[發明專利]基于隱式向量空間的非剛性注冊方法

無效

• 申請號: 201010581314.7
• 申請日: 2010-12-10
• 公開（公告）號: CN102024273A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發明（設計）人: 黨崗;程志全;姜巍;李寶;李宏華;李俊;陳寅;方皓;周競文;林帥;田艷花;金士堯
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 代理公司: 湖南省國防科學技術工業辦公室專利中心 43102
• 代理人: 馮青

技術領域

本發明屬于計算機圖形學與人機接口技術領域，具體涉及一種基于隱式向量空間的非剛性注冊方法。

背景技術

隨著逆向工程技術的發展與芯片制造水平的提高，深度攝像頭等獲取設備通過高頻采樣記錄動態對象的外形和姿態變化過程(包含剛性和非剛性兩種變換)，以高頻速率實時輸出隨時間不斷變化的幀模型。這為獲取物理世界中的動態對象提供了新型的技術途徑，用戶可以不再通過繁瑣的手工編輯，即可逼真重建出數字化的三維動態模型。從而，可極大地提高重建三維動態模型的水平和效率，使重建過程更為直觀，效果更為生動。但是，由于記錄的各幀模型是離散的，各頂點間的對應關系和動態對象的姿態和外形變換過程都是未知的。因此，如何非剛性注冊三維動態模型的各離散幀是本領域研究人員關注的技術問題。具體而言，針對各離散幀模型(源模型和目標模型)，在恢復出自然的外形和姿態變換過程同時，建立各幀頂點間稠密的對應關系。

傳統的非剛性注冊方法多基于隱式空間來完成，采用帶符號的距離函數定義隱式空間內任意位置的距離值。這樣的缺點是對于模型邊界附近的空間位置，難以確定該位置處距離值的符號，而一旦錯誤地確定了符號，就不能獲得正確的非剛性注冊結果。因此，傳統非剛性注冊的適用范圍不廣，很難處理開放的局部模型，事實上，由于獲取過程中的遮擋問題，獲取的模型往往具有空洞，是開放的局部模型。此外，傳統的非剛性注冊方法是通過迭代求解最優化方程來計算非剛性變換的，迭代過程復雜且耗時較長。

發明內容

本發明需要解決的技術問題是離散幀模型(源模型和目標模型)間的非剛性注冊。傳統方法具有非剛性注冊的適用范圍窄(很難處理開放的局部模型)和工作效率低的不足。為了克服這些不足，需要開發一種新的非剛性注冊方法。本發明的目的是提供一種源模型和目標模型間的非剛性注冊方法。

本方法的特征在于采取了基于隱式向量空間的技術方案來實現的，其實現流程如下：

a.源模型和目標模型的提取：在各個時刻，獲取設備獲取的場景數據是其視場范圍的所有信息，獲取的對象與背景存在距離上的不連續性，利用此不連續性完成獲取對象與背景的分離，提取出源模型和目標模型；

b.基于隱式向量空間的整體注冊；

c.建立整體注冊的最優化方程：將源模型和目標模型嵌入到一個包圍盒空間中，計算該空間內任意位置到源模型和目標模型的向量距離函數的差異，在整個空間內對該差異向量各元素的平方和進行積分，從而通過源模型和目標模型隱式向量空間的總體差異將整體注冊問題轉化為最優化問題；

d.求解最優化方程的最優解，完成源模型和目標模型的整體注冊，獲得剛性變換過程；

e.基于隱式向量空間的局部注冊；

f.采用增量式自由變形，基于隱式向量空間建立局部注冊的最優化方程；

g.局部注冊的閉合形式解：通過隱式向量空間下增量式自由變形的一階泰勒展開，將局部注冊問題轉化為線性問題進行求解，獲得非剛性變換過程；

h.建立稠密對應關系：基于最近點查找算法，建立源模型與目標模型間的稠密對應關系。

概括而言，需要一種適用范圍廣且工作效率高的非剛性注冊方法。通過非剛性注冊處理獲取的離散幀模型，求解出源模型和目標模型間的外形和姿態變換過程(包括剛性和非剛性變換兩部分)，建立稠密的對應關系。

首先是將獲取設備獲得的場景點云數據按照空間連續性進行分離，提取出三維動態模型的源模型和目標模型。基于源模型和目標模型的隱式向量空間的差異，利用最優化方法求解整體注冊的最優化方程，計算出源模型和目標幀間的剛性變換。在整體注冊實施后，提出了局部注冊的閉合形式解，將非線性優化問題簡化為線性問題，加快了求解速度。最后，基于最近點查找算法，建立源模型和目標模型間的稠密對應關系。

本發明中，整體注冊就是求源模型S和目標模型T間的剛性變換A，設其參數為Φ(包含旋轉R和平移T)，即A＝Rx+T，使得源模型S在進行剛性變換后與目標模型T的外形和姿態差異最小。首先，建立一個包含源模型S和目標模型T的包圍盒空間，對于空間內的任意位置x，源模型S和目標模型T的向量距離函數的差異為：

r_d(Φ：x)＝Rf_S(x)-f_T(A(Φ；x))。

那么，在整個空間內，源模型S和目標模型T的外形和姿態的總體差異可用積分形式表示為：