多角度三維數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)配準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多角度三維數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的3D掃描系統(tǒng)只能夠?qū)呙璺秶鷥?nèi)的表面可見信息進(jìn)行掃描，為了獲取物體 完整的3D模型，常需將掃描器本身進(jìn)行移動，或者將被掃描物體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或者移動，來完成 物體不同角度三維信息的獲取。由于掃描系統(tǒng)的位置或者物體位置的變化，每次掃描數(shù)據(jù) 都被限定在不同的掃描儀坐標(biāo)系或者物體坐標(biāo)系下，從而導(dǎo)致輸出3D數(shù)據(jù)無法直接有序排 列到一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系內(nèi)。為了得到物體完整的3D信息，需要對這些多角度的3D掃描數(shù)據(jù) 進(jìn)行匹配?，F(xiàn)有的3D掃描系統(tǒng)中，常用的掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法有以下四種：
[0003] (1)手動法:手動在相鄰掃描數(shù)據(jù)上選擇對應(yīng)點(diǎn)，然后根據(jù)對應(yīng)點(diǎn)的位置變換計(jì)算 變換矩陣對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。該類方法要求相鄰掃描數(shù)據(jù)存在較大的重疊區(qū)域，這一要 求限制了掃描旋轉(zhuǎn)角度，從而導(dǎo)致掃描效率的降低。該類方法的另一個缺點(diǎn)在于數(shù)據(jù)排列 的準(zhǔn)確性取決于操作人員的輸入精度，而對于沒有明顯特征的表面，輸入精度就更加難以 保證。再次是這類非自動的配準(zhǔn)方法耗費(fèi)人力且效率不高。
[0004] (2)標(biāo)記法:在掃描物體上附著上一個小的可檢測的物體，成為標(biāo)記或者目標(biāo)，由 操作員識別并進(jìn)行精確的輸入或者通過其他輔助的圖像處理算法和幾何算法識別相應(yīng)點(diǎn) 進(jìn)行輸入，完成相鄰掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。該類方法與手動方法相比在精度和效率上有所提高 但是還是存在以下幾個缺點(diǎn)：①必須確保相鄰兩次掃描視線中存在一定數(shù)目的標(biāo)記點(diǎn)，從 而限制了被掃描物體每次的轉(zhuǎn)動角度，增加了掃描次數(shù)和數(shù)據(jù)量;②在物體掃做標(biāo)記或者 附加標(biāo)記，有可能對掃描物體造成損害，同時在由于標(biāo)記的物理尺寸可能導(dǎo)致掃描對象表 面信息的遮蓋，造成掃描數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)損失;③標(biāo)記的數(shù)目以及大小無法建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo) 記數(shù)目太少，掃描數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)標(biāo)記不足，標(biāo)記數(shù)目太多，可能造成掃描數(shù)據(jù)干擾嚴(yán)重的 問題，標(biāo)記的物理尺寸太小，可能無法檢測，標(biāo)記物理尺寸太大，可能導(dǎo)致操作員輸入精度 下降。
[0005] (3)圖像和幾何分析方法:該類方法通過檢測相鄰視角的圖像或者掃描數(shù)據(jù)，通過 檢測和提取特征，同時對特征進(jìn)行配準(zhǔn)來完成模型的配準(zhǔn)。該類方法的缺點(diǎn)在于:①方法對 于掃描物體的表面特征和紋理存在限制，在紋理不明顯或者特征不明顯的情況下，該方法 可能無法完成配準(zhǔn)任務(wù);②方法需要檢測相鄰圖片的對應(yīng)像素點(diǎn)或者檢測相鄰掃描數(shù)據(jù)的 對應(yīng)特征點(diǎn)，算法計(jì)算量大，且誤差來源無法保證;③通過像素匹配和幾何特征匹配的方 法，需要相鄰掃描數(shù)據(jù)存在一定的重疊面積以便檢測對應(yīng)特征，從而導(dǎo)致掃描視角移動的 角度的限制，增加掃描次數(shù)，降低的掃描效率。
