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Lidar Reality Capture
Sean Higgins2022年5月5日< 1 min read

激光雷达究竟是什么?它的工作原理是什么?

激光雷达已经逐渐成为一个主流术语——但它的定义是什么?工作原理又是什么?作家 Sean Higgins 在本篇文章中分析了这些问题。

激光雷达是一种可以捕捉物体和空间三维表面的激光技术。“lidar”一词是 LIght Detection And Ranging(光探测和测距)的首字母缩写。

这项技术的起源可以追溯到1938年,当时脉冲光首次被(正式)用来测量云层的高度。但是,请不要因此局限你对它应用的认知。激光雷达对各种尖端产业至关重要,包括机器人技术、自动驾驶汽车、空间探索、测量、建筑、工程和施工等。

甚至你的苹果手机摄像头旁边或者扫地机器人里可能就有一个激光雷达传感器,指导它的方向,防止它掉下楼梯。

它的工作原理是什么?

今天,我们将重点讨论最常用于3D捕获应用的激光雷达类型。它的工作原理遵循“飞行时间法”,很像用来测量一个房间尺寸的激光测距仪。

让我们先来探讨一下飞行时间法在激光测距仪中的作用。

  1. 装置发射激光
  2. 激光从墙面反弹
  3. 并返回至设备
  4. 该装置测量的发射和返回所用的时间(也被称为激光的飞行时间)。
  5. 设备计算出与墙壁的距离

what is lidar_how does it work

该设备是如何做到的?如你所知,光速是恒定的。只要查看一下利用飞行时间法计算距离的简单方程式(距离=速度x时间),我们就会发现设备已经具备了其中的两个变量:速度和时间。这样便可以很轻易地计算出距离。就这么简单。

还有一些其他类型的激光雷达传感器——包括利用波形的失真来测量距离的。我们将在今后的文章中讨论这些问题。

激光雷达3D扫描仪是如何工作的?

为了能用这种激光雷达传感器来捕捉三维空间,我们需要一种引导激光自动扫描空间的方法。多年来,制造商已经开发了很多可以执行这一操作的实用方法,包括利用微芯片和旋转的马达。

最原始的方法是镜像法。当激光器每秒发射数十万个脉冲时,镜子在两个轴上旋转以引导激光,然后覆盖周围环境。

在几秒钟内,这种简陋的3D激光扫描仪可以在三维空间内测量数百万个点。这便提供了一片由单点测量数据组成的云,更以点云为人所熟知——即由激光雷达传感器产生的基本数据类型。

激光雷达扫描仪还包含什么技术?

任意一个你可能使用的3D激光扫描仪包含的技术都远不止简单的激光雷达传感器和引导激光的技术。它还包含了一些让我们能够轻松捕捉到环境的更重要的技术。

一个激光雷达扫描仪可能包括:

  • 倾角仪、加速度计或IMU(惯性测量单元)
    光靠如上所述的激光雷达传感器是无法判断上下方的。这些机制利用重力,使您的3D激光扫描仪能够了解其在空间的正反位置,并正确确定点云的方向。
  • 摄像头
    并非所有的激光扫描设备都带有摄像头,但摄像头不仅能让3D激光扫描仪传感器捕捉距离和密度信息,还能捕捉周围的颜色信息。在移动扫描系统中,摄像头有时被用作SLAM算法的另一个数据流。

    (这种算法让你能够在行走的时候同时扫描。你可以在我们的学习网页上了解你想知道的关于SLAM的一切)。
  • 计算机
    几乎每台3D扫描仪都包括一台机载计算机。用来执行某些任务,如控制激光雷达传感器,处理点云并将点云数据存储在内存中等。在移动扫描系统中,计算机同时也会运行SLAM算法。
  • 屏幕
    你可以在屏幕上设置精度和距离,在某些情况下还可以看到扫描的反馈。
  • 全站仪
    当3D激光扫描仪以绝对最高精度进行测量时,可以将它与传统的全站仪相结合。这样便很容易将点云锁定在测量控制点上。

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激光雷达3D扫描可以用于哪些应用?

正如我们前面所解释的,激光雷达被用于各种行业的不同应用。但当它们被内置到3D激光扫描仪中时,激光雷达传感器将专门用于捕捉静止物体、结构或景观的测量的应用中。

你会看到它们被用于以下项目:

  • 平面图的生成
    利用3D激光扫描仪来捕捉像办公楼这样的建筑结构,并将点云切割成2D平面图,用于空间规划。
  • 建筑现状验证
    生成施工中现场的点云。与设计模型进行比较,查看一切是否按照计划进行。
  • 现有条件模型 
    在一个建筑项目开始之前捕捉现场,制作详细的现有条件模型,以帮助设计和施工的工作流程。
  • 点云扫描(scan-to-BIM)的工作流程
    许多建筑没有建筑信息模型或BIM模型所需的3D数据。3D激光扫描仪可以捕获建筑结构,并用其点云来生成3D BIM模型。
  • 测绘  
    捕捉一个景观、一座桥梁、甚至一条道路,并使用这些数据来进行虚拟测绘。
  • 还有更多  
    这只是一份简短的3D扫描仪的应用清单。它还可用于林业、公共安全、法医、活动策划、广域制图和其他各种应用。  

总结

激光雷达的世界是广泛、复杂且快速变化的,我们无法在一篇简单的科普文章里包含所有内容。在未来几个月里,我们将继续发布此类文章,以帮助你了解你需要知道的关于激光雷达的一切。

Sean Higgins 是一位自由的技术写作专家,曾是贸易出版物编辑,也是户外运动爱好者。他认为清晰的、无流行语的3D技术写作是一项公共服务。

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