CN106228603B - 一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构系统及方法。本发明，三维模型生成单元对拍摄得到的不同角度下的立体像对进行处理，转换为不同坐标系下的物体表面点坐标的集合并记录；再通过不同坐标系下各标志点之间的距离、进行比对；以确定同一标志点在不同坐标系下的对应关系，将确认为不同坐标系下的同一标志点作为同名点；通过同名点在不同坐标系下的对应关系计算反推不同坐标系之间的变换参数，再依次通过相邻视角的坐标系依次拼接，最终实现重构完整的物体表面三维模型。本发明通过直方图法对各坐标系下标志点是否构成同名点进行了数理上的有效统计，提高了同名点的精确度，从而实现了三维模型重构的完整性。

Description

一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉处理，具体地涉及一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构系统及方法。

背景技术

计算机视觉领域中由两个或多个相机在不同位置对同一场景进行拍摄得到成对的图像称为立体像对，在立体像对图像中寻找同名点，利用前方交会得到该像对对应的空间点的三维坐标。同名点是空间中同一点在两幅图像上投影的像素点。对立体像对中所有像素点进行密集匹配即可得到场景中物体表面的点云数据。点云数据作为建立近景物体的三维表面模型的基础，在获取的过程中由于拍摄视野范围有限，物体自身遮挡等原因，单次获取物体完整表面模型是很难的，通常需要多个视角拍摄，将各个视角下得到的点云数据进行拼接，将其统一在一个坐标系下，才能得到完整的表面模型。为了准确、方便地完成点云拼接，可以在物体表面粘贴若干视觉标志点，利用不同视角下标志点的三维坐标，寻找对应的坐标变换关系。这种标志点拼接的方法操作方便、便于计算，准确度高。

对于近景物体不同视角下的点云数据，将其视为刚性变换，即只有平移旋转和缩放的变换，在这种变换下利用标志点的空间相对位置不变性可寻找不同视角点云中的对应点，进而通过四元数法等方法求解变换参数(源引自《基于标志点的三维数据拼接方法研究》、《Closed-form solutionof absolute orientation using unit quaternions》)。现在的标志点拼接多采用距离矩阵存储点之间的欧式距离，比较距离矩阵中的近似相等线段来推断对应的标志点。这种方法没有考虑全局中的所有标志点，有一定缺陷，并且计算复杂度较高。

发明内容

本发明的目的克服现有的基于欧式距离比对方法准确度、完成度较低，而提供一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构系统及方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构系统的重构方法，包括如下步骤：

S1，获得物体在若干个视角下的立体像对，确保视野区域覆盖整个物体表面；

S2，针对每一个所述立体像对，建立坐标系，并得到物体表面点在该坐标系上的坐标集合；

S3，确定不同坐标集合中表示同一物体表面点的坐标点，并将该同一物体表面点命名为同名点；

S4，根据同名点在不同坐标系中的坐标点，计算不同坐标系之间的转换方程式，并根据所述转换方程式实现其中一个坐标系中所有坐标点向另一个坐标系中的转化；

S5，选择一个视角下的坐标系作为最终坐标系，通过重复步骤S3、S4将其他视角的坐标点集合向其相邻视角的坐标系转换，逐步转换至最终坐标系。

进一步地，在所述坐标集合中选取两个至少有三个公共点的坐标集合，分别计算这两个坐标集合中两两坐标点之间的距离，对坐标点之间的距离进行比较，以确定同一表面点在不同坐标系下的坐标，将确认为在不同坐标系下表示同一表面的坐标点的点作为同名点。

进一步地，所述S1之前在物体表面粘贴圆形的标志点，所述S4根据粘贴圆形的标志点的同名点在不同坐标系中的坐标点，计算不同坐标系之间的转换方程式。

进一步地，所述S4中计算不同坐标系之间的转换方程式的具体实施包括：其中有m个标志点的坐标系P的两两标志点之间线段集合为：{p12,p13,...,p1m,p23，...，pij，...p(m-1)m}；具备n个标志点的坐标系Q中两两标志点之间的线段集合为{q12,q13,...,q1n,q23，...，qxy，...q(n-1)n}；其中pij为坐标系P中始末标志点序号为i、j的线段；qxy为坐标系Q中始末标志点序号为x、y的线段；

