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摘要：隨著計算機圖形學技術的迅速發展，人們已經開始對三維信息的需求與日劇增。在社會生活中應用廣泛，比如電子地圖、建筑設計、園林景觀、產品演示等各個領域。針對室內環境研究開發了室內三維環境信息采集與顯示系統，實現了采集室內環境信息、數據轉化為圖形等功能。通過實驗驗證，該系統可行使用傳感器對室內環境信息進行采集，并將采集到的數據轉化為圖形、圖像使顯示環境再現。

關鍵詞：激光雷達；三維建模；點云

1概述

目前室內三維數據采集與顯示是一個研究熱點，三維環境信息采集與顯示技術是一種真實環境信息轉化為虛擬信息，使其具有再現能力，使不可直接觀察的現實世界進行再現。它利用激光雷達獲取室內地圖數據，利用深度攝像頭獲得影像點云進行三維模擬顯示。它可以將物理信息數據轉化為具有顏色、狀態、紋理等使現實環境再現，使人可以觀察到不可見的現象。

2關鍵技術

2.1激光雷達點云數據采集

LiDAR激光探測及測距系統的簡稱，也稱LaserRadar或者LADAR。激光雷達點云數據是指由激光雷達掃描獲取的數據。每一個很小的束探測到一個數據，可視化后就是一個點，所以稱“點”數據。整個無序數據可視化后就像云一樣，所以是“云”數據。相比普通的平面二維數字圖像數據，激光達點云數據的特點：（1）數據分布離散并且不均勻。掃描激光的方向不停改變，使每次探測到的距離都是一個離散的數據，在空間可視化之后表現出不同位置的離散點；由于掃描方式不同會導致數據分布不均勻。（2）含目標空間位置坐標信息。與傳統光學數據相比，可以直接從點云數據中進行空間測量點云數據反應物體空間位置關系。（3）高密度，高精度。掃描儀角分辨率小，點云數據密集，而其高精度特性由激光器的高精度決定，同時會使點云的數據量龐大。

2.2數據采集、存儲和傳輸硬件

基于激光雷達掃描和其他傳感器對三維坐標和像素信息的采集，并實時獲取空間三維點云、GPS位置、與目標點方位角、俯仰等信息，進行數據分析和存儲，并可以通過開發板與PC連接傳輸數據。

2.3三維建模與顯示

讀取設備獲取的環境信息并傳入后臺PC機，在PC機利用軟件對點云數據處理，融合像素點和圖片對應點的RGB信息，進行三維模型重構，建立三維模型包括物體輪廓、顏色、紋理等信息，并利用三維室內環境信息采集與顯示系統進行顯示。通過Kinect體感儀，實現人體三維重建。使用Kinect體感儀，掃描獲取人體三維數據，利用深度數據轉換算法實現二維頂點的三維化，再通過紅外相機姿態跟蹤算法進行頂點集配準，求解相機每一次的相對位移和轉動角度，實現相機姿態跟蹤，并將每一次拍攝到的點集轉換到同一全局坐標系之下，使用晶格化顯示集成算法將點云集成到提前劃分好精度及尺寸的體素晶格中，然后利用投影映射算法獲得人體三維立體模型。

3系統框架與功能模塊

整個系統的軟件分為控制部分和數據處理部分。數據處理：對數據采集板得到點的多源數據進行優化，把點云、位置、影像等信息建立的數據模型進行可視化顯示。控制部分：過程狀態的說明指示、傳感器和采集感知設備的控制移動、轉向等，保證各器件的穩定同時運轉，兼容性。構建合理的系統框架和模塊化功能設計等方面。數據采集模塊：通過激光雷達以及其他傳感器對三維坐標和像素信息采集。圖像處理模塊：讀取設備獲取的環境信息并傳入后臺PC機，在PC機對點云數據處理，融合像素點和圖片對應點的RGB信息，進行三維模型重構，并利用三維室內環境信息采集與顯示系統進行顯示。三維建模與顯示模塊：通過PC機與Kinect體感儀實現三維建模與可視化。數據處理模塊：嵌入式開發板與激光雷達具有數據收集、數據存儲與基礎處理功能，能對采集到的數據進行處理。

