[发明专利]Kinect与关节臂结合的复合式测量和三维重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及Kinect与关节臂结合的复合式测量和三维重建方法。

背景技术

 三维重建技术作为计算机视觉技术的一个重要分支，一直是计算机视觉领域最热门的研究方向之一。它属于一个多学科交叉的研究领域，是计算机图形学和图像处理在工程中的重要应用。

测量设备通过特定的方法将物体表面形状转换成几何空间坐标点，从而得到逆向建模所需数据。基于接触式测量的数据采集方法有较高的准确性和可靠性，可准确地测量出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等，但数据采集效率较低。基于非接触式测量的数据采集方法测量速度快，测量面积大，数据较为完整，但测量精度相对于接触式而言精度较低，而且在一些细节位置如边界、缝隙、曲率变化较大的部位容易丢失数据。

近几年微软公司推出了一款体感设备Kinect，华硕公司也紧随其后，相继推出了Xtion体感设备，相比其它专业深度摄像机，具有成本低、容易配置等优点，在三维重建领域有较好的应用价值。

由于实物样零件往往具有其特殊性和复杂性，单独釆用单一测量方法，常常很难达到工程实际对测量的要求。而复合式测量系统的出现把多种测量方式集成到一起，不仅扩大了应用范围，而且在指定数据精度、密度、处理时间上更具有灵活性和高效性，这为逆向工程中三维模型重建方法提出了新的要求和思路。

发明内容

有鉴于此，本发明提出基于深度体感设备 Kinect与关节臂测量仪相结合的复合式测量和三维重建方法，为实现物体三维测量和重建提供一种更为廉价的方案。

本发明采用以下方案实现：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。

在本发明一实施例中，所述步骤SO1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。

在本发明一实施例中，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

, ，， 。

在本发明一实施例中，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；

。

在本发明一实施例中，所述步骤S03采用如下方式实现：