本發(fā)明涉及一種可移動式的三維建模成像系統(tǒng)，尤其涉及一種結合了INS/GPS解算的三維建模成像系統(tǒng)。

背景技術：

每一次人類認知能力的突破，就必然極大的提高人類的創(chuàng)造力，并帶來重大的社會變革。指南針、望遠鏡、顯微鏡等工具的出現(xiàn)都對人類的認知領域產生了深遠的影響。隨著信息技術和現(xiàn)代測量儀器的快速發(fā)展，以數字為代表的現(xiàn)代信息工程，更是極大的拓展了人類認知手段與認知空間，并廣泛地應用于軍事、社會、經濟、災害等各個領域。

獲取現(xiàn)實世界的三維模型，是在現(xiàn)代測量技術和信息技術基礎上發(fā)展起來的機器視覺與計算機圖形學等領域的一個重要課題。

建立現(xiàn)實世界空間環(huán)境的三維數字模型，充分利用計算機的強大計算能力，運用各種技術處理手段，不僅可以真實的再現(xiàn)、模擬現(xiàn)實世界場景，還可以實現(xiàn)難以直接在現(xiàn)實空間中表述或想象的抽象操作，例如：數字模型的移動、旋轉與形變；數字地圖的搜索、定位、導航；數字環(huán)境的模擬仿真與推演等等。

可以極大的拓展人類的認知，豐富人類的邏輯和形象思維，并且非常便于保存與傳輸。在數字城市、地理信息系統(tǒng)(GIS)、醫(yī)學工程、虛擬現(xiàn)實、工業(yè)設計與制造、文物保護，智能導航等領域有著非常廣泛的應用。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種可移動式的三維建模成像系統(tǒng)，其特征在于利用激光測距技術得到的距離信息，結合INS/GPS解算的姿態(tài)與位置，將現(xiàn)實世界空間的掃描點映射到一個基準坐標系，建立現(xiàn)實世界的3D數字模型。

一種可移動式的三維建模成像系統(tǒng)，其中，激光掃描儀裝載于移動平臺，進行快速行掃描，并將各個掃描點的距離測量值轉換為相對于掃描平面的2D坐標信息。

一種可移動式的三維建模成像系統(tǒng)，其中，慣性測量元件與掃描儀固聯(lián)于移動平臺，構建INS/GPS慣導系統(tǒng)，解算出移動平臺在每一時刻的姿態(tài)、位置。

一種可移動式的三維建模成像系統(tǒng)，其中，移動平臺對測量環(huán)境或物體作相對運動，將2D行掃描進行3D空間的拓展；數據融合濾波，建立現(xiàn)實世界空間物體的數字模型；對數字模型的3D觀察成像。

一種可移動式的三維建模成像系統(tǒng)，其中，移動平臺主要負責數據采集與預處理，由慣性測量元件(IMU)，電子羅盤，GPS激光掃描儀等傳感器，AVR單片機，PC/104嵌入式計算機以及無線通信設備組成。

一種可移動式的三維建模成像系統(tǒng)，其中，基站主要由便攜式計算機與無線AP設備組成，構建地面監(jiān)控系統(tǒng)，負責整個控制操作、狀態(tài)顯示、以及濾波建模和繪圖成像。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例共同用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是掃描示意圖；

圖2是功能結構圖；

圖3是系統(tǒng)組成結構；

圖4是軟件架構圖；

圖5是移動平臺與基站實圖。

具體實施方式

以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明 如何應用技術手段來解決技術問題，并達成技術效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據以實施。需要說明的是，只要不構成沖突，本發(fā)明中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結合，所形成的技術方案均在本發(fā)明的保護范圍之內。

隨著現(xiàn)代測量儀器與技術的發(fā)展，各種數據獲取手段的原理與方式各有不同，但從總體上可以將三維信息獲取技術分為非接觸式獲取和接觸式獲取兩大類：

接觸式獲取主要采用探針接觸，直接測量等方式，主要有三坐標測量機(Coordinate Mesuring Machine，CCM)，銑銷測量機，礦井測量、鉆孔勘探等。

非接觸式獲取技術是建立在光電技術、微電子技術、以及計算機技術快速發(fā)展的基礎上的，主要有激光測距、CT掃描、磁共振(MRT)、電磁波、光學影像等多鐘方式。

相對于接觸式獲取而言，非接觸獲取技術避免測頭等機械結構先天缺陷的工作。尤其是光學測量方法，利用結構光本身作為數據點坐標信息的傳遞載體，測量方便，速度快捷，并且可以完成對一些軟材質工件，薄工件等的非接觸測量，并且可以同時利用CCD攝像獲取被測物的彩色信息，實現(xiàn)彩色3D測量。