[0006] (4)轉(zhuǎn)盤軸心標(biāo)記法:通過計(jì)算轉(zhuǎn)盤中軸在掃描儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，同時通過獲取 旋轉(zhuǎn)角度來計(jì)算每片掃描數(shù)據(jù)的變換坐標(biāo)，從而完成數(shù)據(jù)整體配準(zhǔn)。目前該類方法存在的 問題是無法準(zhǔn)確將轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸標(biāo)定到掃描儀坐標(biāo)系內(nèi)。通常該類標(biāo)定都采用球進(jìn)行標(biāo)定， 然而由于掃描儀視角有限，每次掃到球面面積有限，通過擬合計(jì)算標(biāo)定球的球心，算法本身 就存在擬合誤差。同時通過轉(zhuǎn)臺移動小球，得到三個球心位置并再次進(jìn)行擬合推算轉(zhuǎn)臺軸 心位置。之后通過計(jì)算的軸心得到粗配數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)配準(zhǔn)。該類方法無法 脫離掃描數(shù)據(jù)的精細(xì)配準(zhǔn)步驟，配準(zhǔn)效率低，且現(xiàn)有的各類精細(xì)配準(zhǔn)算法的適用性有限，無 法使用一種算法完成所有模型的精配準(zhǔn)，且由于算法穩(wěn)定性問題，每次配準(zhǔn)后需要人為判 斷，耗費(fèi)人力。另外一種方法是在轉(zhuǎn)軸中心擺放平面物體，通過多次掃描得到的平面數(shù)據(jù)的 交線作為轉(zhuǎn)軸，但需要平面物體擺放位置非常精確，有較高的操作要求，難以保證每次都成 功。
[0007] 隨著3D數(shù)字化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)有的3D掃描技術(shù)在往自動化的方向發(fā)展，也就 是自動化的從各個角度對物體進(jìn)行3D掃描，然后實(shí)現(xiàn)多角度3D數(shù)據(jù)的全自動配準(zhǔn)過程。其 中所涉及的關(guān)鍵問題就是如何精確簡便的實(shí)現(xiàn)多角度3D信息的自動配準(zhǔn)，目前應(yīng)用較多的 就是采用精密轉(zhuǎn)臺控制物體旋轉(zhuǎn)，然后根據(jù)已知的旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)物體多角度3D信息的配 準(zhǔn)?，F(xiàn)有技術(shù)中與多角度3D信息的配準(zhǔn)類似的例子主要包括如下幾項(xiàng)：
[0008] (1)中國專利申請第200410031157號公開了一種基于大規(guī)模場景多視點(diǎn)激光掃描 數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)的方法。三維特征反映了場景內(nèi)在的結(jié)構(gòu)特征，簡化了場景的幾何復(fù)雜度，是 多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的有效基元。該發(fā)明在確保在激光測距儀Z軸垂直地面，且X和Y軸平行 于地面的情況下獲取掃描數(shù)據(jù)，同時確保相鄰視點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)保持10%-20%的重疊;提取被 測場景內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征，簡化場景的幾何復(fù)雜度;通過計(jì)算虛擬特征與構(gòu)建特征單元對數(shù)據(jù) 進(jìn)行粗配準(zhǔn)精配準(zhǔn)和全局配準(zhǔn)。該發(fā)明適用于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的場景多視點(diǎn)激光掃描數(shù)據(jù)自動配 準(zhǔn)。