为坐标系P中全部m个标志点每个点绘制一幅直方图，共m幅直方图；其中直方图横轴为坐标系Q中n个标志点的对应序号1—n，纵轴为初始值为0的频数；对坐标系P中所有两两标志点之间线段的长度与坐标系Q中所有两两标志点之间线段的长度进行比对，当pij的长度≈qxy的长度时，则在点i的直方图横轴上序号x、y处的纵轴频数累加1，同样地对点j的直方图横轴上的序号x、y处的纵轴频数累加1；对于坐标系P任一点与其直方图中频数最高点在坐标系Q中对应的点表示同一标志点。

进一步地，所述S3对坐标系P的两两标志点之间线段集合各线段的长度与坐标系Q中两两标志点之间的线段集合中各线段的长度进行对比之前，先分别对坐标系P中两两标志点之间线段以及坐标系Q中两两标志点之间线段进行长度值排序；按照长度排序依次选取坐标系P的两两标志点之间线段的长度，在坐标系Q的两两标志点之间线段长度序列中选取第一条长度近似相等的线段，即认为满足条件“pij的长度≈qxy的长度”，再依次向后比较，在遇到超出近似相等范围内的线段时不再往下寻找。

本发明还提出了一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构系统，包括单元：

图像获取单元：用于获取物体的立体像对；

三维模型生成单元：用于针对每一个所述立体像对，建立坐标系，并得到物体表面点在该坐标系上的坐标集合；

同名点选择单元：用于确定不同坐标集合中表示同一物体表面点的坐标点，并将该同一物体表面点命名为同名点；

变换参数获取单元：用于根据同名点在不同坐标系中的坐标点，计算不同坐标系之间的变换参数得到转换方程式，并根据所述转换方程式实现其中一个坐标系中所有坐标点在另一个坐标系中的转化；

三维模型重构单元：用于选择一个视角下的坐标系作为全局坐标系，将其他视角的坐标集合向其相邻视角的坐标系转换，逐步转换至全局坐标系。

进一步地，所述图像获取单元对物体的所有角度下进行拍摄时，两台相机的相对位置、角度保持固定不变。

本发明通过直方图法对各坐标系下标志点是否构成同名点进行了数理上的有效统计，提高了同名点的精确度，从而实现了三维模型重构的完整性。

附图说明

图1为本发明的系统流程图；

图2为本发明中不同坐标系下坐标转换示意图；

图3为立体像对中同名点前方交会示意图；

图4为本发明中实现欧式距离统计的直方图；

图5为本发明中多视角点云示意图(其一)；

图6为本发明中多视角点云示意图(其二)；

图7为本发明中多视角点云示意图(其三)；

图8位本发明三维模型重构成果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

操作人员在需要待构建模型的物体表面粘贴圆形的标志点，进行拍照，每个拍摄视角需要有两个相对位置固定的相机拍摄，如图2所示中左右相机的相对位置固定，得到该视角下的立体像对，针对每个视角下的立体像对，建立局部坐标，根据摄影测量中前方交会得到该局部坐标系下，物体表面三维点坐标集合以及标志点三维点坐标集合，即利用立体相对进行密集匹配后可得到该视角下物体表面点的空间三维坐标，即获得如图5、图6、图7所示的立体像对。为建立完整的物体表面三维模型，需要将不同视角下的物体表面点云数据即坐标集合拼接在一起。由于圆形标志点在图像中便于识别，且标志点数量远远小于相较物体表面点的数量，利用标志点之间的空间变换关系可将各视角的物体表面点云数据拼接在一起，建立完整的物体表面三维模型。

