[發明專利]Kinect與關節臂結合的復合式測量和三維重建方法

在審

• 申請號: 201410354912.9
• 申請日: 2014-07-24
• 公開（公告）號: CN104123751A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發明（設計）人: 何炳蔚;林建楠;李海榕;董升升
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G01B11/24
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本發明涉及Kinect與關節臂結合的復合式測量和三維重建方法。

背景技術

?三維重建技術作為計算機視覺技術的一個重要分支，一直是計算機視覺領域最熱門的研究方向之一。它屬于一個多學科交叉的研究領域，是計算機圖形學和圖像處理在工程中的重要應用。

測量設備通過特定的方法將物體表面形狀轉換成幾何空間坐標點，從而得到逆向建模所需數據。基于接觸式測量的數據采集方法有較高的準確性和可靠性，可準確地測量出物體的基本幾何形狀，如面、圓、圓柱、圓錐、圓球等，但數據采集效率較低。基于非接觸式測量的數據采集方法測量速度快，測量面積大，數據較為完整，但測量精度相對于接觸式而言精度較低，而且在一些細節位置如邊界、縫隙、曲率變化較大的部位容易丟失數據。

近幾年微軟公司推出了一款體感設備Kinect，華碩公司也緊隨其后，相繼推出了Xtion體感設備，相比其它專業深度攝像機，具有成本低、容易配置等優點，在三維重建領域有較好的應用價值。

由于實物樣零件往往具有其特殊性和復雜性，單獨釆用單一測量方法，常常很難達到工程實際對測量的要求。而復合式測量系統的出現把多種測量方式集成到一起，不僅擴大了應用范圍，而且在指定數據精度、密度、處理時間上更具有靈活性和高效性，這為逆向工程中三維模型重建方法提出了新的要求和思路。

發明內容

有鑒于此，本發明提出基于深度體感設備?Kinect與關節臂測量儀相結合的復合式測量和三維重建方法，為實現物體三維測量和重建提供一種更為廉價的方案。

本發明采用以下方案實現：一種Kinect與關節臂結合的復合式測量和三維重建方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟S01：利用微軟Kinect對待測物體及多個定標球進行測量和重建；

步驟S02：通過關節臂測量儀測量待測物體上Kinect無法測量的特征；?

步驟S03：通過Kinect和關節臂測量儀分別測量分布在待測物體四周的多個定標球，獲得設備的多個測量基準點；采用定標球法實現不同坐標和點云數據的對齊變換；

步驟S04：利用計算機根據上述步驟獲取的三維數據進行模型重建與實體化。

在本發明一實施例中，所述步驟SO1包括以下步驟：

步驟S011：通過Kinect在OpenNI的框架接口下完成空間點三維坐標的獲取；

步驟S012：根據物體形狀及其距離鏡頭的大致深度值，設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域，把物體從背景中分離出來；

步驟S013：點云數據處理：利用Kinect獲取的深度數據并轉化為三維的點云數據格式進行存儲，再將其可視化；然后，對點云進行噪聲剔除、濾波及精簡處理，改善點云質量，去除光學噪聲和閃爍部分，并提高邊緣部分的匹配程度；

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

在本發明一實施例中，所述步驟S011中，空間點三維坐標獲取方法采用如下方式：

假設?Kinect?測量空間中任意點p離攝像頭的距離為d，根據公式計算點p在空間中的實際位置，及實際深度值D

上式中D、d的單位均為厘米（cm），四個參數H、K、O、L的值分別為

，，，

利用上式計算出深度值D后，從?Kinect中提取任意點p完整的三維坐標；假設任意點p在幀圖像的投影位置為?，則點p三維坐標為

?、、、為Kinect相機參數，參數值分別為

,?，，?。

在本發明一實施例中，所述步驟SO12中所述閾值分割方法采用的如下方式：

設圖像對于輸入圖像的各個深度值為，確定兩個深度(即閾值)?和，其中?，?當像素深度值D大于或者小于，則，否則；

。

在本發明一實施例中，所述步驟S03采用如下方式實現：