隨著現(xiàn)代測量儀器尤其是各種非接觸式、遙感傳感器的發(fā)展，非接觸式獲取技術以其高效、便捷、低成本、廣適用性等優(yōu)點，越來越成為三維重建信息獲取的主要手段。

目前，國內外均有一些比較成熟的三維建模成像系統(tǒng)應用于各個不同的領域。

美國徠卡CYRA公司的CYRAX系統(tǒng)，法國MENSI公司的GS2000系列三維激光掃描儀都是比較成熟的使用激光測距技術的三維掃描儀。在各個領域有著廣泛應用，如美國Cyberware公司3030系列彩色三維掃描儀，已經廣泛應用于影視特技，如《終結者2》，《侏羅紀公園》，《蝙蝠俠2》等美國FARO公司的Sterling系列，則是基于機械測量臂原理的三維掃描設 備的代表。具有很高的測量精度。

卡耐基-梅隆大學和斯坦福大學利用小型無人直升機平臺，利用GPS定位，已成功進行一些低空數據采集建模的研究工作。

S.Thrun等人也利用一個遙控車載平臺，使用兩個處于正交方向的激光掃描儀對一個廢棄的礦洞坑道進行了三維建模，用虛擬現(xiàn)實(VRML)作為顯示手段。

哥倫比亞大學在街區(qū)項目中開發(fā)了導航機器人，它由一個CCD攝相機，一個Cyrax激光測距儀和一個GPS接受機組成，主要目的是建立自動生成室外場景真實感的精確的三維模型系統(tǒng)。

第三軍醫(yī)大學和南方醫(yī)科大學聯(lián)合完成了對于人體的數字化項目。在國家863計劃和國家自然科學基金共同資助下，通過建立低溫實驗室、改造數控銑床、改進切削工藝等一系列技術創(chuàng)新，完成了3男5女共8例中國數字化人體數據集的構建。在數據集的連續(xù)性、分辨率、斷面層厚、完整性、標本選用代表性等六個方面全面超過美國(VHP)、韓國(VKH)數據集。該成果被解剖學領域的權威雜志英國《Journal of Anatomy》作為封面論文發(fā)表，并被評為“2002年中國醫(yī)藥科技十大新聞”之一，已被數十家單位應用。

華中科技大學人工智能研究所研制出3DLCS三維彩色激光掃描儀，獲得國家專利，并得到國家自然科學基金，863計劃等支持。之后與湖北黃鶴影視科技股份有限公司合作，開發(fā)了一些列3DLCS掃描產品，將這一成果用于產業(yè)化。

這些三維建模系統(tǒng)都有各自的特點和應用領域，但總結發(fā)現(xiàn)有以下幾個特點：

1.對于小型物體的三維建模，無論在數據采集設備還是建模算法上面都有比較成熟的應用。在這部分的研究，主要集中在對三維點云數據進行面元或體元重建，對建模精度、建?？焖傩院妥詣踊芰Φ确矫孢M行深入研究。

在文物保護和工業(yè)應用中的逆向工程系統(tǒng)，精度甚至可以達到毫米級，可以使用成熟的第三方測量系統(tǒng)，或者第三方建模成像軟件采集并處理精確的點云數據，通過人機交互的半自動化建模手段，如B樣條、曲面擬合等， 進行精確的3D數字建模。

斯坦福大學利用Cyberware的3D激光測距儀，結合彩色圖像，對米開朗基羅雕像進行了數字化工作。西北工業(yè)大學現(xiàn)代信息與電子系統(tǒng)研究所與法國MENSI中心成立了聯(lián)合研發(fā)中心，使用SOISIC掃描儀，ScanWork2.0控制軟件，3Dipsos三維數據處理軟件，對秦兵馬俑、飛機模型等進行了三維掃描與重建工作。

2.對復雜大規(guī)模場景的三維建模，目前并沒有特別具有廣泛適用性的方法或建模算法。

比較常見的是使用定點掃描的三維建模系統(tǒng)，可以比較精確的控制或得到掃描儀的姿態(tài)信息，但因為定點以及傳感器性能和檢測范圍的限制，面對大規(guī)模場景的時候具有較大的局限性，不具備實時的運動掃描建模能力。如瑞士的Jan Weingarten和Roland Siegwart對于復雜室內場景的建模繪圖，具有不錯的準確度，但是整個系統(tǒng)基于掃描儀姿態(tài)的精確控制。

