针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法及设备

本发明涉及高精度球形标靶点云获取，具体涉及一种针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正技术方案。

背景技术：

1、地面三维激光测量是一种先进的高精度立体测量技术，也被称为实景复刻技术，广泛应用于文物保护、灾害监测、三维重建、大型工程测量等任务中。其测量的原始数据被称为点云，是被测物体表面许多离散测量点的集合。地面三维激光扫描仪因其测量原理可分为相位式和脉冲式。脉冲式激光扫描仪采用脉冲式激光源，利用脉冲飞行时间差测距，适用于大场景的自动测量，其中确认脉冲式激光回波信号时间直接决定激光测量的准确度。现有研究证实了目标形状和激光光斑大小都会影响激光回波信号。在脉冲激光雷达的测距中，传统测距方法包括前缘判别法(leading edge discrimination,led)、恒分数判别法(constant fraction discrimination,cfd)和峰值判别法(peak discrimination,pd)。高斯拟合法和重心法是最常用的峰值判别法，广泛应用于确认地面三维激光扫描仪的回波峰值时刻。然而，目标表面的几何特性会导致波形幅度和宽度的变化，从而影响实际测距结果。

2、球形标靶是一种特殊标靶。因其具有旋转不变性，不需要重新定向，可获得更高的特征点精度，常作为大场景点云实现高精度配准的特征基元。激光扫描标靶得到球形标靶表面的点云，利用球拟合算法解算标靶中心的坐标作为特征。目前，常用最小二乘法(ls)、ransac、esphere等方法解算球参数(中心坐标和半径)。然而，实际测量中标靶表面点云不仅包含粗差，而且标靶点云本身具有测量误差。这些测量误差由激光回波时间测量方法、光斑能量分布、标靶表面几何特征共同影响。

3、综上所述，以往的研究主要集中在对现有标靶点云的拟合方法，而标靶的原始点云也具有一定的测量误差。此外，标靶几何特征和激光能量分布都会共同影响回波。因此，本发明提出一种针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正技术方案，建立有效的标靶点云三维校正模型是高精度拟合标靶中心的关键。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提出一种针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法。旨在校正球形标靶表面点云的位置，获得精确的标靶点云，进而拟合出更为精确的标靶中心，提高大场景点云间的配准精度。

2、为了实现上述目的，本发明提出的技术方案提供一种针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法，基于激光光斑的强度分布和激光光斑在球形标靶附着面的几何分布特征，建立球形标靶点云校正模型，根据球形标靶点云校正模型实现校正；建立球形标靶点云校正模型时，依据脉冲式激光测量原理，分析激光在标靶表面的分布特征，构建激光光斑与球形标靶的空间几何关系，设置光斑的二维栅格化方式为将光斑沿径向和环向两个方向等角度栅格化为多个子光斑，相应建立子光斑的统一测距方程，并对每个子光斑的测距值赋予满足二维高斯分布特征的权值，以积分累加的方式建立球形标靶点云校正模型。

3、而且，根据球形标靶点云校正模型实现校正时，实现过程包括以下处理，

4、预处理，包括由标靶点云计算标靶中心在扫描坐标系下的距离和方位角；将扫描坐标系下标靶边缘的向量与标靶中心的向量之间的夹角作为极限测量角；

5、选取标靶点云中的单个激光点进行处理，首先计算光斑坐标系与扫描坐标系之间的三个欧拉角，并进行光斑栅格化处理，包括将一束激光沿着径向和环向划分为多个子光斑，计算子光斑与激光测量距离tc之间的夹角，并将该夹角与极限测量角做差，若小于0则子光斑参与计算，反之则不参与计算；根据激光的能量分布特征计算每个子光斑的权值，再计算该束激光的理论测距值；然后计算激光中心的测距值，计算该激光点的测距改正数，若测距改正数为负数则该点保留，反之删除该点；之后，对实际测距值进行改正，进而得到校正后的激光点坐标；

