一種三維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種數(shù)據(jù)濾波方法，特別是一種Ξ維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，為實 時在線Ξ維掃描檢測的研究和開發(fā)提供了必要條件，屬于數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 理論上說，任何電子線路都有電路噪聲，如電阻的熱噪聲、晶體Ξ極管的噪聲等， 通常來講，運類噪聲都非常弱，但由于Ξ維激光掃描儀是基于激光測距的方式進行測量，信 號的計時精度達(dá)到皮秒（l-12e秒）級，因此mv級的噪聲引入都會對最終信號的獲取產(chǎn)生較 大影響。在常規(guī)激光測距中，可W采用多次平均法進行濾除相關(guān)噪聲，如激光測距機中，一 般測距機的激光頻率為20hz，測距能力是2秒測量一個點，運樣可W通過近40組測量數(shù)據(jù)進 行相關(guān)噪聲的濾除，而在Ξ維激光掃描儀的測距中，激光的發(fā)射頻率通常都為lOOkhzW上， 且掃描的過程中機器的發(fā)射接收部分是不停的旋轉(zhuǎn)，W實現(xiàn)掃描的過程，因此每次測距的 過程只能進行一次，運樣的工作原理決定了不可W傳統(tǒng)的多次測量計算均值的方式進行濾 波處理。
[0003]為了克服運一難題，國內(nèi)外學(xué)者們提出了多種基于點云模型的光順去噪算法，由 于Ξ維激光掃描儀獲取的最終數(shù)據(jù)是點云，類似于一種具有空間信息的照片，因此運些算 法大多是來自圖像去噪和網(wǎng)格光順?biāo)惴?，運一類算法大都是根據(jù)特征保持進行優(yōu)化(具體 參考杜小燕，姜曉峰，吳傳剛等，點云模型的雙邊濾波去噪算法，計算機應(yīng)用與軟件， Vol.27No.7jul2010)，如基于Laplacian算子的方法、基于最優(yōu)化的方法和簡單的非迭代 方法。Laplacian光順方法，可看作是通過擴散模型中的高頻幾何信息來達(dá)到光順的目的， 但因其是各向同性的，當(dāng)?shù)啻魏髸霈F(xiàn)頂點漂移W及特征磨損的情況;基于光滑曲面 擬合的算法（具體參考化enB，LeeSJ，BasuS.CachingStrategiesinTranscoding-EnabledProxySystemsforStreamingMediaDistributionNetworks[J].IEEE TransactionsOnMultimedia,2004,6(2) :375-386),其中移動最小二乘曲面(MLS)擬合算 法，是將點移動到局部擬合的MLS曲面上來達(dá)到光順去噪的效果。
[0004] 上述諸類算法的主要是基于重建掃描對象的幾何特征的方式進行濾波，主要特點 是可W根據(jù)幾何特征的特點濾除掉各類噪聲，但是其問題在于采用運種方式進行濾波處 理，無法實現(xiàn)實時處理，必須待所有數(shù)據(jù)掃描完成后，再根據(jù)其空間位置關(guān)系計算法向、高 斯曲率等信息，系統(tǒng)占用資源高，無法面向?qū)崟r應(yīng)用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種Ξ維激光掃描儀數(shù) 據(jù)濾波方法，通過實際激光信號與理想激光信號作差獲取噪聲信號，并對噪聲信號進行分 類和特征提取，利用提取的噪聲特征設(shè)計一個噪聲濾波器，并利用預(yù)設(shè)的闊值確定所設(shè)計 的噪聲濾波器是否合理，改變激光信號的強度產(chǎn)生一系列噪聲濾波器，最后從一系列噪聲 濾波器中選取最優(yōu)的噪聲濾波器作為最終的濾波器進行數(shù)據(jù)濾波，本發(fā)明中的方法實現(xiàn)了 Ξ維激光掃描儀在數(shù)據(jù)高速采集過程中，對影響精度的電子類等噪聲的濾除，提高了Ξ維 激光掃描儀的測距精度，且可W實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時濾波，最大程度上滿足了Ξ維激光掃描儀 數(shù)據(jù)濾波的需求。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種Ξ維激光掃描儀數(shù)據(jù)濾波方法，步驟如下：
[0007] (1)利用Ξ維激光掃描儀的信號源產(chǎn)生一個恒定的激光信號，該激光信號通過光 電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，并經(jīng)過放大和整形后，采用高頻設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，計算出距離 信息進行保存；
[000引（2)模擬出一個理想數(shù)字信號作為預(yù)設(shè)信號，利用該預(yù)設(shè)信號計算預(yù)設(shè)距離信息， 并將預(yù)設(shè)距離信息與步驟(1)保存的距離信息進行作差運算，獲得距離信息差值；
[0009] (3)利用步驟(2)中的距離信息差值和數(shù)據(jù)頻率采用均值聚類計算出電路噪聲的 特征信息，所述電路噪聲的特征信息包括噪聲頻率和噪聲強度；
