專利名稱：一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種近景地面攝影測量成像裝置，特別是涉及一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置。
背景技術(shù)：
目前用于此目的的現(xiàn)有技術(shù)通常采用近景攝影測量的方法。近景攝影測量屬于地面攝影測量的范疇，攝影距離一般在100米以內(nèi)，它可使用量測攝影機(jī)和非量測攝影機(jī)，近景攝影測量的應(yīng)用范圍主要是(1)結(jié)構(gòu)物的變形測量(2)古建筑的現(xiàn)狀測繪(3)人類軀體測繪(4)需精確測求物體大小、形狀或體積的其它測繪項(xiàng)目。
近景攝影測量原理如下從地面用測量相機(jī)拍攝物體像片。為使取得的物體像片能用于在專門的儀器上建立立體模型進(jìn)行量測，攝影時(shí)用兩個(gè)平行相機(jī)同時(shí)拍攝，以取得具有一定重疊度的物體像片。按攝影機(jī)物鏡主光軸相對于物體的垂直度，可分為近似垂直物體攝影和傾斜物體攝影。然后利用立體測量儀器應(yīng)用解算數(shù)學(xué)關(guān)系在立體像片上計(jì)算出物體的三維坐標(biāo)，從而得到物體表面的三維坐標(biāo)。
近景攝影測量原理的缺點(diǎn)是速度慢，對測量物體的環(huán)境有要求(必須人能到達(dá)的地方，且需人工搭架子)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種用于實(shí)時(shí)、高精度的獲取100米以內(nèi)可見物體三維數(shù)據(jù)的測量儀器。
本實(shí)用新型所述一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置實(shí)現(xiàn)上述目的技術(shù)方案如下本裝置包括一個(gè)高精度實(shí)時(shí)三維激光掃描測距裝置、一個(gè)光學(xué)反射系統(tǒng)、一個(gè)由步進(jìn)電機(jī)自動控制光學(xué)反射系統(tǒng)按水平方向和垂直方向連續(xù)轉(zhuǎn)動的控制單元和CCD數(shù)字相機(jī)；所述三維激光掃描測距裝置、光學(xué)反射系統(tǒng)和物體被掃描點(diǎn)的相互位置關(guān)系構(gòu)成激光束的入射、反射光路；所述光學(xué)反射系統(tǒng)通過一個(gè)x-y坐標(biāo)轉(zhuǎn)動軸分別與對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)接；所述步進(jìn)電機(jī)通過驅(qū)動器與計(jì)算機(jī)的控制端相連接；所述三維激光掃描測距裝置與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入端口相連接；所述CCD數(shù)字相機(jī)通過讀數(shù)卡與計(jì)算機(jī)USB口相連接。
如上所述的一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置，所述光學(xué)反射系統(tǒng)是一個(gè)平面鏡。
如上所述的一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置，所述激光測距儀與計(jì)算機(jī)的RS232通訊口相連接。
如上所述的的一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置，所述x-y坐標(biāo)轉(zhuǎn)動軸是x方向轉(zhuǎn)動軸和y方向轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接組成，掃描角度在40°×40°。
本實(shí)用新型與傳統(tǒng)的近景攝影測量的方法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和積極的效果采用實(shí)時(shí)三維激光掃描裝置可以克服傳統(tǒng)方法中的測量速度慢的問題，它具有超高速測量、無須重復(fù)、免去腳手架、快速建模、高質(zhì)量信息、減少返工、快速循環(huán)、安全、易于操作的優(yōu)點(diǎn)。在作業(yè)人員不能直接到達(dá)的地方，可對物體進(jìn)行測量。本裝置是對測量目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取快速有效途徑。