在定點掃描的基礎上，隨著大規(guī)模場景的建模需要，又發(fā)展出一些可移動式的掃描建模方法。

比如各種煤盤體積測量系統(tǒng)，通常是將掃描儀裝載在一個可伸縮的機械吊臂，以固定姿態(tài)，通過電機對掃描儀的位置進行精確控制來進行運動采集。

Huijing Zhao和Ryosuke Shibasaki建立了一個車載掃描系統(tǒng)，利用兩個2D掃描儀同時進行車轍定位和建模修正，對體育場館外墻等大型室外場景進行建模繪圖，取得很好的效果。但跟絕大多數車載建模系統(tǒng)一樣，雖然是可移動式系統(tǒng)，在一定程度上滿足了對大規(guī)模場景的建模需要，但仍然有一定的局限性，即整個系統(tǒng)基于一個假設前提，車輛運行于平坦地面。

由上分析可知，對于復雜環(huán)境，如非平坦路面，大角度大范圍場景等，需要一種更加自由的，可以進行任意運動，并且可以動態(tài)采集建模的掃描系統(tǒng)。而最大的難點在于，進行移動掃描的同時，對掃描姿態(tài)和位置進行實時的精確描述是非常困難的。

因此，本文基于INS移動平臺，設計并實現(xiàn)了一種分步式串級濾波算法，在對姿態(tài)和位置的實時最優(yōu)估計的基礎上進一步消除建模誤差，可以在任意 運動的同時，進行動態(tài)采集成像，以滿足各種復雜場景建模的需要。

本發(fā)明構建了一個可移動式的三維建模成像系統(tǒng)。利用激光測距技術得到的距離信息，結合INS/GPS解算的姿態(tài)與位置，將現(xiàn)實世界空間的掃描點映射到一個基準坐標系，建立現(xiàn)實世界的3D數字模型。

系統(tǒng)基本的建模成像過程可以表示如下：

激光掃描儀裝載于移動平臺，進行快速行掃描，并將各個掃描點的距離測量值轉換為相對于掃描平面的2D坐標信息。

慣性測量元件與掃描儀固聯(lián)于移動平臺，構建INS/GPS慣導系統(tǒng)，解算出移動平臺在每一時刻的姿態(tài)、位置。

移動平臺對測量環(huán)境或物體作相對運動，將2D行掃描進行3D空間的拓展。

數據融合濾波，建立現(xiàn)實世界空間物體的數字模型。

對數字模型的3D觀察成像。

圖1是一個簡單的掃描示意圖，紅色區(qū)域表示掃描范圍，是一個2D行掃描，在本文構建的系統(tǒng)中，掃描儀與移動平臺固聯(lián)，并且可以相對與掃描環(huán)境或物體做任意運動，以得到所需要的測量信息。

整個建模成像系統(tǒng)可以按照功能結構分為三大模塊，如圖2所示：

數據采集模塊：各傳感器的數據更新與管理。

濾波建模模塊：對多傳感器數據的融合，濾波建模。

三維成像模塊：對數字模型的變換與繪圖成像

本發(fā)明構建了一個快速的可移動式三維建模與成像系統(tǒng)，由移動平臺(機載系統(tǒng))和基站(地面監(jiān)控系統(tǒng))兩部分組成。

如圖3所示，系統(tǒng)由移動平臺與基站兩部分組成。

移動平臺主要負責數據采集與預處理。由慣性測量元件(IMU)，電子羅盤，GPS激光掃描儀等傳感器，AVR單片機，PC/104嵌入式計算機以及無線通信設備組成。

基站主要由便攜式計算機與無線AP設備組成，構建地面監(jiān)控系統(tǒng)，負 責整個控制操作、狀態(tài)顯示、以及濾波建模和繪圖成像。

機載系統(tǒng)運行在移動平臺的PC/104嵌入式計算機上，使用根據系統(tǒng)需要自行裁剪的嵌入式Linux內核，文件系統(tǒng)使用ramdisk上的ext2作為根文件系統(tǒng)，cramfs文件系統(tǒng)作為基本系統(tǒng)庫，tmpfs文件系統(tǒng)或fat文件系統(tǒng)作為數據存儲系統(tǒng)。該嵌入式操作系統(tǒng)不僅精簡高效，具有很好的穩(wěn)定性，以及失電保護能力。而且可以支持必要的網口、串口等驅動程序使用C++語言，進行結構化設計的同時，考慮到系統(tǒng)各個功能模塊的獨立性與相互關聯(lián)，進行了模塊化設計，可以非常方便的進行調試，并且具有良好的擴展性和可移植性。