在物体表面粘贴若干标志点，获取不同视角下的标志点三维坐标，例如坐标源坐标系Q中的共有41个标志点，坐标集合为{(-37.913，124.083，-295.536)，(110.528，101.711，-265.957)，(62.855，92.185，-283.989)，(160.516 81.689，-254.366)，…,(152.416，140.531，-246.689)}，而目标坐标坐标系P中有16个标志点，坐标集合为{(88.313，98.252，226.449)，(30.042，82.469，237.368)，(17.010，54.330，-243.174)，(113.263，47.775，-228.011)，…,(139.530，102.333，239.710)}。

计算坐标系P下中所有标志点的两两之间的欧式距离，记录距离集合为SP{pl1,pl2,…,pli，…,pl120}，计算Q中所有标志点的两两欧氏距离，记录距离集合为SQ{ql1,ql2,…,qlj,…,ql820}。

将SP和SQ中的距离从小到大进行排列得到排序后的SP{(13，29，22.714)(其中13、29分别为线段起点、终点标志点序号，22.714为距离长度)，(13，30，23.360)，(14，31，23.769)，…,(27，37，461.420)}，SQ{(1，2，31.549),(9，11，32.307),(10，12，34.073)}。

遍历SP中的所有距离，与SQ中的所有距离进行比较，如果pli与qlj近似相等，pli的两个端点为pa,pb，qlj的两个端点为qc,qd,则pa点直方图和pb点直方图的的第qc和qd处的频数累积1。

对点集P中每个点的直方图进行查找，直方图频数最高且大于3的组对应的组数即为Q中与之相对应的点号。如图4，P中1号标志点的直方图中点40处的频数最高，则如图3所示，1号点再Q中对应的标志点为40号点，P中1号点和Q中40号点为三维空间中的同一标志点，该标志点在P中坐标为(88.313，98.252，226.449)，在Q中坐标为(130.054，192.158，243.677)。

寻找到对应的标志点对后将所有对应的点对代入刚性变换方程，利用四元素法解算出变换参数。

将P中所有密集匹配得到的空间三维点按照计算出的变换参数，根据公式(1)进行计算，即可得转换到Q中，完成拼接。将各个视角下的点云数据依照该过程逐步拼接，最终构建出完整的统一在一个坐标系下的物体表面三维模型。

得到标志点在该视角下的三维坐标。将多个视角下得到的标志点坐标，统一在一个坐标系下，需要两两拼接得到变换关系，逐步统一。假设待变换坐标系的标志点集合为P(p1,p2,p3,…,pm)，变换目标坐标系的标志点集合为Q(q1,q2,…,qn)；三维标志点拼接需要将P转换到Q的坐标系中，如公式1所示，其中R为旋转矩阵，T为平移向量。至少需要寻找3组三维对应标志点才能求解变换参数。

Q＝P×R+T (1)

寻找到标志点后将所有对应的点，利用四元数法，解算出变换参数。依据该标志点的空间坐标变换参数可将P、Q两个视角下的物体表面点云数据统一在Q坐标系下。如图1所示，按照该方法依次将各个视角的点云数据统一在Q坐标系下，构成完整的物体表面三维模型。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，获得物体在若干个视角下的立体像对，确保视野区域覆盖整个物体表面；

S2，针对每一个所述立体像对，建立坐标系，并得到物体表面点在该坐标系上的坐标集合；

S3，确定不同坐标集合中表示同一物体表面点的坐标点，并将该同一物体表面点命名为同名点；

S4，根据同名点在不同坐标系中的坐标点，计算不同坐标系之间的转换方程式，并根据所述转换方程式实现其中一个坐标系中所有坐标点向另一个坐标系中的转化；

S5，选择一个视角下的坐标系作为最终坐标系，通过重复步骤S3、S4将其他视角的坐标点集合向其相邻视角的坐标系转换，逐步转换至最终坐标系；

所述S4中计算不同坐标系之间的转换方程式的具体实施包括：其中有m个标志点的坐标系P的两两标志点之间线段集合为：{p12,p13,...,p1m,p23，...，pij，...p(m-1)m}；具备n个标志点的坐标系Q中两两标志点之间的线段集合为{q12,q13,...,q1n,q23，...，qxy，...q(n-1)n}；其中pij为坐标系P中始末标志点序号为i、j的线段；qxy为坐标系Q中始末标志点序号为x、y的线段；

