[發(fā)明專(zhuān)利]Kinect與關(guān)節(jié)臂結(jié)合的復(fù)合式測(cè)量和三維重建方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410354912.9
• 申請(qǐng)日: 2014-07-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104123751A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何炳蔚;林建楠;李海榕;董升升
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06T17/00
• 分類(lèi)號(hào): G06T17/00;G01B11/24
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊

1.一種Kinect與關(guān)節(jié)臂結(jié)合的復(fù)合式測(cè)量和三維重建方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟S01：利用微軟Kinect對(duì)待測(cè)物體及多個(gè)定標(biāo)球進(jìn)行測(cè)量和重建；

步驟S02：通過(guò)關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x測(cè)量待測(cè)物體上Kinect無(wú)法測(cè)量的特征；?

步驟S03：通過(guò)Kinect和關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x分別測(cè)量分布在待測(cè)物體四周的多個(gè)定標(biāo)球，獲得設(shè)備的多個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)；采用定標(biāo)球法實(shí)現(xiàn)不同坐標(biāo)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對(duì)齊變換；

步驟S04：利用計(jì)算機(jī)根據(jù)上述步驟獲取的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重建與實(shí)體化。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Kinect與關(guān)節(jié)臂結(jié)合的復(fù)合式測(cè)量和三維重建方法，其特征在于：

所述步驟一包括以下步驟：

步驟S011：通過(guò)Kinect在OpenNI的框架接口下完成空間點(diǎn)三維坐標(biāo)的獲取；

步驟S012：根據(jù)物體形狀及其距離鏡頭的大致深度值，設(shè)定深度的最大和最小閾值，然后利用閾值分割方法分割出有效區(qū)域，把物體從背景中分離出來(lái)；

步驟S013：點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理：利用Kinect獲取的深度數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為三維的點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)，再將其可視化；然后，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行噪聲剔除、濾波及精簡(jiǎn)處理，改善點(diǎn)云質(zhì)量，去除光學(xué)噪聲和閃爍部分，并提高邊緣部分的匹配程度；

步驟S014：點(diǎn)云拼接，轉(zhuǎn)換為三維面片模型：在Kinect獲取點(diǎn)云空間點(diǎn)信息時(shí)，通過(guò)Kinect攝像機(jī)在不同角度下掃描物體，每次掃描獲得物體一個(gè)側(cè)面的深度數(shù)據(jù)，并保證深度數(shù)據(jù)之間包含有一定的公共部分；點(diǎn)云拼接時(shí)，首先，通過(guò)初始拼接將不同坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移等變換，使其大致處于同一坐標(biāo)系下，為下一步的精確拼接提供較好的初始值；然后，在精確拼接的過(guò)程中，利用迭代就近點(diǎn)法優(yōu)化剛體變換矩陣，使拼接后的兩片點(diǎn)云間的距離均方差最小；點(diǎn)云拼接完成后，將點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換為三角面片模型。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Kinect與關(guān)節(jié)臂結(jié)合的復(fù)合式測(cè)量和三維重建方法，其特征在于：所述步驟S011中，空間點(diǎn)三維坐標(biāo)獲取方法采用如下方式：

假設(shè)?Kinect?測(cè)量空間中任意點(diǎn)p離攝像頭的距離為d，根據(jù)公式計(jì)算點(diǎn)p在空間中的實(shí)際位置，及實(shí)際深度值D

上式中D、d的單位均為厘米（cm），四個(gè)參數(shù)H、K、O、L的值分別為

，，，

利用上式計(jì)算出深度值D后，從?Kinect中提取任意點(diǎn)p完整的三維坐標(biāo)；假設(shè)任意點(diǎn)p在幀圖像的投影位置為?，則點(diǎn)p三維坐標(biāo)為

?、、、為Kinect相機(jī)參數(shù)，參數(shù)值分別為

,?，，?。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Kinect與關(guān)節(jié)臂結(jié)合的復(fù)合式測(cè)量和三維重建方法，其特征在于：所述步驟SO12中所述閾值分割方法采用的如下方式：

設(shè)圖像對(duì)于輸入圖像的各個(gè)深度值為，確定兩個(gè)深度(即閾值)?和，其中?，?當(dāng)像素深度值D大于或者小于，則，否則；

。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Kinect與關(guān)節(jié)臂結(jié)合的復(fù)合式測(cè)量和三維重建方法，其特征在于：所述步驟S03采用如下方式實(shí)現(xiàn)：

由Kinect設(shè)備掃描獲取三個(gè)定標(biāo)球，并通過(guò)最小二乘法擬合出三個(gè)定標(biāo)球的球心坐標(biāo)，設(shè)為，和；由關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x測(cè)量三個(gè)定標(biāo)球，每個(gè)定標(biāo)球至少測(cè)量8個(gè)點(diǎn)，并通過(guò)算法擬合出定標(biāo)球心坐標(biāo)，設(shè)為，和；通過(guò)以下三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)對(duì)齊變換：

（1）變換到；

（2）變換矢量到，僅考慮方向信息；

（3）變換包含三點(diǎn)，和的平面到包含，和的平面；

????采用的算法步驟如下：

????（1）做矢量、、和；

????（2）令，；

（3）求矢量和

；

????（4）求矢量和

；

????（5）求出單位矢量

；

????（6）把系統(tǒng)[v]的任意一點(diǎn)變換到系統(tǒng)[w]，用到變換關(guān)系

（7）和是單位矢量矩陣，因此，關(guān)于[w]坐標(biāo)系統(tǒng)的的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

令和?，帶入，可得平移矩陣T

求出變換矩陣

。