[發(fā)明專(zhuān)利]基于幾何重排的虛擬結(jié)構(gòu)光3D點(diǎn)云壓縮方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110339863.1
• 申請(qǐng)日: 2021-03-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113034627B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 武迎春;齊慧敏;張彧洋;曹陽(yáng);李晉紅;王安紅
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 太原科技大學(xué);山西玄中環(huán)保設(shè)備有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G06T9/00
• 分類(lèi)號(hào): G06T9/00
• 代理公司: 太原中正和專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 14116
• 代理人: 焦進(jìn)宇

1.基于幾何重排的虛擬結(jié)構(gòu)光3D點(diǎn)云壓縮方法，其特征在于，按照以下步驟進(jìn)行：

步驟1)將點(diǎn)云所有點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向的位置信息分別用向量X_N、Y_N、Z_N表示，N為向量長(zhǎng)度，即點(diǎn)云總點(diǎn)數(shù)，3D點(diǎn)云的重排通過(guò)以下公式實(shí)現(xiàn)：

其中reshape[·]表示將向量按序排列為m×m的方陣，表示向上取整，如果M(i′,j′)的空缺位置由0補(bǔ)齊；

步驟2)將M(i′,j′)非線性調(diào)制于條紋圖的R通道和G通道，B通道用于存儲(chǔ)相位級(jí)次索引K(i′,j′)，R通道和G通道的強(qiáng)度可表示為：

I_r′(i′,j′)＝256/2·{1+sin[2πi′/p+k·M(i′,j′)]} (10)

I_g′(i′,j′)＝256/2·{1+cos[2πi′/p+k·M(i′,j′)]} (11)

其中，p、k為虛擬結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，p表示條紋的周期，k為線性系數(shù)；

步驟3)基于最小二乘法來(lái)確定虛擬結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)k與p；

步驟4)數(shù)據(jù)解碼時(shí)，聯(lián)立(10)、(11)式求得M(i′,j′)：

其中，K(i′,j′)為條紋的相位級(jí)次索引，最后根據(jù)數(shù)據(jù)重排規(guī)則反求X_N、Y_N、Z_N。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于幾何重排的虛擬結(jié)構(gòu)光3D點(diǎn)云壓縮方法，其特征在于，步驟3)中：基于最小二乘法的系統(tǒng)參數(shù)確定的具體步驟如下：3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)X、Y、Z三個(gè)方向的位置信息重排導(dǎo)致點(diǎn)云描述的模型幾何信息丟失，所有數(shù)據(jù)散亂分布無(wú)規(guī)律，將原始點(diǎn)云分布中每一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)記為n(X_N(n),Y_N(n),Z_N(n))，n＝1,2,...,N，則重排后的每一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可記為n′(i′,j′,M(i′,j′))，為了方便表述，將n(X_N(n),Y_N(n),Z_N(n))簡(jiǎn)化為n，將n′(i′,j′,M(i′,j′))簡(jiǎn)化為n′，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致虛擬結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)：線性系數(shù)k、條紋周期p，需要重新設(shè)定，理論上來(lái)講，虛擬結(jié)構(gòu)光編碼系統(tǒng)來(lái)源于正弦結(jié)構(gòu)光三維重建系統(tǒng)，系統(tǒng)的解碼精度由以下公式?jīng)Q定：

其中，λ_eff稱為等效波長(zhǎng)，代表了虛擬結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的解碼精度；f是條紋頻率，p代表?xiàng)l紋周期；θ表示投影方向，等效于虛擬結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的線性系數(shù)k，垂直投影時(shí)，θ＝0，對(duì)應(yīng)k＝0，基于公式(13)，k越大，p越小，系統(tǒng)解碼精度越高，但在實(shí)際編碼時(shí)，對(duì)于表面陡變程度較大的點(diǎn)云模型，k取值太大，p取值太小，會(huì)使得變形條紋錯(cuò)級(jí)，影響后期相位展開(kāi)，因此，k、p的取值應(yīng)當(dāng)適中；

點(diǎn)云模型的表面陡變程度可以用曲率描述，局部鄰域協(xié)方差矩陣的特征值可用來(lái)估計(jì)點(diǎn)云模型局部表面的變化程度，等效于計(jì)算局部表面的曲率，其定義為：

其中，λ₀、λ₁和λ₂表示點(diǎn)云中任意一點(diǎn)n的s鄰域協(xié)方差矩陣的特征值，λ_min代表特征值λ₀、λ₁和λ₂的最小值；

重排后的點(diǎn)云任意一點(diǎn)n′的協(xié)方差矩陣可表示為：

其中，表示點(diǎn)n′的s鄰域的中心點(diǎn)；d_r表示點(diǎn)n′的s鄰域的索引集，r＝1,2,...,s；

對(duì)協(xié)方差矩陣H進(jìn)行特征值分解，根據(jù)公式(14)，可以計(jì)算重排后點(diǎn)云數(shù)據(jù)在點(diǎn)n′處的曲率σ_s(n′)，為了減少噪聲點(diǎn)對(duì)曲率計(jì)算的影響，選取點(diǎn)n′與其s鄰域點(diǎn)曲率之和的均值作為點(diǎn)n′處的曲率，公式如下：

為了描述點(diǎn)云模型的整體陡變程度，對(duì)C_s(n′)進(jìn)行降序排列并記為C_s′(n′)，選取前2％的曲率值求平均，作為表征點(diǎn)云模型的表面陡變程度的指標(biāo)C，公式如下：

基于點(diǎn)云模型的陡變程度估計(jì)，結(jié)合公式(13)，提出以下非線性模型來(lái)確定虛擬結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)k與p：

p＝b₁·C²+b₂·C+b₃ (19)

其中，a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃為待定系數(shù)，由最小二乘法求得，具體過(guò)程如下：

1：取U≥3組不同的點(diǎn)云模型，根據(jù)公式(17)計(jì)算其對(duì)應(yīng)的陡變指標(biāo)C₁,C₂,...,C_U，固定條紋周期p:p取經(jīng)驗(yàn)值10個(gè)像素,不斷調(diào)整線性系數(shù)k的值，基于上面的數(shù)據(jù)編解碼算法，繪制壓縮算法的解碼均方根誤差隨k的變化曲線，根據(jù)曲線谷值位置確定不同模型對(duì)應(yīng)的最優(yōu)k₁,k₂,...,k_U，將C₁,C₂,...,C_U，k₁,k₂,...,k_U的值代入公式(18)，經(jīng)最小二乘法求得a₁、a₂、a₃的值；

2：另取V≥3組點(diǎn)云模型，根據(jù)公式(17)計(jì)算其對(duì)應(yīng)的陡變指標(biāo)C₁,C₂,...,C_V，代入公式(18)計(jì)算對(duì)應(yīng)的k₁,k₂,...,k_V，固定k₁,k₂,...,k_V，不斷調(diào)整條紋周期p的值，繪制壓縮算法的RMSE隨p的變化曲線，根據(jù)曲線谷值位置確定不同模型對(duì)應(yīng)的最優(yōu)p₁,p₂,...,p_V，將C₁,C₂,...,C_V，p₁,p₂,...,p_V的值代入公式(19)，經(jīng)最小二乘法求得b₁、b₂、b₃的值。