一種三維點(diǎn)云的局部特征提取方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)涉及一種三維點(diǎn)云的局部特征提取方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展，三維數(shù)字幾何模型已成為數(shù)字音頻、數(shù)字圖 像、數(shù)字視頻之后的第四種數(shù)字媒體形式，其相關(guān)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究已經(jīng)發(fā)展成為 一門新的學(xué)科-數(shù)字幾何處理，并逐漸在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、動(dòng)漫游產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)藥、數(shù)字文 化遺產(chǎn)保護(hù)等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。另外，微軟Kinect以及Primesense (-種體感技術(shù) 設(shè)備）等硬件設(shè)備的興起，3D (3DimenSi〇nS，三維）點(diǎn)云信息的獲取變得更為方便快捷。在 3D視覺中，局部特征提取一直是點(diǎn)云處理的最關(guān)鍵部分，局部特征描述子則是用于描述提 取到的點(diǎn)云的局部特征性。因而無論是3D物體識(shí)別，還是3D重建領(lǐng)域，局部特征描述子都 起到了非常重要的作用。
[0003] 目前，對(duì)3D局部特征描述子（3D局部特征提取）的研究成果基本分為三類：一 種是基于簽名的，該方式對(duì)局部點(diǎn)云去計(jì)算出一個(gè)簽名作為它的特征描述，主要包括點(diǎn)簽 名（Point Signature)，3D 點(diǎn)指紋（3D Point Fingerprint)，3D-SURF 等；另一種是基于直 方圖的，該方式是對(duì)局部點(diǎn)云計(jì)算直方圖得到局部特征描述的，主要包括旋轉(zhuǎn)圖像（Spin Image)，3D形狀內(nèi)容描述子（3D Shape Contexts);還有一種是新近提出的一種包含簽名和 直方圖的3D局部特征描述子SHOT，SHOT描述子同時(shí)具有簽名和直方圖的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地 使用在3D點(diǎn)云處理中。
[0004] 但是，現(xiàn)有技術(shù)中三種3D局部特征描述子均忽略了點(diǎn)云表面的凹凸性特征，使得 提取的局部特征容易產(chǎn)生二義性，因而應(yīng)用在三維點(diǎn)云的處理上常常會(huì)出現(xiàn)估計(jì)不準(zhǔn)確的 情況發(fā)生。現(xiàn)有技術(shù)的局部特征提取的準(zhǔn)確性還有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N三維點(diǎn)云的局部特征提取方法及裝置，能夠提高三維點(diǎn)云的局部 特征的提取精確度。
[0006] 根據(jù)本申請(qǐng)的第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┑娜S點(diǎn)云的局部特征提取方法，包括：分別 計(jì)算待提取的局部特征點(diǎn)與預(yù)設(shè)的點(diǎn)云球體中每個(gè)體元素的點(diǎn)的角度信息以及計(jì)算所述 待提取的局部特征點(diǎn)與每個(gè)所述體元素的點(diǎn)之間的曲面的凹凸信息，所述預(yù)設(shè)的點(diǎn)云球體 中包含若干個(gè)體元素，所述體元素與所述待提取局部特征點(diǎn)相鄰；根據(jù)所述角度信息以及 所述凹凸信息進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，生成與每個(gè)所述體元素一一對(duì)應(yīng)的直方圖；將與預(yù)設(shè)的點(diǎn) 云球體中各個(gè)所述體元素--對(duì)應(yīng)的各個(gè)直方圖連接，得到提取向量；對(duì)所述提取向量進(jìn) 行指數(shù)歸一化處理以及第二范式歸一化處理。