圖1是本實(shí)用新型所述一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置的實(shí)時(shí)三維激光掃描原理圖；圖2是本實(shí)用新型所述一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置的組成框圖；圖3是本實(shí)用新型所述一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置的步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器的接線示意圖；圖4是本實(shí)用新型所述一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置的激光測距與計(jì)算機(jī)接線示意圖；圖5是本實(shí)用新型所述一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置的CCD數(shù)字相機(jī)與計(jì)算機(jī)接線示意圖；圖6是本實(shí)用新型所述一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置的光學(xué)反射鏡與旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本實(shí)用新型所述一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置的光學(xué)反射鏡與激光束的光路示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型是利用激光測距原理，可見圖7，即激光束對100米以內(nèi)可見物體進(jìn)平面掃描，獲取被掃描點(diǎn)的到掃描實(shí)時(shí)三維激光掃描裝置的距離，激光束直接照射在一個(gè)光學(xué)反射系統(tǒng)上，光學(xué)反射系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)自動控制，按水平方向和垂直方向連續(xù)轉(zhuǎn)動，根據(jù)所測到的物體與光學(xué)反射鏡的距離和步進(jìn)電機(jī)在水平方向和垂直方向的步進(jìn)角度就可確定被物體在光學(xué)反射鏡為原點(diǎn)的三維直角坐標(biāo)系的中的三維坐標(biāo)，從而得到物體表面的三維坐標(biāo)。所得物體表面三維坐標(biāo)和圖像后，通過計(jì)算機(jī)軟件包處理，可以生成物體三維模型，三維模型顯示有兩種方式，一是立體景觀，二是利用虛擬技術(shù)生成，通過立體觀察裝置可以觀察到真實(shí)的立體模型。如圖1所示。
實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案是采用高精度激光測距儀、CCD數(shù)字相機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及其控制單元和計(jì)算機(jī)有機(jī)的構(gòu)成一個(gè)裝置。其連接圖見圖2所示。實(shí)例連接圖見圖3所示。
在本實(shí)例連接圖中，激光測距儀采用瑞士Leica的DISTO手持式激光測距儀；光學(xué)反射鏡是一個(gè)平面鏡；CCD數(shù)字相機(jī)采用日本的INDOORPAN/TILT相機(jī)；步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器采用北京斯達(dá)特機(jī)電科技發(fā)展有限公司的90BC340CH型號步進(jìn)電機(jī)，配套驅(qū)動器為SH-3F090M，其他控制和讀數(shù)裝置自研。
本裝置中的光學(xué)反射平面鏡x-y轉(zhuǎn)動軸結(jié)構(gòu)示意圖見圖6，其中水平旋轉(zhuǎn)軸3被活動固定于基座4上，由圖中未示出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，完成水平旋轉(zhuǎn)。在水平旋轉(zhuǎn)軸3上活動固定有垂直旋轉(zhuǎn)軸2，該垂直旋轉(zhuǎn)軸2同樣被另一個(gè)圖中未示出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，完成垂直旋轉(zhuǎn)。光學(xué)反射鏡1通過連接架與垂直旋轉(zhuǎn)軸2聯(lián)接，并與其同步旋轉(zhuǎn)。本實(shí)施例僅給出一個(gè)完成本實(shí)用新型所述x-y旋轉(zhuǎn)的最為簡單的一個(gè)裝置，在實(shí)際使用中不排除使用其它的具有x-y方向旋轉(zhuǎn)的控制單元。本x-y方向旋轉(zhuǎn)控制單元的掃描角度在40°×40°范圍之內(nèi)，速度可以達(dá)到平均一秒鐘80個(gè)點(diǎn)。
本裝置所連接的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)要求如下(1)計(jì)算機(jī)芯片Intel Pentium III，主頻不低于800MHz；內(nèi)存不小于256MB；硬盤不小于60GB，最好不小于30GB；CD-ROM48倍速；彩顯不小于17“，在1024*768，24bit模式下，垂直刷新頻率≥100Hz(最好達(dá)到120Hz)；圖形卡顯存64MB，支持≥100Hz的垂直刷新頻率(在1024*768，24bit顯示模式下最好支持120Hz)；鍵盤、鼠標(biāo)器等。