为坐标系P中全部m个标志点每个点绘制一幅直方图，共m幅直方图；其中直方图横轴为坐标系Q中n个标志点的对应序号1—n，纵轴为初始值为0的频数；对坐标系P中所有两两标志点之间线段的长度与坐标系Q中所有两两标志点之间线段的长度进行比对，当pij的长度≈qxy的长度时，则在点i的直方图横轴上序号x、y处的纵轴频数累加1，同样地对点j的直方图横轴上的序号x、y处的纵轴频数累加1；对于坐标系P任一点与其直方图中频数最高点在坐标系Q中对应的点表示同一标志点。

2.根据权利要求1所述的一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构方法，其特征在于，所述S3的具体实现包括：

在所述坐标集合中选取两个至少有三个公共点的坐标集合，分别计算这两个坐标集合中两两坐标点之间的距离，对坐标点之间的距离进行比较，以确定同一表面点在不同坐标系下的坐标，将确认为在不同坐标系下表示同一表面的坐标点的点作为同名点。

3.根据权利要求2所述的一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构方法，其特征在于，所述S1之前在物体表面粘贴圆形的标志点，所述S4根据粘贴圆形的标志点的同名点在不同坐标系中的坐标点，计算不同坐标系之间的转换方程式。

4.根据权利要求3所述的一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构方法，其特征在于：

所述S3对坐标系P的两两标志点之间线段集合各线段的长度与坐标系Q中两两标志点之间的线段集合中各线段的长度进行对比之前，先分别对坐标系P中两两标志点之间线段以及坐标系Q中两两标志点之间线段进行长度值排序；按照长度排序依次选取坐标系P的两两标志点之间线段的长度，在坐标系Q的两两标志点之间线段长度序列中选取第一条长度近似相等的线段，即认为满足条件“pij的长度≈qxy的长度”，再依次向后比较，在遇到超出近似相等范围内的线段时不再往下寻找。

5.一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构系统，其特征在于：包括

图像获取单元：用于获取物体的立体像对；

三维模型生成单元：用于针对每一个所述立体像对，建立坐标系，并得到物体表面点在该坐标系上的坐标集合；

同名点选择单元：用于确定不同坐标集合中表示同一物体表面点的坐标点，并将该同一物体表面点命名为同名点；

变换参数获取单元：用于根据同名点在不同坐标系中的坐标点，计算不同坐标系之间的变换参数得到转换方程式，并根据所述转换方程式实现其中一个坐标系中所有坐标点在另一个坐标系中的转化；

三维模型重构单元：用于选择一个视角下的坐标系作为全局坐标系，将其他视角的坐标集合向其相邻视角的坐标系转换，逐步转换至全局坐标系；

变换参数获取单元计算不同坐标系之间的转换方程式的具体实施包括：其中有m个标志点的坐标系P的两两标志点之间线段集合为：{p12,p13,...,p1m,p23，...，pij，...p(m-1)m}；具备n个标志点的坐标系Q中两两标志点之间的线段集合为{q12,q13,...,q1n,q23，...，qxy，...q(n-1)n}；其中pij为坐标系P中始末标志点序号为i、j的线段；qxy为坐标系Q中始末标志点序号为x、y的线段；

为坐标系P中全部m个标志点每个点绘制一幅直方图，共m幅直方图；其中直方图横轴为坐标系Q中n个标志点的对应序号1—n，纵轴为初始值为0的频数；对坐标系P中所有两两标志点之间线段的长度与坐标系Q中所有两两标志点之间线段的长度进行比对，当pij的长度≈qxy的长度时，则在点i的直方图横轴上序号x、y处的纵轴频数累加1，同样地对点j的直方图横轴上的序号x、y处的纵轴频数累加1；对于坐标系P任一点与其直方图中频数最高点在坐标系Q中对应的点表示同一标志点。

6.根据权利要求5所述的一种基于欧式距离统计拼接的三维模型重构系统，其特征在于：

所述图像获取单元对物体的所有角度下进行拍摄时，两台相机的相对位置、角度保持固定不变。