[发明专利]一种基于三维栅格地图的物体整体识别方法

摘要

本发明是一种基于三维栅格地图的物体整体识别方法，对于空间中的物体进行扫描，根据所得的扫描点云信息，建立对应物体的三维栅格地图，此三维栅格地图称为物体所嵌入空间的外蕴信息，根据物体的外蕴信息诱导出物体各点曲率与度量等信息所表示的内蕴特征，再把内蕴特征的曲率信息单值化到常曲率标准空间内，针对单值化后的内蕴特征，进行特征分析与建模，相似的物体具有相似的特征，本发明提出了一种物体的整体性识别方法，本方法可以应用于机器人的环境识别、机器人的路径规划与自主运动，为机器人在实际环境中的游戏应用、机器人清洁等方面提供支撑。

主权项

一种基于三维栅格地图的物体整体识别方法，该方法是通过扫描物体表面以获得其三维点云信息，从而确定由三维栅格所表示的物体的外蕴特征，进而计算出由Gauss曲率、度量等信息所表示的物体的内蕴特征，内蕴特征再通过曲率单值化方法共形变换到常曲率标准空间，最后经过离散映射计算得出物体的标准特征，相同标准特征的物体之间或者镜像对称——称之为镜像对称性，或者循环移位——称之为平移不变性，或者旋转对称——称之为旋转不变性，该方法中的三维栅格地图如下定义：将环境空间抽象为三维直角坐标系O：xyz下的栅格空间，空间的全集为Ω，Ω内的每个元素称为体元，用c_x，y，z表示，(x，y，z)即为该体元的三维坐标，每个体元是一个边长为μ的正方体，正方体的每条边都与空间坐标轴平行，根据实际环境有无物体占据，来确定或概率意义上确定相应体元的占空值，基于此形成的地图称为三维栅格地图，μ称为三维栅格地图的分辨率。本方法中的物体整体特征量、相似性、相似比、镜像对称性、平移不变性、旋转不变性按如下步骤给出：(1)通过相关的设备及算法，包括但不限于三维激光雷达、双目视觉传感器及其他算法等，扫描物体表面，获得物体的三维点云信息并建立与实际物体对应的三维栅格地图，(2)在栅格地图上建立物体表面的一个三角剖分网格图M，(3)在三角剖分网格图上逐个分析每个角点的Gauss曲率K_i，并由∑K_i＝2π·χ(M)计算M的欧拉示性数χ(M)：如果χ(M)＞0，则M的亏格g(M)＝0且可单值化共形变换到标准正则球面空间S²；如果χ(M)＝0，则M的亏格g(M)＝1且可单值化共形变换到标准正则欧氏空间E²；如果χ(M)＜0，则M的亏格g(M)＞1且可单值化共形变换到标准正则双曲空间H²，当亏格g(M)＞0时，也可以把相应的环柄，在三角剖分网格中割开，在割痕面上补齐三角剖分网格，形成单连通的三角剖分网格图，进而可以统一转化为单值化共形变换到球面空间S²的问题，(4)采用Thurston的Circle Packing度量方法及离散Ricci流等方法，迭代计算三角剖分网格图上每个角点的Gauss曲率K_i、度量及畸变因子，使其共形收敛到给定曲率值(5)把所有的角点嵌入到标准空间内，每一点记作f(x_β，θ，d)，其中(β，θ)表示该点在标准空间中的位置，d表示该点的面积畸变因子，例如在球面空间中，β∈[0，π]表示该点的天顶角，θ∈[0，2π)表示该点的偏航角，(6)在标准空间内计算M的点云矩阵，如下所示：(7)根据点云矩阵f(M)，提炼出共形矩阵，首先，对θ离散到有限的值域上[δ₁，δ₂，...，δ_s]，s∈N，其次，在每个δ内，把β离散到有限的值域上[η₁，η₂，...，η_n]，n∈N，例如：某球面空间中的点当δ_i≤θ_k≤δ_i+1，i∈[1，s‑1]，k∈[1，s]，则把分解投影到偏航面δ_i与偏航面δ_i+1上，然后再分别把偏航面δ_i与偏航面δ_i+1内的分量，再分别分解投影到η_j与η_j+1两个天顶角上，离散化后得到共形矩阵，(8)根据共形矩阵f(M)，提炼出其特征矩阵F(M)，是一种变换，可以是但不限于二维Fourier变换、二维Walsh变换等，(9)根据特征矩阵F(M)，计算出其特征谱P(M)，针对上一步骤中的变换，其特征谱分别是相应变换的功率谱，特征谱即为物体M的整体特征。(10)特征谱比对，共形矩阵f(x)对应的特征谱为P(x)，共形矩阵f(y)对应的特征谱为P(y)，我们定义一阈值角度deg ree^threshold，若向量P(x)与向量P(y)之间的夹角∠(P(x)，P(y))≤deg ree^threshold，或者cos∠(P(x)，P(y))≥cos(deg ree^threshold)，就表示f(x)与f(y)是相似的，也就是物体x与物体y在实际空间中是相似的，利用向量运算法则，我们可以计算：与cos(deg ree^threshold)比较后，我们既可得出相似性，相似的向量P(x)与向量P(y)是同向的，他们之间的转化因子即为相似比，(11)物体的不变性，对于n×s阶矩阵f(x)，考察f(y)所表示的实际物体，都归一化之后，如果：f(y)[i][j]＝f(x)[(i+u)％n][(j+l)％s]对使得等式成立，则称物体f(x)与f(y)具有平移不变性；如果矩阵f(y)[i][j]＝f(x)[j][s‑1‑i]对使得等式成立，则称物体f(x)左旋之后等同f(y)，称它们具有旋转不变性；如果矩阵f(y)[i][j]＝f(x)[n‑1‑j][i]对使得等式成立，则称物体f(x)右旋之后等同f(y)，称它们具有旋转不变性；如果对使得三个等式中有一个成立，则称物体f(x)与f(y)具有镜像对称性；通过对特征矩阵F(x)与F(y)的计算，即可确定其镜像对称性、平移不变性及旋转不变性。(12)对实际物体，通过特征矩阵与特征谱计算，我们即可识别出物体，并找出实际物体之间的相似性与相似比，以及镜像对称性、平移不变性、旋转不变性，这样就达到了物体的整体识别目的。