系統流程

本文使用了一組高精度的雷射掃瞄儀Velodyne HDL-64E配合ICP演算法進行 重建。由掃瞄儀獲得資料，經過處理後成為標準單圈資料。再交由ICP演算法進行 對齊校正，並最終完成大型物件重建。圖 4.1-1為系統流程圖，以下小節對各步驟 分別進行介紹。

圖 4.1-1 實驗架構流程圖

4.1.1 Velodyne HDL-64E 雷射掃瞄儀

本文使用的掃瞄儀為Velodyne HDL-64E(圖 4.1-2)，是一具高精度的雷射掃瞄 儀。具有 4 組雷射陣列，每組各 16 個雷射發射頭以及 16 個接收器，共 64 組發射 頭與接收器。自動水平 360 度旋轉掃瞄蒐集環場距離資訊，下列為儀器基本參數 規格：

圖 4.1-2 Velodyne HDL-64E 雷射掃瞄儀

 水平可視角度 360 度。

 垂直可視角度 26.8 度。

 最長有效測量距離 120m，和反射體表面有關。

 最短可有效測量距離 0.9m。

 誤差範圍＜2cm。

 旋轉速度 600 RPM，每秒 10 圈。

 儀器體積：長 223.5mm ×寬 231.1mm ×高 257.3mm。

我們將掃瞄儀設置在穩固的移動式腳架上並慢速步行推進，使其對週遭環境 進行掃瞄，以獲得不同位置掃瞄所得的資料。如圖 4-3 所示，黑色與紅色分別為兩 個位置所獲得的資料，藍色線條為移動路徑。慢速步行前進速度不超過每秒鐘 1 公尺，配合掃瞄儀每秒 10 圈的快速轉動掃瞄，擷取周遭環境詳細資料。

圖 4.1-3 實驗設備全圖

圖 4.1-4 移動以取得周遭景物資料

4.1.2 實驗環境

為了測試系統的強健度，本文實驗以兩個各具特色的場景為實驗樣本。一個 是筆直的法學院長廊(圖 4.1-5、圖 4.1-6)，此場景資料量大而密集，擁有眾多的直 角與平面，一側為教室牆面和窗戶，另一側則是矮護牆與直柱，兩柱間隔為 3.6576m(12ft)。

圖 4.1-5 法學院長廊

圖 4.1-6 法學院長廊

另一場景為法學院前廣場(圖 4.1-7、圖 4.1-8)，為緊鄰道路的半圓形廣場，半 徑約為 25m，場景開放而平坦，周圍有建築物及樹木環繞。

圖 4.1-7 法學院前廣場

圖 4.1-8 法學院前廣場

4.1.3 轉換掃瞄儀網路封包

掃瞄儀原始資料為網路封包，其封包格式如圖 4.1-9，我們須將其轉換為三維 空間的點雲資料。首先根據掃瞄儀的校正參數(讀取頭角度)，將封包中每個雷射讀 取頭的距離資訊轉換成三維座標。再依照當時的角度旋轉排列到以掃瞄儀為中心 的三維空間中，並且以 360 度一圈為單位進行切割。所得即為以一圈為單位，掃 瞄儀為中心的三維點雲資料。

圖 4.1-9 Velodyne 雷射掃瞄儀原始資料封包

4.1.4 近遠點刪除與環狀干擾

掃瞄儀的最短有效距離是 0.9 公尺，因此將近點當作雜訊刪除是必要的。另一 個必須刪除近點的原因，我們稱之為環狀干擾。掃瞄儀在 360 度旋轉後所掃瞄到 的地板以及天花板部分，將會出現一圈圈整齊的環狀資料(圖 4.1-10)，此密集且規 則排列的資料將會非常顯著的影響ICP的對齊。不幸的是在大多情況下地板或天花 板是沒有特徵的平面，因此這些環狀資料並不具價值，僅會造成ICP對齊的偏差，

我們需將其移除以避免干擾。

圖 4.1-10 環狀干擾：以掃瞄儀為中心，在無特徵的平面上掃瞄 產生的密集環狀資料，圖中藍色圓點為掃瞄儀位置

依據掃瞄儀的規格，掃瞄距離最遠為 120m，並且可能受物體的表面材質影響。

加上遠點通常為瑣碎，價值較低的小量資料，根據場景不同，通常將遠點刪除距 離定為 80~100m左右，若大於此距離即判定為遠點刪除。原始資料刪除近點遠點 後，即為實驗對齊所使用的的標準單圈資料(圖 4.1-11)，我們將其依序放入ICP迴 圈中進行對齊。

圖 4.1-11 刪除進遠點：紅色為刪除的部分

4.1.5 ICP對齊與前導位移矩陣

圖 4.1-12為ICP對齊迴圈流程，以前一圈資料為對齊基準，計算出將後一圈資 料移動至對齊位置所需的位移及旋轉矩陣。套用轉換矩陣使後一圈資料移動至正 確位置，並成為更次一圈資料的對齊基準。所有資料依序丟入ICP迴圈中進行對 齊，最終整合為一個完整的模型。

圖 4.1-12 ICP 對齊迴圈流程圖

每筆資料座標空間皆是以掃瞄當時掃瞄儀的位置為原點，由於對齊的資料龐 大，根據場景需求，第一圈資料和最後一圈資料的原點位置，可能差距數十甚至 數百公尺以上。如圖 4.1-13所示，紫色箭頭代表所有新進資料的初始位置，隨著 圈數的增加，新近資料與其參考資料(也就是前一筆已對齊資料，以深藍色代表) 的距離將會越來越遠，造成ICP需要更多的疊代次數才能將其移動置正確位置，如 此一來處理時間將隨著圈數而顯著增加。

圖 4.1-13 對齊基準隨對齊的進行而遠離

4.1.6 三維重建與機器人定位

本文的目標在於重建大型物件三為模型，而所使用的方法與目標其實與 SLAM(Simultaneous Location And Mapping)機器人定位與繪圖如出一轍[13]。在使 用 ICP 演算法計算周圍景物對齊的同時，也同樣的對掃瞄儀的位置做了定位的動 作。

圖 4.1-14 掃瞄儀移動路徑

圖 4.1-15 掃瞄儀移動路徑

圖 4.1-14和圖 4.1-15中紅色線段為一次掃瞄中掃瞄儀的移動路徑。由此路徑 記錄，我們可以回推算出當時掃瞄儀移動的距離與步行推進速度。