[發明專利]一種三維模型局部球面調和特征提取方法

有效

• 申請號: 201410009280.2
• 申請日: 2014-01-08
• 公開（公告）號: CN103700135B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（設計）人: 曾慧;張瑞;穆志純;黃明明;張保慶
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: G06T15/00
• 分類號: G06T15/00
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明屬于計算機視覺領域，涉及球面調和變換、三維模型特征提取等技術。

背景技術

總結現有的三維模型識別方法，其特征提取方法主要有兩種思路：一是基于深度圖的特征提取方法，另一種是基于三維數據本身的方法。基于深度圖的特征提取方法首先對三維模型進行姿態校正，然后生成深度圖，最后利用二維特征提取方法對深度圖進行特征提取。深度圖雖然在一定層面上可以表示三維數據的形狀特征，但是其畢竟是在某一方面的深度投影，所以投影方向的選取是一步十分重要的過程、一般情況下，在投影之前需要對三維模型進行姿態旋轉校正。如果姿態校正處理不當就會引起某些特征丟失，進而導致識別失敗。這一種方法從本質上說不屬于三維特征提取，且其結果的好壞過分依賴于姿態校正的準確性。基于三維數據本身的方法指的是直接對三維數據進行特征提取的方法。這類方法可以更完整的保留三維模型形狀的所有特征，不需要對三維模型進行姿態校正。但是，如果直接對三維模型進行三維特征提取即提取三維模型全局特征，由于三維數據的數據量遠遠大于二維數據，計算量一般情況下較大。為了減少計算量，研究者提出了基于局部特征的三維特征提取方法。這種方法首先從三維模型中選擇出一些有代表性的點，然后對這些代表點的局部鄰域進行特征提取與描述。這類方法可以在盡可能保留鑒別信息的前提下減少算法的計算量，近年來得到了越來越多研究者的關注。

局部特征可以保存在全局特征中容易忽略的細節信息，常見的LSP（Local?Surface?Patch）、LBP（Local?Binary?Pattern）算法都是基于局部信息的特征提取方法。LBP算法最早是基于二維圖像提出的，其對于圖像在平面內旋轉及灰度單調變化具有魯棒性，可以較好地表征圖像的局部相關特征。近年來，研究者對LBP算法進行拓展用來表示三維圖像的局部特征信息。如果簡單的依照二維圖像中的LBP算法進行三維拓展，將會遇到很多無法解決的問題。例如簡單的將二維圓形鄰域擴展到三維球型鄰域，首先遇到的問題是采樣問題，二維圖像中的圓周可以等距離的分割出若干個采樣點，而三維球面卻無法進行均勻采樣，其次是二維圖像研究中心像素與周圍像素的灰度差值關系，而拓展到三維中每個體素點卻沒有灰度值的定義了，每個體素點除了位置的差別沒有其他不同的表征值，所以球面上體素與中心體素的差值便無法計算，最后即便是找到了一種度量標準來進行局部信息與中心體素的差值度量，也很難找到一個順序對所有差值進行排列，二維圓周上的排列順序只有兩種，順時針或者逆時針，而三維球面上的點卻很難找到一個順序來排列所有采樣點。為了避免這些問題，研究者避開直接應用算法于三維數據之上，而是將三維圖像在某一平面上進行投影，以得到相應的深度二維圖像，深度圖歸一化之后，其特性與二維灰度圖類似，依照典型的2D?LBP算法處理二維深度圖像。統計當前點與鄰域點的深度差值，差值以一組4位二進制形式編碼，統計鄰域中每一點與中心點的深度差值即能得到4層二進制值，將每一層二進制數值轉化為10進制數字，便能得到每一點像素深度LBP特征，由4個十進制數字組成，此算法被稱之3D?LBP算法（Hui?Zeng，Ji-Yuan?Dong，Zhi-Chun?Mu，Yin?Guo.Ear?Recognition?Based?on3D?Key-point?Matching[C].IEEE?International?Conference?on?Signal?Processing，2010，Beijing：1694-1697.）。可以看出雖然被稱之3D?LBP算法，但是算并不是真正的在3D數據中進行的，而是應用于三維圖像的深度圖像當中，雖然深度圖像可以表示三維圖像的結構信息，但是深度圖像為三維圖像某一方向的投影結果，必然會造成一些結構信息的丟失，所以實際上應稱之為2.5D?LBP算法。

球面調和變換是對三維數據進行的一種頻域變換，目的是提取三維數據中所包含的空間旋轉不變的特征，借此特征進行三維圖像識別，從而克服姿態問題，提高識別魯棒性。近年來，國內外研究人員也已經將球面調和變換的方法應用于三維模型特征提取之中，所含眾多領域，包括醫學器官成像、空間光譜分析、人臉識別等方面。研究人員將建模或者識別對象通過球面調和變換的方法變換，實現了旋轉不變的三維模型特征提取方法，克服了姿態問題引起的誤差。根據LBP算法的原理與球面調和變換的特點，本發明受到啟發，提出了一種三維局部球面調和特征。該特征選取三維數據的局部點作為圓心，若鄰域選擇的足夠小將會克服位置不穩定帶來的誤差，可以在一定程度上克服全局球面調和特征依賴球心選擇的特點

發明內容：