[發(fā)明專利]一種實(shí)體三維模型自動(dòng)建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510362321.0
• 申請(qǐng)日: 2015-06-26
• 公開（公告）號(hào): CN104915986B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖路昊;龔光紅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T17/00
• 分類號(hào): G06T17/00
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所11121
• 代理人: 趙文利

1.一種實(shí)體三維模型自動(dòng)建模方法，基于Kinect傳感器搭建的實(shí)體三維模型建模系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括Kinect傳感器、轉(zhuǎn)臺(tái)和計(jì)算機(jī)，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、利用Kinect傳感器采集轉(zhuǎn)臺(tái)點(diǎn)云和建模物體點(diǎn)云，并通過實(shí)時(shí)配準(zhǔn)獲得物體和轉(zhuǎn)臺(tái)的混合點(diǎn)云；

步驟二、對(duì)物體和轉(zhuǎn)臺(tái)的混合點(diǎn)云做點(diǎn)云預(yù)處理，得到帶有底面點(diǎn)的建模物體的表面點(diǎn)云；

步驟三、將帶有底面點(diǎn)的建模物體的表面點(diǎn)云上的點(diǎn)連接成三角形網(wǎng)格，表面重建后獲得物體的三維表面模型；

步驟四、對(duì)物體的三維表面模型進(jìn)行模型簡(jiǎn)化處理，建立出物體的三維簡(jiǎn)化表面模型；

采用邊折疊方法，按照比例刪去三維網(wǎng)格模型上的點(diǎn)和邊，建立出物體的三維簡(jiǎn)化表面模型；

步驟五、對(duì)步驟四中物體的三維簡(jiǎn)化表面模型進(jìn)行紋理映射；

紋理映射分為兩部分，首先是將帶有彩色信息的點(diǎn)投影，生成彩色紋理點(diǎn)圖；然后是對(duì)彩色紋理點(diǎn)圖進(jìn)行鄰域顏色插值，填充點(diǎn)圖上的未著色區(qū)域，形成完整的紋理圖片；

投影的步驟如下：

步驟501、計(jì)算輸入點(diǎn)云X的三維質(zhì)心坐標(biāo)，得到投射中心點(diǎn)C：

xc=Σi=1nxi/nyc=Σi=1nyi/nzc=Σi=1nzi/n]]>

其中，點(diǎn)云X是沒有底部的物體點(diǎn)云，投射中心點(diǎn)C坐標(biāo)為：(x_c,y_c,z_c)，點(diǎn)云X上的點(diǎn)坐標(biāo)為(x_i,y_i,z_i)，n是點(diǎn)云X的點(diǎn)數(shù)，n為整數(shù)；

步驟502、點(diǎn)云X投影到以投射中心點(diǎn)C為球心、半徑R的球體上，得到點(diǎn)集P_S：

xsi=xc+(xi-xc)tiysi=yc+(yi-yc)tizsi=zc+(zi-zc)ti]]>

其中，(x_si,y_si,z_si)是點(diǎn)集P_S上的點(diǎn)坐標(biāo)，

半徑R需要滿足條件R＞MAX{x_i²+y_i²+z_i²}，t_i是點(diǎn)云X上的點(diǎn)(x_i,y_i,z_i)在球體上的距離系數(shù)，該系數(shù)的數(shù)值不同，則點(diǎn)(x_i,y_i,z_i)在球體上的投影點(diǎn)(x_si,y_si,z_si)位置不同；

ti=R(xi-xc)2+(yi-yc)2+(zi-zc)2]]>

步驟503、把點(diǎn)集P_S平移到以C為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系下，得到點(diǎn)集P_S'，再轉(zhuǎn)換成球坐標(biāo)，得到點(diǎn)集P_S"：

xsi′=xsi-xcysi′=ysi-yczsi′=zsi-zc]]>

ri=Rφi=arctan(ysi′xsi′)θi=arccos(zsi′ri)]]>

其中，(x_si',y_si',z_si')是點(diǎn)集P_S'中點(diǎn)p_si'的直角坐標(biāo)系坐標(biāo)，(r_i,φ_i,θ_i)是點(diǎn)p_si'的球坐標(biāo)系坐標(biāo)，r_i表示球坐標(biāo)系原點(diǎn)C與點(diǎn)p_si'之間的距離，θ_i表示有向線段Cp_si'與z軸正向的夾角，φ_i表示從z軸正方向看自x軸按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)到有向線段Cp_si'在xCy平面的投影所轉(zhuǎn)過的角度；