[0007] 根據(jù)本申請(qǐng)的第二方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┑娜S點(diǎn)云的局部特征提取裝置，包括：第一 計(jì)算單元，用于分別計(jì)算待提取的局部特征點(diǎn)與預(yù)設(shè)的點(diǎn)云球體中每個(gè)體元素的點(diǎn)的角度 信息；以及，第二計(jì)算單元，用于計(jì)算所述待提取的局部特征點(diǎn)與所述體元素的點(diǎn)之間的曲 面的凹凸信息，所述預(yù)設(shè)的點(diǎn)云球體中包含若干個(gè)體元素，所述體元素與所述待提取局部 特征點(diǎn)相鄰；統(tǒng)計(jì)單元，用于根據(jù)所述第一計(jì)算單元計(jì)算得到的角度信息以及所述第二計(jì) 算單元計(jì)算得到的所述凹凸信息進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，生成與每個(gè)所述體元素一一對(duì)應(yīng)的直方 圖；向量提取單元，用于將所述統(tǒng)計(jì)單元統(tǒng)計(jì)出的與所述預(yù)設(shè)的點(diǎn)云球體中各個(gè)所述體元 素一一對(duì)應(yīng)的各個(gè)直方圖連接，得到提取向量；歸一化處理單元，用于對(duì)所述向量提取單元 提取得到的所述提取向量進(jìn)行指數(shù)歸一化處理以及第二范式歸一化處理。
[0008] 本申請(qǐng)?zhí)峁┑娜S點(diǎn)云的局部特征提取方法及裝置，基于與每個(gè)體元素的點(diǎn)對(duì)應(yīng) 的局部參考系來計(jì)算待提取特征點(diǎn)與相鄰體元素的點(diǎn)的角度信息和凹凸信息，能夠準(zhǔn)確的 計(jì)算兩點(diǎn)之間的特征關(guān)系，具有平移、旋轉(zhuǎn)不變的性質(zhì)，并且由于提取同時(shí)將局部點(diǎn)云的凹 凸信息包含進(jìn)去，解決了以往3D局部特征描述時(shí)忽略凹凸二義性而導(dǎo)致提取不準(zhǔn)的問題。 在歸一化處理時(shí)，采用指數(shù)歸一化處理及第二范式歸一化處理，解決了特征提取時(shí)，向量中 少量元素過大或過小所導(dǎo)致的相似度計(jì)算不準(zhǔn)確的問題，從而能提高所提取的三維局部特 征的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明的三維點(diǎn)云的局部特征提取方法的流程圖；
[0010] 圖2為本發(fā)明的三維點(diǎn)云的局部特征提取方法的另一種流程圖；
[0011] 圖3為確定每個(gè)體元素的點(diǎn)所在的局部參考系的流程圖；
[0012] 圖4為計(jì)算待提取的局部特征點(diǎn)與預(yù)設(shè)的點(diǎn)云球體中每個(gè)體元素的點(diǎn)的角度信 息流程圖；
[0013] 圖5為兩個(gè)點(diǎn)之間的局部參考系之間的角度信息示意圖；
[0014] 圖6a為采用第二范式歸一化后得到的特征描述子直方圖；
[0015] 圖6b為采用指數(shù)歸一化和第二范式歸一化得到的特征描述子直方圖；
[0016] 圖7a是對(duì)不同參數(shù)α在數(shù)據(jù)集無色彩點(diǎn)云中的召回率和準(zhǔn)確率折線圖；
[0017] 圖7b是對(duì)不同參數(shù)α在真實(shí)點(diǎn)云場(chǎng)景中的召回率和準(zhǔn)確率的折線圖；
[0018] 圖8為一種在噪聲下采用申請(qǐng)方法得到的局部特征描述子與其他特征描述子的 比較結(jié)果圖；
[0019] 圖9為一種在噪聲下采用申請(qǐng)方法得到的局部特征描述子與其他特征描述子的 比較結(jié)果圖；
[0020] 圖10為一種在噪聲下采用申請(qǐng)方法得到的局部特征描述子與其他特征描述子的 比較結(jié)果圖；
[0021] 圖11為一種在真實(shí)場(chǎng)景中采用申請(qǐng)方法得到的局部特征描述子與其他特征描述 子的比較結(jié)果圖；
[0022] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例的另一種裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面通過【具體實(shí)施方式】結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025] 在本申請(qǐng)實(shí)施例中，提供一種三維點(diǎn)云的局部特征提取方法，能夠提升三維點(diǎn)云 的局部特征的提取精確度。
[0026] 實(shí)施例一：
