[发明专利]Kinect与关节臂结合的复合式测量和三维重建方法

权利要求书

1.一种Kinect与关节臂结合的复合式测量和三维重建方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S01：利用微软Kinect对待测物体及多个定标球进行测量和重建；

步骤S02：通过关节臂测量仪测量待测物体上Kinect无法测量的特征； 

步骤S03：通过Kinect和关节臂测量仪分别测量分布在待测物体四周的多个定标球，获得设备的多个测量基准点；采用定标球法实现不同坐标和点云数据的对齐变换；

步骤S04：利用计算机根据上述步骤获取的三维数据进行模型重建与实体化。

2.根据权利要求1所述的Kinect与关节臂结合的复合式测量和三维重建方法，其特征在于：

所述步骤一包括以下步骤：

步骤S011：通过Kinect在OpenNI的框架接口下完成空间点三维坐标的获取；

步骤S012：根据物体形状及其距离镜头的大致深度值，设定深度的最大和最小阈值，然后利用阈值分割方法分割出有效区域，把物体从背景中分离出来；

步骤S013：点云数据处理：利用Kinect获取的深度数据并转化为三维的点云数据格式进行存储，再将其可视化；然后，对点云进行噪声剔除、滤波及精简处理，改善点云质量，去除光学噪声和闪烁部分，并提高边缘部分的匹配程度；

步骤S014：点云拼接，转换为三维面片模型：在Kinect获取点云空间点信息时，通过Kinect摄像机在不同角度下扫描物体，每次扫描获得物体一个侧面的深度数据，并保证深度数据之间包含有一定的公共部分；点云拼接时，首先，通过初始拼接将不同坐标系下的点云数据进行旋转、平移等变换，使其大致处于同一坐标系下，为下一步的精确拼接提供较好的初始值；然后，在精确拼接的过程中，利用迭代就近点法优化刚体变换矩阵，使拼接后的两片点云间的距离均方差最小；点云拼接完成后，将点云模型转换为三角面片模型。

3.根据权利要求2所述的Kinect与关节臂结合的复合式测量和三维重建方法，其特征在于：所述步骤S011中，空间点三维坐标获取方法采用如下方式：

假设 Kinect 测量空间中任意点p离摄像头的距离为d，根据公式计算点p在空间中的实际位置，及实际深度值D

上式中D、d的单位均为厘米（cm），四个参数H、K、O、L的值分别为

，，，

利用上式计算出深度值D后，从 Kinect中提取任意点p完整的三维坐标；假设任意点p在帧图像的投影位置为 ，则点p三维坐标为

 、、、为Kinect相机参数，参数值分别为

, ，， 。

4.根据权利要求2所述的Kinect与关节臂结合的复合式测量和三维重建方法，其特征在于：所述步骤SO12中所述阈值分割方法采用的如下方式：

设图像对于输入图像的各个深度值为，确定两个深度(即阈值) 和，其中 ， 当像素深度值D大于或者小于，则，否则；

。

5.根据权利要求2所述的Kinect与关节臂结合的复合式测量和三维重建方法，其特征在于：所述步骤S03采用如下方式实现：

由Kinect设备扫描获取三个定标球，并通过最小二乘法拟合出三个定标球的球心坐标，设为，和；由关节臂测量仪测量三个定标球，每个定标球至少测量8个点，并通过算法拟合出定标球心坐标，设为，和；通过以下三个步骤实现坐标对齐变换：

（1）变换到；

（2）变换矢量到，仅考虑方向信息；

（3）变换包含三点，和的平面到包含，和的平面；

    采用的算法步骤如下：

    （1）做矢量、、和；

    （2）令，；

（3）求矢量和

；

    （4）求矢量和

；

    （5）求出单位矢量

；

    （6）把系统[v]的任意一点变换到系统[w]，用到变换关系

（7）和是单位矢量矩阵，因此，关于[w]坐标系统的的旋转矩阵为：

令和 ，带入，可得平移矩阵T

求出变换矩阵

。