(2)立體觀察設(shè)備對立體觀察設(shè)備的基本要求如下a.要求立體觀察無閃爍，為此要求刷新頻率應(yīng)達(dá)到100Hz，最好能達(dá)到120Hz；b.能適用于彩色影像，但此時(shí)觀察范圍可以縮??；c.能進(jìn)行縮、放觀察。
d.主動式立體觀察子系統(tǒng)由彩顯(不小于17“，在1024*768，24bit顯示模式下，垂直刷新頻率≥100Hz)，紅外發(fā)射器、偏振和同步控制適配器，主動式液晶眼鏡，圖形卡(顯存64MB，在1024*768，24 bit顯示模式下，垂直刷新頻率≥100Hz，最好達(dá)到120Hz)以及驅(qū)動軟件組成；當(dāng)用有線方式作業(yè)時(shí)不用紅外發(fā)射、接收部件；本裝置所連接的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)包括(1)光測距數(shù)據(jù)獲取軟件接口軟件包。
激光測距數(shù)據(jù)獲取軟件接口軟件包主要是保證激光器與計(jì)算機(jī)軟硬件之間的通訊。
(2)維坐標(biāo)生成軟件包三維坐標(biāo)生成軟件包是根據(jù)所測到的物體與光學(xué)反射鏡的距離和步進(jìn)電機(jī)在水平方向和垂直方向的步進(jìn)角度就可確定被物體在光學(xué)反射鏡為原點(diǎn)的三維直角坐標(biāo)系的中的三維坐標(biāo)，從而得到物體表面的三維坐標(biāo)的軟件。
(3)立體模型自動生成軟件包。
立體模型自動生成軟件包是系統(tǒng)的關(guān)鍵，它是把獲取的三維數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成三維物體模型。
(4)圖像處理軟件系統(tǒng)的研制。
圖像處理軟件系統(tǒng)是處理有CCD數(shù)字相機(jī)獲取的所測物體的圖象的圖象。并進(jìn)行圖像處理，以便與立體模型自動生成軟件包配套。
權(quán)利要求1.一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置，其特征在于本裝置包括一個(gè)高精度實(shí)時(shí)三維激光掃描測距裝置、一個(gè)光學(xué)反射系統(tǒng)、一個(gè)由步進(jìn)電機(jī)自動控制光學(xué)反射系統(tǒng)按水平方向和垂直方向連續(xù)轉(zhuǎn)動的控制單元和CCD數(shù)字相機(jī)；所述三維激光掃描測距裝置、光學(xué)反射系統(tǒng)和物體被掃描點(diǎn)的相互位置關(guān)系構(gòu)成激光束的入射、反射光路；所述光學(xué)反射系統(tǒng)通過一個(gè)x-y坐標(biāo)轉(zhuǎn)動軸分別與對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)接；所述步進(jìn)電機(jī)通過驅(qū)動器與計(jì)算機(jī)的控制端相連接；所述三維激光掃描測距裝置的數(shù)據(jù)輸入端與計(jì)算機(jī)的RS232端口相連接；所述CCD數(shù)字相機(jī)通過讀數(shù)卡與計(jì)算機(jī)USB口相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置，其特征在于所述光學(xué)反射系統(tǒng)是一個(gè)平面鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置，其特征在于所述激光測距儀與計(jì)算機(jī)的RS232通訊口相連接。
4.如權(quán)利要求1所述的一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置，其特征在于所述x-y坐標(biāo)轉(zhuǎn)動軸是x方向轉(zhuǎn)動軸和y方向轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接組成，掃描角度在40°×40°。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種激光掃描獲取近距離物體表面三維數(shù)據(jù)的測量裝置。本裝置包括一個(gè)高精度實(shí)時(shí)三維激光掃描測距裝置、一個(gè)光學(xué)反射系統(tǒng)、一個(gè)由步進(jìn)電機(jī)自動控制光學(xué)反射系統(tǒng)按水平和垂直方向連續(xù)轉(zhuǎn)動的控制單元和CCD數(shù)字相機(jī)。所述三維激光掃描測距裝置、CCD數(shù)字相機(jī)與一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接。本裝置具有超高速測量、無須重復(fù)、免去繁瑣的測量準(zhǔn)備工序和快速建模，高質(zhì)量成像的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01C3/00GK2650064SQ0327575
公開日2004年10月20日 申請日期2003年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月15日
發(fā)明者陳向?qū)? 黃野, 張韶華 申請人:陳向?qū)? 黃野