一種通過顏色與形狀組合匹配三維點(diǎn)云的設(shè)備與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維掃描技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種通過顏色與形狀組合匹配三維點(diǎn)云 的設(shè)備與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維掃描技術(shù)最早應(yīng)用于工業(yè)，因?yàn)樾袠I(yè)特殊性，點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)三維精度要求較 高，但對(duì)顏色不敏感。針對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的三維掃描設(shè)備獲得的原始點(diǎn)云無色彩。
[0003] 隨著三維技術(shù)在其他行業(yè)如文化、教育、醫(yī)療的興起，對(duì)三維模型色彩也提出要 求，例如WRL格式的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)就可以包括三維坐標(biāo)和RGB色彩值。當(dāng)前主流 技術(shù)為了順應(yīng)該需求，基于原來的技術(shù)另外添加彩色相機(jī)，在獲得模型后進(jìn)行貼圖，屬于后 期獲得顏色。
[0004] 對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，工業(yè)上的方法是通過對(duì)掃描對(duì)象粘貼標(biāo)識(shí)點(diǎn)的辦法，但是 對(duì)于很多掃描對(duì)象如文物、人體等，難以通過該方法實(shí)現(xiàn)。因此出現(xiàn)了基于特征點(diǎn)識(shí)別和匹 配，得到旋轉(zhuǎn)和平移矩陣后，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移完成拼接過程。
[0005] 問題在于：對(duì)于特征點(diǎn)提取，因?yàn)槟壳皰呙璧玫降狞c(diǎn)云通常只有三維坐標(biāo)，因此都 是通過曲率或法線變化獲得，只與三維形狀相關(guān)。那么對(duì)于一些三維形狀變化不明顯的物 體，極端如圓球、平面，無法獲得特征點(diǎn)或有較大誤差。
[0006] 三維點(diǎn)云模型的特征點(diǎn)主要包括兩類，一類是模型本身固有的特征點(diǎn)，這類特征 點(diǎn)主要通過分析模型表面的集合特性來提取特點(diǎn)，例如曲率大小，點(diǎn)間法線變化等等。另一 類特征點(diǎn)是和人們看模型所關(guān)注的外形，輪廓等有關(guān)的點(diǎn)，是依賴視點(diǎn)的特征點(diǎn)，例如輪廓 點(diǎn)，提示性輪廓點(diǎn)等。目前特征點(diǎn)提取的主流方法為：利用曲率提取特征點(diǎn)、利用點(diǎn)間法線 變化提取特征點(diǎn)、提取視點(diǎn)相關(guān)的特征點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明人于的申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310542302. 7的在先申請(qǐng)《一種三維重建方法》采用 光投射設(shè)備、光感應(yīng)設(shè)備重建目標(biāo)物體的三維模型；所述光投射設(shè)備將一圖案投影至所述 目標(biāo)物體上任一目標(biāo)點(diǎn)，以形成投影點(diǎn)，所述光感應(yīng)設(shè)備記錄所述投影點(diǎn)以形成記錄點(diǎn)，并 建立第三坐標(biāo)系計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在光感應(yīng)設(shè)備平面的坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)。
[0008] 本發(fā)明的目的是要在通過該設(shè)備能同時(shí)獲得三維坐標(biāo)和色彩，從而可以找到更多 地特征點(diǎn)，基于更多地特征點(diǎn)可以解決一些當(dāng)前無法解決的自動(dòng)拼接問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種通過顏色與形狀組合匹配三維點(diǎn)云的設(shè)備，能同時(shí)獲得 三維坐標(biāo)和色彩，從而可以找到更多的特征點(diǎn)。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種通過顏色與形狀組合匹配三維 點(diǎn)云的設(shè)備，包括固定平臺(tái)、光感應(yīng)裝置、投影裝置、計(jì)算機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)，其中，所述固定平臺(tái)用于 固定投影裝置和光感應(yīng)裝置；所述投影裝置固定于固定平臺(tái)上，并連接計(jì)算機(jī)；所述轉(zhuǎn)臺(tái) 上放置需要掃描的物體，用于多面掃描后自動(dòng)拼接。
