[發(fā)明專利]保持銳利特征的三維重建方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710151230.1
• 申請日: 2017-03-14
• 公開（公告）號: CN107123164B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉瓊;吳銘荃
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: G06T17/30
• 分類號: G06T17/30;G06T19/20
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

本發(fā)明公開保持銳利特征的三維重建方法系統(tǒng)。該方法包括：1)采用擴展到三維空間的二維圖像濾波方法對輸入并經(jīng)過粗配準(zhǔn)的點云進行平滑去噪；2)采用改進的區(qū)域生長方法對平滑后的粗配準(zhǔn)點云進行離群點移除；3)采用基于kd?tree加速的ICP算法對移除離群點后的粗配準(zhǔn)點云進行精配準(zhǔn)；4)采用基于鄰域查找和邊界點檢測的融合方法對精配準(zhǔn)點云進行融合；5)采用基于特征點檢測和自適應(yīng)步長更新方法對融合后的精配準(zhǔn)點云進行表面重建。三維重建系統(tǒng)由點云預(yù)處理模塊、點云合并模塊、表面重建模塊組成，基于本發(fā)明方法實現(xiàn)的三維重建系統(tǒng)能夠保持重建模型表面邊緣處的銳利特征，且在保證精度的前提下兼顧重建速度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計算機圖形學(xué)、計算機視覺、逆向工程和計算機輔助幾何設(shè)計領(lǐng)域，具體為保持銳利特征的三維重建方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

三維重建技術(shù)是指對物體在計算機上建立合適的數(shù)學(xué)表示和處理模型，將真實物體在計算機中進行客觀重現(xiàn)的技術(shù)。

根據(jù)三維點云數(shù)據(jù)獲取方式的差異，三維重建技術(shù)大概分為以下兩種：基于多張圖像進行三維重建和基于具有深度信息的點云數(shù)據(jù)進行三維重建。基于多張圖像進行三維重建通過相機進行圖像采集，得到待重建物體不同角度的序列圖像，通過圖像之間的特征聯(lián)系和位置關(guān)系進行點云的估計，然后再對點云進行重建。這類方法的優(yōu)勢在于它使用的設(shè)備簡單、成本低廉；但是它的缺點是需要經(jīng)過一系列運算才能得到點云位置信息，過程較為繁瑣并且重建結(jié)果的好壞受圖像角度和張數(shù)的影響較大，同時對于拍攝環(huán)境較為敏感，很難完成具有較高精度需求的三維重建。基于具有深度信息的點云數(shù)據(jù)進行三維重建通過光柵掃描、激光掃描等方式獲取具有深度信息的三維點云，通過點云的空間關(guān)系進行重建。此類方法的優(yōu)點是能夠直接獲取精確度較高的點云信息，但是它需要比較昂貴和專業(yè)的設(shè)備，并且在數(shù)據(jù)采集的時候需要進行校準(zhǔn)，來滿足獲取點云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

在通過點云進行三維重建的過程中，為了使重建后模型的測量和拼接工作能夠順利進行，如何保持物體在表面邊緣的銳利特征是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。張鑫等(張鑫,王章野,范涵奇,等.保特征的三維模型的三邊濾波去噪算法[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2009,21(7):936-942.)通過使用三邊濾波函數(shù)對點云中的法向量進行濾波，保持點云表面的特征。該方法主要思想是通過每個點以及它鄰域中的點擬合出表面近似的模型。它能夠?qū)﹄x散曲線擬合的模型產(chǎn)生較好的重建效果。但是此方法為了追求準(zhǔn)確性，需要不斷進行迭代，擬合的過程比較耗時。Sahay P等(Sahay P,Rajagopalan A N.Geometric inpainting of3D structures[C]//Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision andPattern Recognition Workshops.2015:1-7.)針對殘缺的三維模型提出“補洞”方法，補洞后的區(qū)域能夠保持整個模型的特征。這類方法在保持物體表面特征時直接對三維模型進行處理但是它們主要關(guān)注于物體在缺失區(qū)域的特征與整體模型的契合度，而對物體在邊緣處的特征沒有進行過多探討。Qian J等(Qian J,Zhang Y.Sharp Feature Preservation inOctree-Based Hexahedral Mesh Generation for CAD Assembly Models[M]//Proceedings of the 19th International Meshing Roundtable.2009:243-262.)使用基于八叉樹的方法對CAD模型在邊界處進行特征的保持。它是直接作用于CAD模型中，即通過改變模型的形狀生成不同的模型。雖然不是直接在點云中進行操作，但是上述方法為本發(fā)明提供了參考，即可以直接在模型上進行保持特征的操作而不需要間接在點云中進行這樣的操作。Wang J等(Wang J,Yu Z,Zhu W,et al.Feature-Preserving SurfaceReconstruction From Unoriented,Noisy Point Data[J].Computer Graphics Forum,2013,32(1):164–176.)提出了一種能夠保持物體表面特征的三維重建算法：通過計算每個點的“最合適切面”找出點云中的離群點，并計算出物體的特征點和非特征點，將點云分割成幾部分，最后通過保持特征的方法對點云進行重建。這類方法應(yīng)用在物體的表面重建中，取得不錯的效果，然而他們提出的特征點檢測方法和最后的表面重建并沒有相關(guān)性，在表面重建中并沒有利用到前面處理的先驗知識，使得處理的過程更加復(fù)雜。