6、对标靶表面的所有激光点执行上述处理，输出所得新的标靶点云集合。

7、而且，预处理时，以所有点方位角的平均值作为标靶中心的方位角，以点云测距值的最小值与标靶的设计半径之和作为标靶中心在扫描坐标系下的距离。

8、而且，设光斑内任意一点p的位置表示为(α,β)，其中β∈[0,360°]，为半发散角，采用以下高斯分布函数，根据激光的能量分布特征计算每个子光斑的权值，

9、

10、其中，p(α,β)为子光斑的相对能量权函数。

11、而且，记激光出射点为t，球心为o，激光出射点与球心的连线与球面交于c，激光光斑中心与标靶的交点为s，p为在光斑内标靶表面的任意一点，标靶的半径为r，激光测量距离tc长度为l，st与ct的夹角为θ，pt与ct的夹角为θp，so与co的夹角为ω，令st＝ds，根据下式计算激光中心的测距值，

12、

13、而且，根据以下校正模型计算该束激光的理论测距值，

14、

15、其中，ds为理论上激光测距值。

16、而且，由下式计算该点的测距改正数，

17、d＝dr+(ds-ds)

18、其中，d为校正后的测距值，dr为激光实际测距值。

19、另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法。

20、另一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法。

21、另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法。

22、与现有技术相比，本发明具体有如下区别和有益效果：

23、1.从理论上分析了球形标靶表面几何特征对点云测量精度的影响，直观地了解标靶的几何特征和光斑分布对测距误差的影响机理；

24、2.提出单个激光光斑二维栅格化划分成多个子光斑的方法，推导出每个子光斑统一测距方程的具体表达式，利用积分累加的方式建立球形标靶表面实际测量点云的改正方程；

25、3.提出一种针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法，根据每个光斑的在标靶表面的分布特征和在扫描坐标系中的方位计算出该点云的测距改正值，得到更精确的标靶点云。该方法以几何推导的方式建立标靶点云的校正模型，提高了标靶点云的准确度，便于拟合出更精确的标靶中心。

26、本发明方案实施简单方便，实用性强，解决了相关技术存在的实用性低及实际应用不便的问题，能够提高用户体验，具有重要的市场价值。

1.一种针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法，其特征在于：基于激光光斑的强度分布和激光光斑在球形标靶附着面的几何分布特征，建立球形标靶点云校正模型，根据球形标靶点云校正模型实现校正；建立球形标靶点云校正模型时，依据脉冲式激光测量原理，分析激光在标靶表面的分布特征，构建激光光斑与球形标靶的空间几何关系，设置光斑的二维栅格化方式为将光斑沿径向和环向两个方向等角度栅格化为多个子光斑，相应建立子光斑的统一测距方程，并对每个子光斑的测距值赋予满足二维高斯分布特征的权值，以积分累加的方式建立球形标靶点云校正模型。

2.根据权利要求1所述针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法，其特征在于：根据球形标靶点云校正模型实现校正时，实现过程包括以下处理，

3.根据权利要求2所述针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法，其特征在于：预处理时，以所有点方位角的平均值作为标靶中心的方位角，以点云测距值的最小值与标靶的设计半径之和作为标靶中心在扫描坐标系下的距离。

4.根据权利要求2所述针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法，其特征在于：设光斑内任意一点p的位置表示为(α,β)，其中β∈[0,360°]，为半发散角，采用以下高斯分布函数，根据激光的能量分布特征计算每个子光斑的权值，

5.根据权利要求4所述针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法，其特征在于：记激光出射点为t，球心为o，激光出射点与球心的连线与球面交于c，激光光斑中心与标靶的交点为s，p为在光斑内标靶表面的任意一点，标靶的半径为r，激光测量距离tc长度为l，st与ct的夹角为θ，pt与ct的夹角为θp，so与co的夹角为ω，令st＝ds，根据下式计算激光中心的测距值，

6.根据权利要求5所述针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法，其特征在于：根据以下校正模型计算该束激光的理论测距值，

7.根据权利要求6所述针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法，其特征在于：由下式计算该点的测距改正数，

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述针对脉冲式激光扫描的球形标靶点云校正方法。