[0011] 所述計(jì)算機(jī)與投影裝置連接并按時(shí)序發(fā)送需要投影的光柵數(shù)據(jù)至投影裝置，不同 焦距下的投影裝置將這些光柵序列投影至轉(zhuǎn)臺(tái)或轉(zhuǎn)臺(tái)上的物體的不同的投影位置；所述光 感應(yīng)裝置固定于固定平臺(tái)上，用于記錄投影位置；所述光感應(yīng)裝置、投影裝置及物體的相對(duì) 位置不變。
[0012] 所述投影裝置為投影儀、幻燈機(jī)、手機(jī)投影儀或投影器。
[0013] 所述光感應(yīng)裝置為照相機(jī)或攝像機(jī)。
[0014] 所述轉(zhuǎn)臺(tái)為電動(dòng)精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)。
[0015] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種通過顏色與形狀組合匹配三維點(diǎn)云的方法。
[0016] 一種通過顏色與形狀組合匹配三維點(diǎn)云的方法，包括如下步驟：（1)特征點(diǎn)提取： 每個(gè)點(diǎn)云有（X，Y，Z，R，G，B)數(shù)值，首先對(duì)XYZ的特征點(diǎn)提取，得到形狀特征點(diǎn)；然后對(duì)RGB 的特征點(diǎn)提取，采用SIFT算法對(duì)二維圖像的特征點(diǎn)提?。粚?duì)三維點(diǎn)的色彩特征點(diǎn)提取，可 以先在二維特征點(diǎn)用SIFT算法獲得后，對(duì)應(yīng)到三維坐標(biāo)上，這樣處理后，每個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可 以用（X，Y，Z，R，G，B，flag)來表示，其中flag=0表示同時(shí)是形狀和色彩特征點(diǎn)，=1表示只 是形狀特征點(diǎn)，=2表示只是色彩特征點(diǎn)，=其他表示不是特征點(diǎn)。
[0017] (2)特征點(diǎn)匹配：采用常規(guī)的特征點(diǎn)匹配法進(jìn)行匹配，flag=0和1的點(diǎn)去匹配形 狀特征點(diǎn)，flag=0和2的點(diǎn)進(jìn)行顏色特征點(diǎn)匹配。
[0018] 步驟（2)中的處理方法如下：（2-1)、對(duì)于匹配的特征點(diǎn)總和超過3的情況，需要優(yōu) 選較好的3個(gè)，求得旋轉(zhuǎn)和平移矩陣后完成拼接；（2-2)、對(duì)于只有3個(gè)特征點(diǎn)的情況，直接 求旋轉(zhuǎn)和平移矩陣后完成拼接；（2-3)、對(duì)于不足3個(gè)特征點(diǎn)的情況，無法完成拼接。
[0019] 有益效果：本發(fā)明的設(shè)備能同時(shí)獲得三維坐標(biāo)和色彩，從而可以找到更多地特征 點(diǎn)，基于更多地特征點(diǎn)可以解決一些當(dāng)前無法解決的自動(dòng)拼接問題。本發(fā)明可以精確獲得 相機(jī)底片上每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的三維點(diǎn)坐標(biāo)和色彩值，且因?yàn)榉桨傅奶厥庑?，坐?biāo)和色彩計(jì)算 數(shù)據(jù)都來源于同一相機(jī)底片，因此無需進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顏色，理論上不存在誤差。匹 配特征點(diǎn)包括了顏色特征點(diǎn)，比存粹的形狀特征點(diǎn)更多，同時(shí)選擇的余地更大，可以得到更 優(yōu)質(zhì)的特征點(diǎn)。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2是計(jì)算得到的三維模型(無色彩)。
[0022] 圖3是相機(jī)底片上原始彩色二維照片。
[0023] 圖4是坐標(biāo)和色彩對(duì)應(yīng)后貼圖得到的彩色三維模型。
[0024] 圖5是無色彩的球形點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法找到形狀特征點(diǎn)。
[0025] 圖6是同樣情況下基于本發(fā)明找到匹配的顏色特征點(diǎn)。
[0026] 圖7是本發(fā)明精確完成拼接得到的圖。
[0027] 圖8是點(diǎn)集合的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0029] 如圖1所示，一種通過顏色與形狀組合匹配三維點(diǎn)云的設(shè)備，包括固定平臺(tái)、光感 應(yīng)裝置、投影裝置、計(jì)算機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)，其中，固定平臺(tái)用于固定投影裝置和光感應(yīng)裝置；投影裝 置固定于固定平臺(tái)上，并連接計(jì)算機(jī)；轉(zhuǎn)臺(tái)上放置需要匹配三維點(diǎn)云的物體，用于自動(dòng)拼 接；計(jì)算機(jī)與投影裝置連接并發(fā)送定標(biāo)數(shù)據(jù)至投影裝置，不同焦距下的投影裝置將定標(biāo)數(shù) 據(jù)投影至轉(zhuǎn)臺(tái)或轉(zhuǎn)臺(tái)上的物體的不同的投影位置；光感應(yīng)裝置固定于固定平臺(tái)上，用于記 錄投影位置；光感應(yīng)裝置、投影裝置及物體的相對(duì)位置不變。
[0030] 投影裝置為投影儀，不僅移動(dòng)方便，且調(diào)整焦距時(shí)不影響其他設(shè)備工作。也可采用 幻燈機(jī)、手機(jī)投影儀或