第一章绪论
1.1研究背景和意义
伴随经济以及科技的持续向前发展，在信息化浪潮席卷全球的背景下，信息意味着财富。人们获取信息的丰富程度也逐渐由简入繁。例如现代画家也通过采用透视、阴影、远近变化和色调等来体现立体感，让观赏者体验到更强烈的视觉冲击，甚至有身临其境的感受。由于用三维图形来表达各种信息时，其信息量比二维图像更大，且在维度和色彩上更加直观方便，更符合人们观察了解事物的习惯和思维，所以三维彩色成像在更好更直观地协助人们了解事物信息上，具有比二维彩色图像以及灰度三维模型更强的优势。如果我们能够通过釆用不断进步的技术，模拟和再现我们眼睛所观察到的二维图像，通过信息融合来呈现立体感，那我们将可以将其应用在很多领域来传达更具体更丰富的信息，例如医学、军事、教育等。随着激光技术、自动化控制技术和计算机技术的不断发展，采用激光扫描、结合彩色纹理融合的方式，重塑三维彩色成像，具有很大的应用价值，例如应用在虚拟现实环境的产生，逆向工程中的模型重建等。虚拟现实[1]指依托现有先进的计算机技术和相关科学技术，在真实环境的基础上，创造一个虚拟的数字化环境的对象，这个对象可以由三维空间、色彩、声音、振动等组成，如此一来，人们可以通过外置的必要设备与这个数字化虚拟环境相互作用，相互影响。虚拟现实的发展可以追朔到1929年模拟器的诞生：Link E.A.发明了一种飞行模拟器，能够让乘坐的体验者感受到飞行的真实体验。其后随着控制技术的发展，各种仿真模拟器不断诞生；1956年，HeilegM.推出Sensorama，它是一个摩托仿真器，能够显示三维场景以及具有立体声效果，并能根据环境产生振动感；1965年，研宄计算机图形学的Sutherland博士从计算机显示和人机交互的角度提出了模拟现实世界的思想，对于计算机图形、图像技术的发展和人机交互设备的研宄起到了很大的推动作用；1973年KruegerM.提出了早期的虚拟现实的概念，但是由于计算机技术制约，至此虚拟现实只是出于酝酿阶段。
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1.2研究的问题和内容
激光脉冲测距具有测量速度快并且精度较高的优势，配合偏转振镜的控制，使得该激光脉冲测距具有连续快速精准的由点测量转向面扫描的特点，弥补了激光脉冲测距单点测量的不足，并且为扫描目标物体的全部点云数据提供了基础，这也为三维彩色成像系统的设计与实现提供了充分的准备，使得重建目标物体的三维彩色模型成为可能。按照三维彩色成像系统设计与实现的顺序层次上的不同，本设计与实现的研究可以分为4类：激光测距技术，彩色图像技术，数据处理融合技术以及软件控制技术。激光测距按照其测量原理，可以分为激光脉冲测距，激光相位测距等，不同的测量方法，具有不同的测量速度和测量精度，更重要的是，针对不同的测量方法，我们需要采用不同的电路设计，提供不同的内部接口和编写不同的计算方法。通过研究激光测量技术，将会使得我们在整个系统设计时能够通过采取正确的方法，去调整相应参数并达到点云测量的最优结果。
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第二章基于激光測距的三维彩色成像相关技术研究
2.1引言
激光具有良好的性能，凭借其高亮度、单色性好、方向性强等特点[14]，使其在出现后，就被广泛地应用在测距技术中，因为与超声波测距和射频电磁波测距等传统测距方法相比，激光测距具有出色的抵抗电磁波干扰的能力，这种优势在长距离探测时更为明显。通过有序多点地釆用激光测距技术，我们将获得目标物体的轮廓相关的三维空间点云数据，但遗憾的是这个点云数据不能反映出物体的彩色纹理信息，我们将通过匹配二维图像与三维点云的方式弥补激光测距扫描的这一不足，并采用软件技术设计并实现这个成像系统。
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2.2激光测距
激光测距是指采用通过向目标物体发射窄脉宽的激光脉冲或连续波激光束，以测量与物体间距离的测量技术。根据测量过程的不同，激光测距的主要方法大致为脉冲测距法，相位测距法，干涉法，激光三角测距等。
2.2.1激光测距实现的基本原理
按照组成部分划分，我们可以将激光测距仪分成3部分[16]:激光发射组件、激光接收组件和电源。实现激光测距的大致流程为：通过使用脉冲激光器对准目标物体，向其发射激光脉冲或者激光脉冲束，在发射测量激光的时候同时启动计时器或计数器，记录从向目标发射激光脉冲起，到激光脉冲到达目标并且折返至激光接收器的总往返时间，利用激光脉冲的波长、相位等参数来计 .算距离。将激光测距的过程细化，其工作的流程会涉及到激光发射器，激光电源，激光发射光学系统，激光接收光学系统，计数器等，在测量与目标物体之间的距离时，首先瞄准目标，在接通电源之后启动发射激光器，使其通过激光发射系统向目标发射激光脉冲信号。在发射激光脉冲信号发出的同时，向计数器发送同步信号作为其幵始计数的开门脉冲信号，钟频振荡器此后持续向计数器输入钟频脉冲，而之后激光器发射的激光脉冲在经过大气传输，到达目标物体并且返回，经过接收光学系统的光电探测器并向计数器发送一个脉冲信号，作为计数器的关门信号，至此计数器停止记录的计数工作。利用计数器从开门到关门期间的钟频脉冲个数，结合激光脉冲的波长、相位等特性信息，通过计算后完成激光测距工作并最后返回距离值。在激光测距元件中，激光器作为其中最核心的器件，其制作工艺、运行环境、抗干扰性甚至成本以及体积大小等，都成为我们在利用激光测距选型时考虑的重要因素。简单地看激光器从产生至今的发展，出现了各式各样的激光器，从初期的第一代红宝石激光器，到第二代Nd:YAG激光器，再到如今的以银玻璃激光器为代表的对人眼安全的三代激光器，其因为采用实现介质的不同以及产生激光波长的不同特性，有各自的优势和缺陷。而半导体激光器由于体积小、耗能低、结构简单、能长时间使用、调制简单且价格较低等优势，成为了一种极有潜力的光源。