[0010] (4)根據(jù)步驟(3)中的電路噪聲特征信息，設(shè)計一個噪聲濾波器；
[0011] (5)利用步驟(4)設(shè)計的噪聲濾波器對步驟(1)中的數(shù)字信號進行濾波后計算距離 信息，并與步驟(2)中的預(yù)設(shè)距離信息作差;若差值大于預(yù)設(shè)的闊值，則返回步驟(3)，重新 計算特征信息;否則，進入步驟(6);
[0012] (6)保持步驟（1)中信號源頻率不變，改變激光信號的強度，重復(fù)步驟（1)~步驟 (5);
[0013] (7)重復(fù)步驟(1)~步驟(6)Ν次，選擇濾波后數(shù)學(xué)信號計算得到的距離信息與預(yù)設(shè) 距離信息之間差值最小時對應(yīng)的噪聲濾波器為最終的噪聲濾波器，利用該噪聲濾波器對Ξ 維激光掃描儀數(shù)據(jù)進行濾波。
[0014] 所述激光掃描儀為脈沖式激光掃描儀。
[0015] 所述均值聚類為Κ均值聚類。
[0016] 所述的脈沖式激光測距儀的激光重復(fù)頻率大于等于5Ifflz。
[0017] 所述計算距離信息和預(yù)設(shè)距離信息的方法具體為:首先通過高頻時鐘忍片測量出 信號的飛行時間，然后利用飛行時間計算出距離信息和預(yù)設(shè)距離信息。
[0018]所述噪聲濾波器為己特沃斯低通噪聲濾波器。
[0019]所述步驟(5)中的闊值為距離精度均方差的3倍。
[0020] 所述步驟(4)中根據(jù)步驟(3)中的電路噪聲特征信息，設(shè)計一個噪聲濾波器;具體 為：
[0021] (4-1)給出己特沃斯低通噪聲濾波器的表達(dá)式，具體由公式：
[0022]
[0023] 給出，其中，Ha(jA)為信號幅度，N為濾波器的階數(shù)，且為整數(shù);C為一個常數(shù)參數(shù);λ 為頻率；
[0024] (4-2)根據(jù)步驟(3)中的電路噪聲特征信息，確定通帶截止頻率和阻帶起始頻率， 并對通帶截止頻率和阻帶起始頻率進行歸一化；
[0025] (4-3)利用歸一化后的通帶截止頻率和阻帶起始頻率，W及預(yù)先給定的通帶衰減 和阻帶衰減，計算己特沃斯低通噪聲濾波器表達(dá)式中的C和Ν，從而確定己特沃斯低通噪聲 濾波器。
[0026] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0027] (1)本方法通過對比電路噪聲與信號信息的差異的方式，實現(xiàn)了Ξ維激光掃描儀 在數(shù)據(jù)高速采集過程中，對影響精度的電子類等噪聲的濾除，提高了Ξ維激光掃描儀的測 距精度。
[0028] (2)本方法實現(xiàn)了掃描數(shù)據(jù)的實時處理濾波，降低了激光點云數(shù)據(jù)后處理的難度， 可W滿足實時測量過程中去噪的需求。
【附圖說明】
[0029] 圖1為信號傳遞流程圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明噪聲信息計算流程圖；
[0031 ]圖3為本發(fā)明測試效果圖；
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行進一步的詳細(xì)描述。
[0033] 如圖1所示，Ξ維激光掃描儀測距信息的獲取方法是:首先由激光器產(chǎn)生一個固定 頻率、固定強度的激光脈沖信號，該信號經(jīng)過反射鏡后達(dá)到物體的表面;物體表面產(chǎn)生的漫 反射信號再經(jīng)過反射鏡發(fā)射后到達(dá)光電探測器，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，由于接收到 的漫反射光非常微弱，轉(zhuǎn)化后的電信號必須經(jīng)過放大器放大后才能由整形板整形成數(shù)字電 路可W接收處理的信號。
[0034] 在信號的傳遞過程中，光電轉(zhuǎn)換模塊、放大電路模塊、整形電路模塊、W及數(shù)字電 路的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等都會引入噪聲到測距信號，為了便于處理，統(tǒng)一將其歸為電磁類噪聲， 其類型的分析為如下：
[0035] 1)電阻的熱噪聲：電阻由導(dǎo)體等材料組成，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在一定的溫度下總 是處于"無規(guī)則"的熱運動狀態(tài)，運種熱運動的方向和速度都是隨機的。自由電子的熱騷動 在導(dǎo)體內(nèi)形成非常弱的電流。電阻熱噪聲作為一種起伏噪聲，具有極寬的頻譜，從零頻一直 延伸到10-13HzW上的頻率，而且它的各個頻率分量的強度是相等的。
[0036] 2)晶體Ξ極管的噪聲：晶體Ξ極管的噪聲往往比電阻熱噪聲強得多，在晶體Ξ極 管中，除了其中某些分布，如基極電阻rbb/會產(chǎn)生熱噪聲外，還有散彈(粒)噪聲、分配噪聲、 閃爍噪聲、唱效應(yīng)管噪聲等。由于該噪聲種類繁多，經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，概率噪聲的頻率從10 ~100m下均有分布，但是不同頻率的大小差異較大。
[0037] 各噪聲源是互相獨立時，則總的噪聲符合均分方疊加的原則。疊加后的噪聲最終 匯入到測