物體三維模型的獲取方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于三維可視化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種物體三維建模方法和系統(tǒng)，具體是利用深度相機(jī)，基于三維物體模板建立，重建物體的三維模型；被廣泛應(yīng)用于文物數(shù)字化、生物醫(yī)學(xué)成像、動(dòng)漫制作、工業(yè)測(cè)量、沉浸式虛擬交互、人機(jī)交互、游戲、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、視頻監(jiān)控、機(jī)器人、汽車工業(yè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]三維物體掃描重建是獲取并分析現(xiàn)實(shí)世界中物體、環(huán)境的形狀(幾何構(gòu)造)與外觀數(shù)據(jù)(如顏色、表面反射率等屬性)，利用獲取的信息在虛擬世界中建立對(duì)應(yīng)的數(shù)字模型?，F(xiàn)有的三維掃描設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不易、價(jià)格昂貴，不適合民用和普及。傳統(tǒng)的三維激光掃描儀、結(jié)構(gòu)光掃描儀可以精確地捕獲物體表面的三維幾何信息，但這類設(shè)備一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易操作且價(jià)格昂貴。利用多臺(tái)彩色攝像機(jī)，立體視覺系統(tǒng)可以低成本地獲取三維幾何信息，但這類系統(tǒng)一般計(jì)算復(fù)雜度高、算法魯棒性較低且比教難處理紋理及存在遮擋的情況。深度相機(jī)價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)小巧、使用方便、不易受紋理光照的影響，且能實(shí)時(shí)捕獲物體表面深度與色彩信息；同立體視覺方法相比，深度相機(jī)基于主動(dòng)發(fā)射近紅外光原理，計(jì)算復(fù)雜度低、不易受物體表面紋理及光照變化的影響。
[0003]Kinect的出現(xiàn)，可以說在三維成像領(lǐng)域是一場(chǎng)革命性的變革。有一些文獻(xiàn)將Kinect 應(yīng)用于三維重建中。例如 Engelhand N, Endres F, Hess J, Sturm J, BurgardW 等人的文章 “Real-ti me3D visual SLAM with a hand-held RGB-D camera” (發(fā)表在 Proceedings of the RGB-D Workshop on3D Percept1n in Robotics at theEuropean Robotics Forum。Vasteras, Sw eden:Robotdalen, 2011),文章中，Nikolas 等利用Kinect提供的RGB-D相機(jī)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)時(shí)的視覺SLAM系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠用于場(chǎng)景重建。其主要方法是利用彩色攝像機(jī)進(jìn)行SURF特征匹配，先獲得攝像機(jī)位置的初值，然后用ICP(Interative closest point)算法。進(jìn)行三維點(diǎn)云配準(zhǔn)并對(duì)相機(jī)位置進(jìn)行優(yōu)化。但是該方法需要手動(dòng)旋轉(zhuǎn)物體或移動(dòng)Kinect ;且需要提取圖像特征點(diǎn)進(jìn)行局部配準(zhǔn)。
[0004]再例如杭州電子科技大學(xué)吳以凡、朱江濤、周亮、魯棟棟、孫志海、吳艷萍、戴國駿的發(fā)明專利“一種人體三維掃描重建裝置和方法”(申請(qǐng)公布號(hào)CN103606187A，申請(qǐng)公布日2014.02.26)，吳以凡等人將2臺(tái)Kinect固定在固定桿上離地面0.5m和1.4m高度處，朝向電動(dòng)云臺(tái)，人站在電動(dòng)云臺(tái)上，隨云臺(tái)以2rpm勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)Kinect相機(jī)掃描人體，分別采集人體上下兩片點(diǎn)云三維數(shù)據(jù)；然后使用迭代最近點(diǎn)拼接方法拼接兩部分的三維數(shù)據(jù)，得到最終完整的三維人體模型。但是該方法一般計(jì)算量較大，且不太適合動(dòng)態(tài)物體。
[0005]再例如廈門理工學(xué)院許華榮、劉鑫、王曉棟、黃鵬程發(fā)明專利“基于Kinect的物體快速三維建模方法”(申請(qǐng)公布號(hào)CN1032279987，申請(qǐng)公布日2013.09.04)，許華榮等人利用多臺(tái)Kinect分別以不同視角正對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中央的欲重建物體，獲取物體的三維信息，將位于不同坐標(biāo)系的Kinect的深度信息統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系，利用基于法線校正的外點(diǎn)去除方法過濾錯(cuò)誤的三維點(diǎn)云，得到物體的三維模型。但是該方法一般計(jì)算量較大，且不太適合動(dòng)態(tài)物體。
