[發(fā)明專利]一種基于多視點(diǎn)圖像三維建模的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的自動拼接算法

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• 申請日: 2016-01-11
• 公開（公告）號: CN105678833A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖肇羽;賈東
• 申請（專利權(quán)）人: 塔里木大學(xué)
• 主分類號: G06T15/00
• 分類號: G06T15/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 解明鎧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)建模技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多視點(diǎn)圖像三維 建模的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的自動拼接算法。

背景技術(shù)

在多視點(diǎn)圖像三維幾何建模系統(tǒng)中對三維外形構(gòu)建的過程中，相鄰視 點(diǎn)圖像之間的幾何建模僅僅能夠獲取被測物體表面局部區(qū)域的幾何點(diǎn)云 幾何數(shù)據(jù)，要想獲得整個(gè)三維外形數(shù)據(jù)需要進(jìn)行多視點(diǎn)獲取圖像，同時(shí)針 對每兩個(gè)相鄰視點(diǎn)進(jìn)行幾何建模，這導(dǎo)致不同視點(diǎn)下計(jì)算得到的點(diǎn)云幾何 數(shù)據(jù)的幾何坐標(biāo)系不同。

為了得到被測物體表面的整個(gè)三維外形幾何數(shù)據(jù)，需要將不同坐標(biāo)系 下的局部幾何數(shù)據(jù)變換到同一個(gè)統(tǒng)一坐標(biāo)系下。多個(gè)相鄰視點(diǎn)圖像建模得 到的不同坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的自動拼接和配準(zhǔn)一直是一個(gè)棘 手的問題。現(xiàn)有的方法主要包括以下幾種：

1)通過在被測量的物體表面粘貼輔助的標(biāo)記點(diǎn)，對幾次不同測量的 標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行搜索構(gòu)建匹配的標(biāo)記點(diǎn)對，同時(shí)保證在兩個(gè)視點(diǎn)間至少有三個(gè) 以上的共同標(biāo)記點(diǎn)，然后通過這些匹配的共同標(biāo)記點(diǎn)，計(jì)算多次不同視點(diǎn) 測量得到的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)之間的坐標(biāo)變換關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)點(diǎn)云幾何 數(shù)據(jù)的自動拼接。

但是在被測量物體表面粘貼輔助標(biāo)記點(diǎn)不但會破壞被測量物體表面 的紋理信息，同時(shí)無法對標(biāo)記點(diǎn)粘貼覆蓋處的被測量物體表面幾何和紋理 數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。此外該方法不適合在某些特殊的被測量物體(例如歷史文 物表面)上粘貼標(biāo)記點(diǎn)，因此其使用具有一定的范圍限制性。

2)利用一些云臺確定被測量物體與多視點(diǎn)之間的位置變化關(guān)系，通 過云臺的運(yùn)動參數(shù)直接計(jì)算多視點(diǎn)下點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)之間的坐標(biāo)變化關(guān)系。

該方法穩(wěn)定可靠，而且有較高的精度，但需要附加的高精度機(jī)械設(shè)備， 從而導(dǎo)致多視點(diǎn)獲取設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能對較大的物體進(jìn)行測量。

3)手工選取匹配的特征點(diǎn)進(jìn)行預(yù)先匹配，接著通過現(xiàn)有的商業(yè)軟件 處理算法完成對點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的拼接。

此類方法首先需通過人工預(yù)先干預(yù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匹配，但人工匹配誤差 過大無法達(dá)到理想的拼接效果，無法實(shí)現(xiàn)對多視點(diǎn)圖像三維建模后的點(diǎn)云 幾何數(shù)據(jù)的全自動拼接。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于多視點(diǎn)圖像三維建模的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的自動 拼接算法，無需借助機(jī)械硬件輔助設(shè)備，也不需要在建模的三維物體表面 粘貼輔助標(biāo)記點(diǎn)，即可完成多視點(diǎn)圖像三維建模的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的自動拼 接和匹配，簡單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，能夠提供較高的建模精度，具有廣泛的 適用性和實(shí)用性。

一種基于多視點(diǎn)圖像三維建模的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的自動拼接算法，包括：

步驟1，在不同視點(diǎn)下，計(jì)算需要建模的三維物體的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)， 并構(gòu)建點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的特征匹配點(diǎn)對；

步驟2，隨機(jī)選取一個(gè)視點(diǎn)作為參考視點(diǎn)，利用點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的特征 匹配點(diǎn)對，計(jì)算表征各個(gè)視點(diǎn)與參考視點(diǎn)相對位置關(guān)系的關(guān)系對應(yīng)矩陣；

步驟3，對關(guān)系對應(yīng)矩陣進(jìn)行奇異值分解，求取各個(gè)視點(diǎn)(不包括參 考視點(diǎn))與參考視點(diǎn)之間特征匹配點(diǎn)對的關(guān)系平移向量和關(guān)系旋轉(zhuǎn)向量；

步驟4，依據(jù)關(guān)系平移向量和關(guān)系旋轉(zhuǎn)向量，將各個(gè)視點(diǎn)中的點(diǎn)云幾 何數(shù)據(jù)在參考視點(diǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行表示，完成點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的自動拼接。

不同視點(diǎn)的數(shù)目越多，自動拼接和匹配后得到的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確， 但相應(yīng)計(jì)算量也會大大地增加，優(yōu)選地，不同視點(diǎn)的數(shù)目至少為6個(gè)。

在不同視點(diǎn)中隨機(jī)選取一個(gè)視點(diǎn)作為參考視點(diǎn)，將其他視點(diǎn)下的點(diǎn)云 幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為在參考視點(diǎn)坐標(biāo)系下表示。

步驟3中對關(guān)系對應(yīng)矩陣進(jìn)行奇異值分解后，可以得到特征匹配點(diǎn)對 的關(guān)系平移向量和關(guān)系旋轉(zhuǎn)向量，特征匹配點(diǎn)對的關(guān)系平移向量和關(guān)系旋 轉(zhuǎn)向量也即所有點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的關(guān)系平移向量和關(guān)系旋轉(zhuǎn)向量。

不同視點(diǎn)下的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)通過關(guān)系平移向量和關(guān)系旋轉(zhuǎn)向量可以 轉(zhuǎn)換為參考視點(diǎn)的坐標(biāo)系下表示。

作為優(yōu)選，特征匹配點(diǎn)對的數(shù)目為100～120個(gè)。進(jìn)一步優(yōu)選，特征匹 配點(diǎn)對的數(shù)目為100個(gè)。

在計(jì)算關(guān)系對應(yīng)矩陣時(shí)，由除參考視點(diǎn)之外的其他視點(diǎn)與參考視點(diǎn)的 點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的特征匹配點(diǎn)對中隨機(jī)選取100個(gè)特征匹配點(diǎn)對進(jìn)行計(jì)算。 (每個(gè)視點(diǎn)選取100個(gè)特征匹配點(diǎn)對)