步驟504、將點(diǎn)集P_S"進(jìn)行等距圓柱投影，得到紋理坐標(biāo)點(diǎn)集P_C：

ui=riφivi=ri(π2-θi)]]>

其中，(u_i,v_i)是紋理坐標(biāo)點(diǎn)集P_C內(nèi)的點(diǎn)二維坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)，u_i為水平方向的像素坐標(biāo)，v_i為垂直方向的像素坐標(biāo)；

點(diǎn)云X中的每個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)紋理圖片上二維坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)(u_i,v_i)；

步驟505、新建一張黑色圖片，將紋理坐標(biāo)點(diǎn)集P_C中點(diǎn)(u_i,v_i)的RGB值填充為點(diǎn)云X的點(diǎn)(x_i,y_i,z_i)的RGB值(red_i,green_i,blue_i)，形成彩色紋理點(diǎn)圖；

鄰域顏色插值的步驟如下：

步驟I、檢索投影得到的彩色紋理點(diǎn)圖的每一個(gè)像素點(diǎn)，如果當(dāng)前像素點(diǎn)p_i的RGB值是(0,0,0)，該點(diǎn)為非彩色點(diǎn)，進(jìn)入步驟II，否則，像素點(diǎn)p_i的RGB值不是(0,0,0)，該點(diǎn)為彩色點(diǎn)，跳到步驟V；

步驟II、在以非彩色點(diǎn)p_i為中心、邊長(zhǎng)為l_rect像素的正方形鄰域中進(jìn)行遍歷，判斷遍歷結(jié)束后鄰域內(nèi)是否存在彩色點(diǎn)，如果至少存在一個(gè)彩色點(diǎn)，則進(jìn)行步驟III，否則，該鄰域內(nèi)不存在彩色點(diǎn)，進(jìn)入步驟IV；

步驟III、計(jì)算鄰域中每個(gè)彩色點(diǎn)的權(quán)重，再進(jìn)入步驟V；

公式如下：

ωk=1/dkΣj=1m(1/dj)]]>

ω_k為當(dāng)前彩色點(diǎn)p_k的權(quán)重，k為整數(shù)；d_k＝||p_k-p_i||，d_k為當(dāng)前彩色點(diǎn)p_k到中心點(diǎn)p_i的距離；d_j是鄰域中彩色點(diǎn)p_j距中心點(diǎn)p_i的距離，j＝1...k...m；m是鄰域內(nèi)彩色點(diǎn)的數(shù)量，m為整數(shù)；

步驟IV、改變鄰域大小為l_rect＝l_rect+Δl，遍歷次數(shù)加1，重新進(jìn)行遍歷；如果存在至少一個(gè)彩色點(diǎn)，則進(jìn)入步驟III；

如果遍歷次數(shù)N達(dá)到預(yù)設(shè)的上限后，沒有找到任何彩色點(diǎn)，進(jìn)入步驟VI；

步驟V、如果p_i是步驟I傳輸過來的彩色點(diǎn)，則直接將p_i的RGB值添加到新的點(diǎn)集P_t中；如果p_i是步驟IV傳輸過來的點(diǎn)，則利用權(quán)重計(jì)算點(diǎn)p_i的RGB值，并添加到新的點(diǎn)集P_t，完成鄰域顏色的插值；

redi=Σk=1nredkωkgreeni=Σk=1ngreenkωkbluei=Σk=1nbluekωk]]>

點(diǎn)p_i的RGB值為(red_i,green_i,blue_i)，點(diǎn)p_k的RGB值為(red_k,green_k,blue_k)，ω_k為彩色點(diǎn)p_k的權(quán)重；

步驟VI、對(duì)下一個(gè)像素點(diǎn)p_i+1，執(zhí)行步驟I到步驟V，直到彩色紋理點(diǎn)圖遍歷結(jié)束；

步驟六、計(jì)算機(jī)軟件程序?qū)?jīng)過紋理映射后的三維模型，進(jìn)行模型渲染生成二維圖像。