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(dòng)拼接算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 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(dòng)拼接算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在多視點(diǎn)圖像三維幾何建模系統(tǒng)中對(duì)三維外形構(gòu)建的過(guò)程中，相鄰視點(diǎn)圖像之間 的幾何建模僅僅能夠獲取被測(cè)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(duì)每?jī)蓚€(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。
[0003] 為了得到被測(cè)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(dòng)拼接和配準(zhǔn)一直是一個(gè)棘手的問(wèn)題?，F(xiàn)有的方法主要包括以下幾種：
[0004] 1)通過(guò)在被測(cè)量的物體表面粘貼輔助的標(biāo)記點(diǎn)，對(duì)幾次不同測(cè)量的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行搜 索構(gòu)建匹配的標(biāo)記點(diǎn)對(duì)，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(guò) 這些匹配的共同標(biāo)記點(diǎn)，計(jì)算多次不同視點(diǎn)測(cè)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(dòng)拼接。
[0005] 但是在被測(cè)量物體表面粘貼輔助標(biāo)記點(diǎn)不但會(huì)破壞被測(cè)量物體表面的紋理信息， 同時(shí)無(wú)法對(duì)標(biāo)記點(diǎn)粘貼覆蓋處的被測(cè)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(cè)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。
[0006] 2)利用一些云臺(tái)確定被測(cè)量物體與多視點(diǎn)之間的位置變化關(guān)系，通過(guò)云臺(tái)的運(yùn)動(dòng) 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。
[0007] 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(duì)較大的物體進(jìn)行測(cè)量。
[0008] 3)手工選取匹配的特征點(diǎn)進(jìn)行預(yù)先匹配，接著通過(guò)現(xiàn)有的商業(yè)軟件處理算法完成 對(duì)點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的拼接。
[0009] 此類方法首先需通過(guò)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(guò)大無(wú)法達(dá) 到理想的拼接效果，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)拼接。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 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(dòng)拼接算法，無(wú) 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(dòng)拼接和匹配，簡(jiǎn)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。
[0011] -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(dòng)拼接算法，包括：
[0012] 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(duì)；
[0013] 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(duì)，計(jì) 算表征各個(gè)視點(diǎn)與參考視點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系的關(guān)系對(duì)應(yīng)矩陣；
[0014] 步驟3,對(duì)關(guān)系對(duì)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(duì)的關(guān)系平移向量和關(guān)系旋轉(zhuǎn)向量；
[0015] 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(dòng)拼接。
[0016] 不同視點(diǎn)的數(shù)目越多，自動(dòng)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(huì)大大地增加，優(yōu)選地，不同視點(diǎn)的數(shù)目至少為6個(gè)。
[0017] 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。
[0018] 步驟3中對(duì)關(guān)系對(duì)應(yīng)矩陣進(jìn)行奇異值分解后，可以得到特征匹配點(diǎn)對(duì)的關(guān)系平移 向量和關(guān)系旋轉(zhuǎn)向量，特征匹配點(diǎn)對(duì)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。
