[發明專利]基于雙層配準方法的室內三維場景重建方法

有效

• 申請號: 201310053829.3
• 申請日: 2013-02-20
• 公開（公告）號: CN103106688A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 賈松敏;郭兵;王可;李秀智
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明屬于計算機視覺與智能機器人的交叉領域，涉及一種室內環境三維重建技術，尤其涉及一種基于雙層配準方法的大范圍室內場景的重建方法。

背景技術

近年來，隨著信息技術的不斷發展，對三維場景重建技術的需求不斷增長，經濟快速的室內三維場景重建方法成為諸多領域亟待解決的關鍵性技術問題。在家庭服務機器人領域，人口老齡化引發的智能家庭服務機器人市場需求日益強烈。目前，市場上大部分服務機器人因無法感知三維環境只能在特定的場景下提供單一簡單的服務，這一問題嚴重制約著家庭服務機器人產業的發展。

三維場景重建是計算機視覺、智能機器人、虛擬現實等領域的研究熱點問題之一。傳統的三維重建方法根據獲取三維數據的方式不同可以分為兩類：基于激光掃描技術的三維重建方法和基于視覺的三維重建方法。針對室內大范圍的三維場景重建問題現有方法仍然存較大的局限性。

基于激光的三維重建方法，通過激光掃描儀獲取場景的深度數據或距離圖像，利用深度數據的配準實現單幀數據與全局數據的對齊。這樣只是獲得了三維場景的幾何信息，需要通過增加一臺攝像機獲取場景的紋理信息并映射到重建出幾何模型上，這就要解決一個由照片到幾何的映射問題。基于激光掃描的三維重建方法雖然可以獲取較高精度的三維幾何模型，但紋理映射的難度較大，從而生成具有真實感的三維模型比較困難，同時激光設備價格高昂，一般應用在數字考古、地形勘測、數字博物館等領域，很難在大規模的民用領域普及。

基于視覺的三維重建方法，即采用計算機視覺方法進行物體三維模型重建，是指利用數字攝像機作為圖像傳感器，綜合運用圖像處理視覺計算等技術進行非接觸三維測量，用計算機程序獲取物體的三維信息。其優勢在于不受物體形狀限制，重建速度較快，可以實現全自動或半自動建模等，是三維重建的一個重要發展方向。根據使用攝像機數目的不同，可以分為單目視覺法、雙目視覺法、三目視覺法或多目視覺法。單目視覺法使用一臺攝像機進行三維重建，通過圖像的二維特征推導出深度信息，這些二維特征包括明暗、紋理、焦點、輪廓等。其優點是設備結構簡單，使用單幅或少數幾張圖像就可以重建出物體三維模型。但是通常要求的條件比較理想化，實際應用情況不是很理想，重建效果一般。雙目視覺法，也稱立體視覺法，將雙目視差信息轉換為深度信息。其優點是方法成熟，能夠穩定地獲得較好的重建結果；不足的是運算量仍然偏大，而且在基線距離較大的情況下重建效果明顯降低。多目視覺法的基本思想是通過增加攝像機提供額外的約束，以此來避免雙目視覺中的問題。其優點是重建效果優于雙目視覺法，但設備結構更加復雜，成本更高，控制上也比較難。

近年來，隨著RGBD（彩色和深度）傳感器技術的發展，比如微軟推出的Kinect，為三維場景重建提供了新的方案。目前關于Kinect三維重建方法的研究在單一物體的三維重建方面取得了一些成果，在室內場景重建方面的研究仍處于起步階段。RichardA.Newcombe等人采用Kinect獲取環境信息，利用ICP方法，實現環境信息的三維重建。由于該方法在GPU硬件上實現，對GPU硬件配置要求較高，且受GPU內存的限制，只能重建3m×3m×3m的范圍，無法滿足大范圍室內三維場景創建的需求。

發明內容

為了克服上述三維重建方法中存在的問題，本發明提供了一種經濟快速的、基于雙層配準方法的室內三維場景重建方法。

本發明采用的技術方案如下：

利用Kinect獲取環境的RGB和深度圖像信息，通過提取RGB圖像的SURF特征點，以特征點匹配信息作為關聯數據，結合隨機抽樣一致性（Random?sample?Consensus，RANSAC）方法和迭代最臨近點（Iterative?closest?point，ICP）方法，提出一種三維數據雙層配準方法。該方法主要包括以下內容：第一，利用RANSAC方法獲取相鄰兩幀（Frame-To-Frame）三維數據的旋轉平移變換矩陣，累積該結果獲取Kinect的相對位置變化。通過設定閾值，當Kinect位置變化超過一定大小時增加一幀數據，將該數據設定為關鍵幀（KeyFrame）并完成初次配準；第二，利用ICP方法獲取相鄰關鍵幀（KeyFrame-To-KeyFrame）的精確變換矩陣，完成精確配準。利用雙層配準方法獲取的KeyFrame數據以及相鄰KeyFrame間的變換矩陣，完成三維環境的重建。

基于雙層配準方法的室內三維場景重建方法，其包括以下步驟：

步驟一，進行Kinect標定。