的已知参数。举例来说，为了进行LiDAR设备的校准，需要以下参数；激光源和接收器相对于LiDAR设备的相对位置；校准目标相对于LiDAR设备的相对位置；以及校准目标的几何结构(例如，大小、维度等)。因此，存在某一水平的工作量，使得此项技术中需要减小所述工作量或改进LiDAR设备的校准技术的效率。

技术实现思路

[0006]为了改进LiDAR测量的准确性，本专利技术提供一种用于校准LiDAR测量的设备和方法，其通过一种迭代地测量校准设备且接着优化扫描仪偏移网格直至满足某一收敛准则的方法来实现。根据本专利技术的一个方面，提供一种校准方法如下。由定向激光源生成包含至少一个激光束和一系列激光脉冲的激光。激光源将光斑指向三维(3D)校准设备表面上且沿着表面移动光斑。同时，激光从激光源发射到表面的指向区域。光电检测器相应地接收反射的激光且计算其飞行时间(ToF)，从而产生校准设备表面的点云结构。由校准单元依据3D扫描仪测得的孔径和其手动测得的实际物理孔径之间的所计算的差生成相对于3D扫描仪的距离测量偏移网格。由校准单元设定迭代环路的迭代索引t，其中t为整数。在第t迭代处，由校准单元生成(LiDAR设备的)点云。通过计算LiDAR设备的测得的孔径和物理孔径之间的差来
获得测量误差(即，3D扫描仪的误差)。通过考虑孔径，可确定相对于目标距离和目标入射角的3D扫描仪的测量误差。不同距离和不同入射角处的此测量偏移的集合可称为“偏移网格”。第t迭代处的点云可通过减去所获取偏移而优化且产生第t+1迭代处的点云。因此可计算新测量误差(即，等效地，偏移网格)，且将新测量误差累积到旧偏移网格。
[0007]根据本专利技术的一个实施例，在迭代环路中，执行优化一次以上，借此进一步改进LiDAR测量的准确性。
[0008]根据本专利技术的另一实施例，在前面描述的校准方法之前，提供一种测试方法如下。放置包含多个平行条的轨道，使得LiDAR设备在轨道的前方。测量两个平行条之间的间隔以及从LiDAR设备到所述条中的一个的距离，以便计算并获得物理距离和入射角信息。由校准单元根据点云计算测得的距离和入射角信息。通过校准单元将物理距离和入射角信息与测得的距离和入射角信息彼此进行比较，以便确定是否执行校准方法。
[0009]根据本专利技术的另一实施例，提供一种用于实施前面描述的校准方法的LiDAR系统，其中所述LiDAR系统包含LiDAR设备和控制器。LiDAR设备包含激光器、扫描仪和光电检测器。控制器与LiDAR设备电连通且包含校准单元。
[0010]通过提供校准方法，使用输入的点云来生成初始点云矩阵(即，点云可具有布置成矩阵以生成初始点云矩阵的多个数据点)，且计算距离和入射角的函数的形式的初始偏移简档。初始点云矩阵可通过初始偏移简档优化，且接着生成下一迭代的点云矩阵。在校准方法的迭代环路中，可执行优化一次或多次，且最终迭代的输出包含最终点云和最终偏移网格。最终点云可含有接近物理距离信息的测得的距离信息，借此改进距离准确性。最终偏移网格含有表示关于对LiDAR设备的测量值的校准或修改的信息的函数。
附图说明
[0011]下文中参看图式更详细描述本专利技术的实施例，图式中：
[0012]图1描绘根据本专利技术的一实施例的LiDAR系统；
[0013]图2是示出根据本专利技术的一实施例在执行3D点云扫描过程之前对LiDAR系统进行预处理的方法的流程图；
[0014]图3示出预处理中的轨道和LiDAR系统之间的相对位置关系；
[0015]图4是根据本专利技术的一实施例相对于轨道位于不同位置处的LiDAR系统；
[0016]图5示出根据本专利技术的一实施例用于处理图1中的步骤S70以生成偏移校准的操作的流程图；以及
[0017]图6展示根据本专利技术的一实施例的函数δ
MESH
(r，ψ)。
具体实施方式
[0018]在以下描述中，用于校准三维(3D)扫描仪和优化点云数据等的设备和方法阐述为优选实例。所属领域的技术人员将显而易见，可在不脱离本专利技术的范围和精神的情况下作出包含添加和/或替代在内的修改。可省略特定细节以免使本专利技术模糊不清；然而，编写本公开是为了使所属领域的技术人员能够在不进行不当实验的情况下实践本文中的教示。
[0019]参看图1，描绘根据本专利技术的一实施例的可量化表面平坦度的光检测与测距(LiDAR)系统10。LiDAR系统10包含发射光60的激光源20，光60通常通过例如准直透镜等光
学器件30。激光器20可以是(例如)600
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1000nm波段激光器或1550nm波段激光器。在一些实施例中，光60可以是包含激光束、一系列激光脉冲或其组合的激光。在一些实施例中，可使用单个激光源或多个激光源。在替代实施例中，可采用闪光LiDAR相机。
[0020]光60入射在扫描装置90上。扫描装置90可以是旋转反射镜(多边形或平面)、MEMS装置、棱镜，或可在待扫描的目标对象100的表面上扫描激光束的另一其它类型的装置。图像显影速度由目标对象100将被扫描的速度控制。扫描仪射束65反射为反射射束75，其从扫描装置90导引离开到射束70中，经由光学器件40且进入光电检测器80。光电检测器80可选自例如硅雪崩光电二极管或光电倍增器、CCD、CMOS装置等固态光电检测器。控制器50与作为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光检测与测距(LiDAR)设备，其特征在于，包括：激光源，其被配置成生成激光；扫描仪，其被配置成沿着三维(3D)目标表面扫描所述激光束；光电检测器，其被配置成检测从所述目标表面反射的光的点云；以及控制器，其包含校准单元，所述校准单元被配置成至少执行以下操作：生成偏移网格；设定迭代环路的迭代索引t，其中t为整数；生成第t迭代的点云矩阵；生成所述第t迭代的测量误差，其中所述第t迭代的所述测量误差包括根据所述第t迭代的所述点云矩阵计算的距离和入射角信息的集合；根据所述第t迭代的所述测量误差生成距离和入射角的函数的形式的所述第t迭代的偏移简档；通过使用替换了所述第t迭代的所述测量误差的所述第t迭代的所述偏移简档优化所述第t迭代的所述点云矩阵，使得获得第t+1迭代的点云矩阵；通过将所述第t迭代的所述偏移简档引入到其上来更新所述偏移网格；以及确定是否输出所述第t+1迭代的所述点云矩阵和经更新的偏移网格。2.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其特征在于，所述校准单元进一步被配置成执行以下操作：设定收敛准则；以及比较所述更新前后的所述偏移网格；其中当比较结果在所述收敛准则内时，输出所述第t+1迭代的所述点云矩阵和所述经更新的偏移网格。3.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其特征在于，所述校准单元进一步被配置成执行以下操作：设定收敛准则；以及比较所述更新前后的所述偏移网格；其中当比较结果在所述收敛准则外时，所述校准单元进一步被配置成执行以下操作：生成所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊希，郑学全，孙韵成，林泓江，吴淇轩，
申请(专利权)人：陈俊希，
类型：发明
国别省市：