[0019] 不同視點(diǎn)下的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)通過(guò)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。
[0020] 作為優(yōu)選，特征匹配點(diǎn)對(duì)的數(shù)目為100~120個(gè)。進(jìn)一步優(yōu)選，特征匹配點(diǎn)對(duì)的數(shù)目 為100個(gè)。
[0021 ]在計(jì)算關(guān)系對(duì)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(duì)中隨機(jī)選取100個(gè)特征匹配點(diǎn)對(duì)進(jìn)行計(jì)算。（每個(gè)視點(diǎn)選取100個(gè)特征匹 配點(diǎn)對(duì)）
[0022]對(duì)η個(gè)不同的視點(diǎn)分別進(jìn)行編號(hào)，依次為1，2,3......η，參考視點(diǎn)，即η= 1，計(jì)算第 k(k = 2,3......η)個(gè)視點(diǎn)與參考視點(diǎn)之間的相對(duì)幾何關(guān)系時(shí)，從第k(k = 2,3……η)個(gè)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(duì)中隨機(jī)選取100個(gè)特征匹配點(diǎn)對(duì)，進(jìn)行計(jì)算。 [0023]第k(k = 2,3……η)個(gè)視點(diǎn)與參考視點(diǎn)的相對(duì)幾何關(guān)系共同構(gòu)成關(guān)系對(duì)應(yīng)矩陣M。 [0024]作為優(yōu)選，所述步驟2中計(jì)算關(guān)系對(duì)應(yīng)矩陣時(shí)使用優(yōu)化機(jī)制。使用優(yōu)化機(jī)制可以進(jìn) 一步保證計(jì)算得到的關(guān)系對(duì)應(yīng)矩陣的魯棒性，增加對(duì)誤特征匹配點(diǎn)對(duì)的容錯(cuò)性。
[0025]假設(shè)優(yōu)化機(jī)制在特征匹配點(diǎn)對(duì)中進(jìn)行多次隨機(jī)選取，每次選取百對(duì)特征匹配點(diǎn) 對(duì)，對(duì)于某一視點(diǎn)中的圖像1中的100個(gè)特征匹配點(diǎn)，針對(duì)這100個(gè)特征匹配點(diǎn)PU=1。。。。1QQ)，通 過(guò)極線幾何約束關(guān)系，尋找其在該視點(diǎn)圖像2中對(duì)應(yīng)的極線L(i=u_i(xn，然后計(jì)算p(i=uo) 對(duì)應(yīng)的該視點(diǎn)圖像2中的特征點(diǎn)到1^=1。。。。1〇〇)的距離D(i=i。。。?！?，并計(jì)算總的距離D = Di+D2+ D3+……+D99+D1(x)，最后選取總的距離D值最小的一組匹配點(diǎn)對(duì)作為最終特征匹配點(diǎn)對(duì)。采用 這種優(yōu)化方法一方面可以通過(guò)極限幾何約束提高特征匹配點(diǎn)對(duì)的容錯(cuò)性，另一方面也能夠 保證算法的魯棒性。
[0026] 所述步驟3中對(duì)關(guān)系對(duì)應(yīng)矩陣Μ進(jìn)行奇異值分解，奇異值SVD分解(Singular Value Decomposition)可以計(jì)算兩個(gè)不同視點(diǎn)之間的歸一化的關(guān)系平移向量T和關(guān)系旋轉(zhuǎn)矩陣R， 然后利用多視點(diǎn)中的其它各個(gè)視點(diǎn)與參考視點(diǎn)之間特征匹配點(diǎn)對(duì)的關(guān)系平移向量T和關(guān)系 旋轉(zhuǎn)矩陣R，求出各個(gè)視點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)相對(duì)參考視點(diǎn)的實(shí)際關(guān)系平移向量T\
[0027]本發(fā)明基于多視點(diǎn)圖像三維建模的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼接算法，只需利用不同 視點(diǎn)下的特征匹配點(diǎn)對(duì)，即可實(shí)現(xiàn)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(dòng)拼接， 簡(jiǎn)單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，操作方便，并能達(dá)到較高的建模精度。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本發(fā)明基于多視點(diǎn)圖像三維建模的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼接算法的流程 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0030] 如圖1所示，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(dòng)拼接算法，包括 如下步驟：
[0031] (1)計(jì)算關(guān)系對(duì)應(yīng)矩陣Μ
[0032] 在不同視點(diǎn)下，拍攝得到被建模物體的多幅圖像，不同視點(diǎn)依次標(biāo)記為1，2,3…… η，隨機(jī)選取一個(gè)視點(diǎn)為參考視點(diǎn)，例如取η = 1為參考視點(diǎn)。
[0033] 建立第k(k = 2,3……η)個(gè)視點(diǎn)與參考視點(diǎn)之間隨機(jī)圖像Ik和隨機(jī)圖像I1之間穩(wěn)定 的特征匹配點(diǎn)對(duì)，假設(shè)隨機(jī)圖像I k和隨機(jī)圖像I1中的特征點(diǎn)在各自視點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)系下對(duì) 應(yīng)的圖像坐標(biāo)分別為ι^ι1，利用三維向量分別表示為(ιΛιΑιΑ,α/,ιΛι/)。
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