系統(tǒng)程序使用GNUcc(GCC)進行編譯。GCC是一個交叉平臺的編譯器，支持在不同CPU平臺上開發(fā)基于不同體系結構硬件的軟件。如同其他編譯器，GCC可以在編譯時優(yōu)化執(zhí)行代碼，而且能夠產生調試代碼。使用GCC編譯程序非常簡單，只需要加入需要的功能選項就可以完成相應的編譯工作。

由于系統(tǒng)采用多個傳感器，而各傳感器的數據更新頻率不同，為了數據同步與濾波，分別設計了INS/GPS采集濾波模塊，與激光掃描儀LMS采集預處理模塊。

采用多線程技術，如圖2、3所示，線程A處理IMU、電子羅盤和GPS數據，并對INS/GPS數據進行融合濾波。

線程B采集激光掃描儀距離數據，并進行簡單預處理。通過線程同步技術，將A、B線程中各自模塊的輸出數據同步，并通過網絡協(xié)議與地面監(jiān)控系統(tǒng)進行通信。

地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)控系統(tǒng)運行在基站的便攜式計算機上，使用VC++/MFC集成開發(fā)環(huán)境，進行面向對象，模塊化程序設計，軟件實現(xiàn)結構上清晰合理，易于維護升級。

監(jiān)控系統(tǒng)采用圖形界面，提供一個良好而便于操作的用戶接口。系統(tǒng)通過事件或消息驅動，來實現(xiàn)人機交互，可以非常方便的進行一些必要設置和 操作。

遠程控制模塊，主要涉及地面監(jiān)控系統(tǒng)對移動平臺的控制設計，包括包括掃描范圍，掃描角度分辨率，掃描模式等各種系統(tǒng)參數設置與控制。

數據通信模塊，主要負責地面監(jiān)控系統(tǒng)與移動平臺機載系統(tǒng)的通信，對于地面監(jiān)控系統(tǒng)來講，上行數據主要有系統(tǒng)設置和控制命令等。下行數據主要有設置命令的應答，以及各傳感器經過預處理或融合濾波的實時更新數據。考慮到數據傳輸量和頻率，以及系統(tǒng)對實時性的要求，采用UDP/IP協(xié)議進行通信。

濾波建模模塊，主要是根據INS/GPS融合濾波得到的姿態(tài)與位置信息結合掃描儀2D信息，建立3D模型，并且對點云模型進行再次濾波，建立面元模型。

三維成像模塊，主要負責對已經建立的數字模型進行三維觀察，繪圖成像。用計算機的3D視覺技術來還原真實的三維場景。

文件操作模塊，主要負責對各種需要保存或再利用的文件，如掃描行數據，原始點云數據，濾波后數字模型文件，系統(tǒng)配置文件等進行操作和管理，大大便利了各種系統(tǒng)調試，增加了人機交互的靈活性和可操作性。

如圖5所示，左側是系統(tǒng)構建的移動平臺，包括多個傳感器和嵌入式計算機。右側是便攜式筆記本構建的基站，運行地面監(jiān)控程序。

各傳感器以各自頻率實時更新數據。

單片機對多傳感器數據進行管理和同步。

MESA高速串行模塊用以保證激光掃描儀數據的通信。

嵌入式計算機實時更新用來建模的數據信息，包括INS/GPS數據融合濾波得到移動平臺的實時姿態(tài)與位置。

整個系統(tǒng)具有簡單便捷的優(yōu)點，可以非常方便的應用于各種車載、飛行器機載系統(tǒng)，通過無線通信，達到遠程操控的目的。

雖然本發(fā)明所揭露的實施方式如上，但所述的內容只是為了便于理解本發(fā)明而采用的實施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術領域內的技術人員，在不脫離本發(fā)明所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實施的 形式上及細節(jié)上作任何的修改與變化，但本發(fā)明的專利保護范圍，仍須以所附的權利要求書所界定的范圍為準。