[0009] (2)中國專利申請第03817891號公開了一種使用光學(xué)自動排列3D掃描數(shù)據(jù)的設(shè)備 和方法，其中，采用非接觸型標(biāo)記以自動地排列3D數(shù)據(jù)，同時即不會丟失也不會損壞物體的 被掃描部分。該設(shè)備使用光學(xué)標(biāo)記用于自動排列通過以不同的角度拍攝物體所獲得的3D掃 描數(shù)據(jù)，該設(shè)備包括:標(biāo)記產(chǎn)生裝置，用于將多個光學(xué)標(biāo)記投射到物體表面上，團(tuán)投射裝置 用于將圖案投射在該物體的表面以獲得包括投射在該物體的表面上的該物體的2D圖像數(shù) 據(jù)，以及用于通過投射在該物體表面上的圖案獲得該物體的3D掃描數(shù)據(jù);圖像獲得裝置，用 于獲得包括投射在該物體的表面上得該物體的2D圖像數(shù)據(jù)，以及用于通過投射在該物體的 表面上的圖案獲得該物體的3D掃描數(shù)據(jù)；以及控制裝置，用于從該2D圖像數(shù)據(jù)和3D掃描數(shù) 據(jù)之間的關(guān)系計(jì)算標(biāo)記的3D位置，并基于標(biāo)記的3D位置計(jì)算該3D掃描數(shù)據(jù)的相對位置。
[0010] (3)中國專利申請第200710018782號公開了一種多視角三維人臉掃描數(shù)據(jù)自動配 準(zhǔn)方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟:將多視角三維人臉掃描數(shù)據(jù)用PCA方法進(jìn)行坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換， 對轉(zhuǎn)換后的模型計(jì)算其Shape Index值，并采用閾值分割的方法篩選出若干特征區(qū)域;利用 區(qū)域相對分布特征來約束區(qū)域的篩選，最終定位出標(biāo)志區(qū)域；眼鏡內(nèi)，外眼角及鼻尖點(diǎn)區(qū) 域;對于標(biāo)志區(qū)域采用ICP方法進(jìn)行配準(zhǔn)，將整體掃描數(shù)據(jù)此阿勇區(qū)域配準(zhǔn)得到的轉(zhuǎn)換參數(shù) 進(jìn)行坐標(biāo)評移動和旋轉(zhuǎn)變換，完成配準(zhǔn)。由于本發(fā)明粗配準(zhǔn)采用坐標(biāo)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法，以 整體特征代替?zhèn)€體點(diǎn)特征，降低了特征點(diǎn)監(jiān)測所帶來的誤差;精配準(zhǔn)僅對提出的特征區(qū)域 進(jìn)行配準(zhǔn)迭代運(yùn)算，降低了運(yùn)算復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了多姿態(tài)三維掃描數(shù)據(jù)的自動配準(zhǔn)。
[0011] (4)中國專利申請第200710122787號公開了一種識別和定義整體坐標(biāo)系的自動機(jī) 制，這種整體坐標(biāo)系最適用于形成網(wǎng)格模型的原始3D掃描數(shù)據(jù)的集合。更具體而言，被識別 的坐標(biāo)系能夠最小化偏差誤差的總和，同時最小化原始3D掃描數(shù)據(jù)的峰值誤差。該發(fā)明以 完全自動地方式從原始3D掃描數(shù)據(jù)搜尋適合的坐標(biāo)系。識別出能夠使整體偏差誤差最小的 多個坐標(biāo)系，并呈現(xiàn)給用戶。在基于所選坐標(biāo)系變換3D掃描數(shù)據(jù)的對齊之前，還允許終端用 戶交互式地編輯建議的坐標(biāo)系參數(shù)。
[0012] (5)中國專利申請第200810224183號公開了一種結(jié)合紋理信息的深度圖像自動配 準(zhǔn)方法，用于各種真實(shí)物體三維模型的重建，步驟為:①從掃描數(shù)據(jù)中提取或者根據(jù)深度圖 像生成紋理圖像;②基于SIFT特征提取紋理圖像中的興趣像素，并通過交叉檢驗(yàn)的方法從 中找出匹配像素對的候選集;③根據(jù)幾何信息約束找出候選集中正確的匹配像素對;④在 三維空間中找出和匹配像素對應(yīng)的匹配頂點(diǎn)對，計(jì)算出兩幅深度圖像間的工體置換矩陣； ⑤使用改進(jìn)的ICP算法優(yōu)化這一結(jié)果;⑥基于兩深度圖像配準(zhǔn)，將多度深度圖像的輸入序列 分成若干條帶狀的子序列;⑦采用一種向前搜索的策略合并這些子序列，并構(gòu)造完整的三 維模型。本該發(fā)明可用于完成大規(guī)模三維掃描數(shù)據(jù)，生成三維模型。
[0013] (6)中國專利申請第02138210.7號公開了實(shí)現(xiàn)三維像機(jī)多視角數(shù)據(jù)采集及對齊復(fù) 位的方法，該方法是一種在單個視角三維像機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行物體表面三維數(shù)據(jù)多視角采 集，以及將各個視角采集的數(shù)據(jù)對齊復(fù)位于同一個空間坐標(biāo)系中的方法，該方