[发明专利]基于点云压缩和惯性导航的移动场景实时三维重构方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于点云压缩和惯性导航的移动场景下实时三维重构的方法，属于计算机机器视觉、增强现实领域。

背景技术

三维重构技术是计算机视觉领域中的热点研究方向之一，主要研究如何获取物体在空间中的三维信息，实现在计算机中真实再现客观环境，为机器和人类提供准确的3D场景信息。

三维重构的主要研究方向包括场景重构、地图构建以及模型重建等。周围环境的3D场景信息可以帮助机器人更加清楚的了解自身所处环境并实现与环境的友好交互，在机器人导航、考古勘测、灾害救援等领域中发挥重要作用；此外，3D场景信息也可用在虚拟现实、军事模拟、城市规划、文物保护等领域。在工业产品零件的CAD加工、模具制作、医学整形手术、人脸建模与识别、计算机三维动画等应用中，经常需要物体的三维模型，这也对三维重构技术做出了要求。目前，三维场景重构技术凭借其在这些领域的重要应用，越来越受到各界研究者的青睐，逐渐成为多领域的研究热点。

目前3D场景点云模型的三维重构方法主要分为两大类：基于多幅图像的三维重构方法和基于红外或者激光扫描技术的三维重构方法。前者通过数码摄像机等拍摄的二维图像恢复出建筑物表面的三维信息，如公开号为CN101398937、名称为《基于同一场景散乱照片集的三维重构方法》的专利。这类方法虽然成本低廉，自动化程度较高，且重建的三维模型包含丰富的纹理等信息，但需要对图片信息进行大量的处理，运行速度较慢，适用于小型单一建筑物建模，但对于地貌复杂的大规模场景建模，由于受到计算机处理时间的限制并不适用。

因此，近年来基于红外或者激光扫描的三维重构技术成为了研究热点，红外或者激光扫描仪能够直接获得景物的深度信息，具有速度快，精度高，不受表面复杂度影响等优势。此外，利用激光扫描技术进行三维重构能够有效恢复出具有准确几何信息和照片真实感的三维模型。这些准确的三维模型不仅能够提供场景可视化和虚拟漫游方面的功能，更可以满足数据的存档，测量和分析等更高层次的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用传感器在室内场景移动，不断获取不同视角下的点云，并实时重构出整个场景三维模型的方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于点云压缩和惯性导航的移动场景实时三维重构方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、对于场景S，利用Kinect体感控制器的摄像头分别从视角V₁，…，V_k，…V_n依次获取点云集合M₁，…，M_k，…M_n，M_k为k时刻从视觉V_k获取的点云；

第二步、将点云集合{M₁，…，M_k，…M_n}压缩为{P₁，…，P_k，…P_n}，其中，P_k为M_k的一个子集，且满足：式中，ρ为预设比，F_c(□)为特征点数量度量函数，δ为设定的特征点保留率；

第三步、利用惯性导航技术获取场景S内运载体在视角V₁，…，V_k，…V_n下的位置、角度偏移量，转化为ICP算法所需的初始变换矩阵与

第四步、利用初始变换矩阵与对压缩后的点云{P₁，…，P_k，…P_n}进行粗配准，再基于ICP算法确定变换矩阵R_k与T_k，完成精确配准；

第五步、随着Kinect体感控制器的传感器在场景S中的漫游，不断将新获取的每一片点云与局部模型拼接、融合，直到重构出整个三维场景模型。

优选地，所述第三步包括：

步骤3.1、在场景S内运载体上放置Kinect体感控制器的深度摄像头、加速度计和陀螺仪；

步骤3.2、设定一固定坐标系，设运动起始位置为坐标原点，深度摄像头初始方向与X轴正方向重合，利用加速度计和陀螺仪测量运载体在X、Y、Z轴上的加速度，将加速度一次积分得到运载体的速度，将加速度二次积分得到运载体的位置，从而达到对运载体定位的目的，同时，通过陀螺仪获取运载体的旋转角度；

步骤3.3、将运载体在不同位姿间的相对位移、旋转角度信息，转化为两片点云间的初始变换矩阵与