[0006]再例如，N.J.Mitra, S.Flory, M.0vs janikov, N.Gelfand, L.Guibas, H.Pottmann.Dynamic geometry registrat1n.Proceedings of the Fifth Eurographics Symposiumon Geomet ry processing, Barcelona，2007:173-182，文章中使所有的掃描數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)四維時(shí)空曲面,然后利用運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性跟蹤配準(zhǔn)多巾貞數(shù)據(jù)。Q.X.Huang, B.Adams, M.fficke,L.J.Guibas.Non-rig id registrat1n under isometric deformat1ns.ComputerGraphics Forum, 2008, 27 (5):1449_1457，文章中通過一些幾何特征以及等距變換約束對(duì)非線性變形的兩幀數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。但是該方法一般要求掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，并且通常要求連續(xù)兩幀數(shù)據(jù)相差不大，且一般計(jì)算量較大。
[0007]基于精確模板的非剛體配準(zhǔn)方法主要先獲取一個(gè)相對(duì)精確的模板網(wǎng)絡(luò)，然后利用這一模板向各巾貞數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。B.Allen,B.Curless, Z.Popovic.The space of human bodyshape s:reconstrat1n and parameterizat1n from range scans.ACM Transact1nson Graphi cs，2003，22 (3):587_594，文章中借助人工標(biāo)定的特征點(diǎn)，用基于能量?jī)?yōu)化的方法利用模板對(duì)不同數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合，從而建立起拓?fù)湟恢碌娜梭w數(shù)據(jù)庫。但是該方法需要一個(gè)精確的模板，這對(duì)于很多實(shí)際應(yīng)用來說難以獲取，尤其對(duì)于動(dòng)態(tài)物體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服現(xiàn)有的人體三維重建方法設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜的不足，本發(fā)明提供了一種生成物體三維模型的方法和系統(tǒng)，不僅能夠快速重建物體的三維模型，而且簡(jiǎn)單易用、成本低廉、不受環(huán)境光影響。
[0009]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種生成物體三維模型的方法，所述方法包括以下步驟:
[0010]獲取攝像頭采集的彩色圖像信息以及深度數(shù)據(jù)信息；
[0011]去除平面和降低取樣；
[0012]選擇隨機(jī)樣本點(diǎn)和計(jì)算機(jī)描述符；
[0013]模型預(yù)處理，模型的計(jì)算機(jī)描述符和填充到hash表；
[0014]決定輸入3D數(shù)據(jù)和3D物體模型的匹配區(qū)域；
[0015]用3D模型數(shù)據(jù)填充匹配局域內(nèi)的遺漏和模糊點(diǎn)；
[0016]用3D模型數(shù)據(jù)外插無法觀察到的區(qū)域；
[0017]獲取完整高精度的3D模型。
[0018]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種生成物體三維模型的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
[0019]成像模塊、處理模塊和對(duì)象物體。將被測(cè)對(duì)象物體置于攝像頭前，系統(tǒng)啟動(dòng)后成像模塊首先初始化各種參數(shù)，開啟攝像頭，攝像頭開始獲取物體的彩色圖像信息和深度數(shù)據(jù)，并將獲取到的數(shù)據(jù)交由處理模塊。處理模塊進(jìn)行處理:對(duì)攝像頭采集數(shù)據(jù)進(jìn)行去除平面和降低取樣；選擇隨機(jī)樣本點(diǎn)并計(jì)算描述符；對(duì)模型進(jìn)行預(yù)處理，計(jì)算模型描述符并填充到hash表；決定輸入3D數(shù)據(jù)和3D物體模型的匹配區(qū)域；用3D模型數(shù)據(jù)填充匹配局域內(nèi)的遺漏和模糊點(diǎn)；用3D模型數(shù)據(jù)外插無法觀察到的區(qū)域；獲取完整高精度的3D模型。最后將處理模塊處理所得的3D模型交由顯示器顯示。
[0020]有益效果
[0021]本發(fā)明的有益效果是，基于深度相機(jī)建立簡(jiǎn)單易用三維物體掃描重建系統(tǒng)，重建高質(zhì)量的三維物體模型，價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單。
[0022]可靠性:即使存在嘈雜或部分掃描信息時(shí)，也始終能夠輸出一個(gè)完全成形的三維模型；
[0023]易于使用:完全自動(dòng)化的過程；
[0024]高性能:直接得到已知數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于后續(xù)的分析和測(cè)量；
[0025]快速:單步過程(不重復(fù))，可適應(yīng)于動(dòng)態(tài)物體。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的生成物體三維模型的方法的實(shí)現(xiàn)流程示意圖。
[0027]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的生成物體三維模型的