[0027] 請(qǐng)參考圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例的三維點(diǎn)云的局部特征提取方法流程圖。如圖1 所示，一種三維點(diǎn)云的局部特征提取方法，可以包括以下步驟：
[0028] 101、分別計(jì)算待提取的局部特征點(diǎn)與預(yù)設(shè)的點(diǎn)云球體中每個(gè)體元素的點(diǎn)的角度 信息以及計(jì)算待提取的局部特征點(diǎn)與每個(gè)體元素的點(diǎn)之間的曲面的凹凸信息。
[0029] 其中，預(yù)設(shè)的點(diǎn)云球體中包含若干個(gè)體元素，體元素與待提取局部特征點(diǎn)相鄰。
[0030] 值得指出的是，在計(jì)算待提取的局部特征點(diǎn)與預(yù)設(shè)的點(diǎn)云球體中每個(gè)體元素的點(diǎn) 的角度信息以及計(jì)算待提取的局部特征點(diǎn)與每個(gè)體元素的點(diǎn)之間的曲面的凹凸信息時(shí)，并 不是基于傳統(tǒng)的坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算的。本申請(qǐng)實(shí)施例針對(duì)每個(gè)體元素的點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的局部 參考系，具體地，先計(jì)算協(xié)方差矩陣，再對(duì)矩陣進(jìn)行特征分解，得到的三個(gè)特征向量的值，然 后將特征向量按照從大到小的順序排序，最后對(duì)齊做去二義性計(jì)算，得到體元素的點(diǎn)所在 的局部參考系。
[0031] 102、根據(jù)角度信息以及凹凸信息進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)。
[0032] 生成與每個(gè)體元素--對(duì)應(yīng)的直方圖。
[0033] 103、將與預(yù)設(shè)的點(diǎn)云球體中各個(gè)體元素一一對(duì)應(yīng)的各個(gè)直方圖連接，得到提取向 量。
[0034] 104、對(duì)提取向量進(jìn)行指數(shù)歸一化處理以及第二范式歸一化處理。
[0035] 本申請(qǐng)?zhí)峁┑娜S點(diǎn)云的局部特征提取方法，基于與每個(gè)體元素的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的局部 參考系來計(jì)算待提取特征點(diǎn)與相鄰體元素的點(diǎn)的角度信息和凹凸信息，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算兩 點(diǎn)之間的特征關(guān)系，具有平移、旋轉(zhuǎn)不變的性質(zhì)，并且由于提取同時(shí)將局部點(diǎn)云的凹凸信息 包含進(jìn)去，解決了以往3D局部特征描述時(shí)忽略凹凸二義性而導(dǎo)致提取不準(zhǔn)的問題。在歸一 化處理時(shí)，采用指數(shù)歸一化處理及第二范式歸一化處理，解決了特征提取時(shí)，向量中少量元 素過大或過小所導(dǎo)致的相似度計(jì)算不準(zhǔn)確的問題。從而本申請(qǐng)方法提取得到的三維局部特 征更準(zhǔn)確。
[0036] 實(shí)施例二：
[0037] 本實(shí)施例過程與實(shí)施例一基本相同，區(qū)別在于，本實(shí)施例在計(jì)算待角度信息以及 凹凸信息之前，先為局部特征點(diǎn)構(gòu)建云球體，并將云球體分割成若干個(gè)與局部特征點(diǎn)相鄰 的體元素。請(qǐng)參考圖2,圖2為本發(fā)明實(shí)施例的三維點(diǎn)云的局部特征提取方法流程圖。如圖 2所示，本實(shí)施例可以包括以下步驟：
[0038] 201、構(gòu)建點(diǎn)云球體。
[0039] 構(gòu)建一個(gè)以待提取的局部特征點(diǎn)為球心，預(yù)設(shè)長(zhǎng)度為半徑的點(diǎn)云球體。
[0040] 202、對(duì)點(diǎn)云球體進(jìn)行分割。
[0041] 沿方向角、仰角和以及點(diǎn)云球體的半徑，將點(diǎn)云球體進(jìn)行分割，得到若干個(gè)與待提 取局部特征點(diǎn)相鄰的體元素。
[0042] 203、確定每個(gè)體元素的點(diǎn)所在的局部參考系。
[0043] 其中，如圖3所示，確定局部參考系的過程如下：
[0044] 2 0 3 A、 根據(jù)公式（1 )計(jì)算協(xié)方差矩