4功能開發與實現

4.1系統開發環境

以VC++2012.Net為開發平臺，集成傳感器，在Windows系統基礎上建立三維建模與顯示，該系統以基于激光雷達掃描和其他傳感器對三維坐標和像素信息的采集技術背景，在PC機利用軟件對點云數據處理，融合像素點和圖片對應點的RGB信息，進行三維模型重構，建立三維模型包括物體輪廓，顏色，紋理等信息并利用三維室內環境信息采集與顯示系統進行顯示。

4.2程序總體流程與算法

4.2.1總體算法流程

（1）數據處理，是將傳感器原始的數據轉換成3D點云，得到點云中頂點的三維坐標和法向量。（2）相機跟蹤，可以將當前幀的3D點云和現有模型生成的3D點云進行ICP(迭代最近點)匹配，計算得到當前幀相機的位姿。（3）點云融合，根據所計算出的當前相機位姿，使用TSDF點云融合算法將當前幀的3D點云融合到現有模型中。（4）場景渲染，使用光線跟蹤的方法，根據現有模型和當前相機位姿預測出當前觀察到的環境點云，1）用于反饋給用戶，2）可以提供給相機跟蹤進行ICP匹配。

4.2.2RPLIDAR激光雷達掃描后的數據處理算法

RPLIDARA1激光掃描測距雷達可以在二維平面內進行360度的激光測距掃描，然后產生所在空間的平面點云地圖信息。RPLIDAR激光雷達掃描采用了激光三角測距技術，以激光作為光源，每次測距將發射紅外激光信號，激光信號照射到目標物體后產生的反光將會被視覺采集系統接受，經過DSP處理器進行解算然后輸出數據。接收數據的部分算法如下：

4.2.33D場景建模算法

KinectV2配備彩色攝像頭，紅外線投影機，深度攝像頭和四元線性麥克風陣列等傳感器。通過Kinect可以獲取Color,Infrared,Depth,BodyIndex,Body共6個數據源，可根據需要調用多個傳感器。在室內環境三維建模中，可以借助顏色和深度值的傳感器（RGB-D），運用KinectFusion算法將采集到的數據實現3D場景建模。

5測試結果與分析

通過攝像頭采集室內的各項數據，在程序中實現基于激光雷達的室內環境信息采集與顯示系統，實現傳感器數據采集、場景三維模型數據顯示等基本功能。利用RPLIDAR激光雷達和Kinect的使用與開發、VC++2012.Net平臺上C程序的開發方法，以及硬件設計基本方法實現傳感器數據采集、場景三維模型數據顯示等基本功能。實現了相機跟蹤，點云融合，場景渲染，建立三維模型包括物體輪廓、顏色、紋理等信息并利用三維室內環境信息采集與顯示系統進行顯示。對數據采集板得到點的多源數據進行優化，把點云、位置、影像等信息建立的數據模型進行可視化顯示。通過Kinect獲取Color,Infrared,Depth,BodyIndex,Body共6個數據源，可根據需要調用多個傳感器。在室內環境三維建模中，借助顏色和深度值的傳感器（RGB-D），運用KinectFusion算法將采集到的數據，實現3D場景建模。每次采樣的數據通過通訊接口輸出，包括距離值、夾角、信號強度和起始信號(布爾值)的信息。測距范圍0.15-6米，頻率大于2000Hz可調。

6結語

激光雷達的掃描與顯示技術是近年來研究的熱點，在工業制造、軍事、民用、科學研究等方面有著越來越廣泛的應用，以室內環境為研究對象，采用OpenGL技術和三維可視化技術對激光雷達地三維室內環境信息采集與顯示系統進行研究和提高精度。通過多種傳感器的基礎上建立三維室內環境信息采集與顯示系統，實現三維數據采集與顯示，達到立體還原效果。系統可以快速還原重構室內場景三維原貌，可以獲得物體的顏色、狀態、紋路等信息，能滿足人們對陌生環境的信息需求。

參考文獻

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作者:曹滿鑫 李杰 耿帥 孫鄭芬 黃櫪元 單位:北京信息科技大學信息與通信工程學院