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第三章成像系统关键技术及设计与实现.......... 24
3. 1 引言.......... 24
3.2系统元件选型.......... 25
3. 3 系统设计.......... 27
3.3.1三维彩色成像设计整体框架.......... 29
3.3.2三维彩色成像设计软件流程.......... 30
3.4激光测距相关技术.......... 31
3.5关键软件处理模块设计 ..........40
3.6 本章小结.......... 46
第四章三维成像系统实现与测试.......... 47
4.1 引言.......... 47
4.2成像测试结果 ..........47
4.3成像结果分析.......... 49
4.4 本章小结.......... 50
第五章总结和展望.......... 52
5. 1 论文总结.......... 52
5.2 工作展望.......... 52
第四章三维成像系统实现与测试
4.1引言
基于激光测距的三维彩色成像系统设计与实现，具有重建扫描目标的三维彩色模型的效果，结合图形库工具OpenGL的成像显示功能，能够将融合好的点云数据和RGB彩色信息对应地呈现在计算机上，并具有交互效果。
4.2成像测试结果
连接好脉冲激光测距仪、扫描振镜、CCD摄像机和计算机，如图4-1,根据激光偏转控制的±5°范围特性，调整好扫描距离和方位，对准扫描目标，启动电源和主控软件，开始对目标物体进行激光测距扫描和BMP图像获取。对于主控软件操作界面如图4-2。图中左边黑色区域为调用的OpenGL图形库显示成像的显示区域，可以实现对三维模型的旋转、缩放等操作，右边为硬件工作的控制区域，包括对扫描目标分辨率参数的设置、开始扫描操作、数据库读取和存储等操作。由于点云数据读取方式是刚好取了与原图相反的方向，所以看到的两个图刚好有一个翻转的效果。至此，激光测距仪在扫描振镜配合下，己经完成了三维点云数据扫描，但是它本身由于缺乏彩色纹理数据，所以在OpenGL中成像时是一种灰度图像效果。本文采用标定方式，提取了 CCD摄像机获取的BMP图像的彩色RGB信息，将其对点云进行着色渲染操作，渲染结果如图4-4。图中左上为CCD的BMP图像实物图，右上为同一个视角下的三维彩色渲染图，左下对三维彩色模型做了一个角度旋转的视角，右下则经过放大一点后看到的彩色点云。
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总结
本文内容是在激光测距技术飞速发展并被应用于各个领域的背景下，对国内外激光测距技术应用调研基础上，结合项目开展需要进行基于激光测距的三维彩色成像的设计和实现的。本文首先简单地对与本文相关的技术背景和研宄意义进行了充分地调研和分析，三维激光测距技术应用于模型重建，重建后的三维物体轮廓能够更符合信息传递的要求，也更能应用于工业设计等其他领域。结合脉冲激光测距技术，我们能够测量目标物体上某一个点的距离值，基于此思想本文将通过逐点有序扫描目标物体距离值的方式获取目标物体点云，并结合图像的彩色纹理信息融合，最后能够呈现三维的彩色成像，这是本文的设计和实现目标。其次本文介绍了激光测距的几种实现方法，重点介绍了脉冲激光测距和相位测距两种方法实现的原理，并分析了激光测距采用的实现元件，以及激光测距与点云形成之间的关系。再者介绍了彩色数字图像文件的格式及其文件的组织方式，进而解析了 BMP格式图片的构成。在激光测距获取点云和BMP图像携带了彩色RGB信息之后，将数据融合的概念引出，并分析了点云噪声的概念和点云去噪的几种方法。最后重点介绍本系统设计和实现的步骤和关键模块。在本成像系统中，首先将VisualC++、OpenGL、激光测距仪、扫描振镜、CCD摄像机等构成元素一一做了说明介绍，其次将系统元素间如何形成整体的框架详细进行了分析，也详细分析了系统控制软件实现的构成单元和流程，本文中激光测距仪与PC之间的通信依靠WinAPI接口实现串口通信，配合扫描振镜对目标物体进行±5°范围扫描，利用扫描振镜对激光发射水平、垂直角度的控制获得格式为"距离-水平角度-垂直角度”的点云?数据。这为我们对点云数据与RGB数据融合提供了基础。在论文最后将系统设计和实现的结果进行了展示和分析，发现融合效果还是可以的，而且本文采用的点云去噪算法，具有较好的去噪平滑效果，弥补了点云数据因为存在噪声而测量不准的情况。
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参考文献（略）