一種井下環境三維場景重建方法
【專利摘要】本發明提供一種井下環境三維場景重建方法,包括以下步驟：S1：對深度相機進行標定，確定相機的內部參數；S2：對當前幀的深度進行雙線性濾波，減少噪聲干擾；S3：將當前幀的深度圖像映射到深度相機三維坐標系下；S4：ICP匹配算法進行初步配準，得到深度相機當前幀的深度圖與上一幀的深度圖之間的變換矩陣，通過累積變換矩陣可將當前幀的深度圖變換到全局坐標系下；S5：體積空間融合算法重建場景。本發明的技術方案能夠經濟、快速地實現對井下環境的三維視圖重建。
【專利說明】一種井下環境三維場景重建方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及三維圖像處理技術，尤其涉及一種大范圍井下場景的重建方法。
【背景技術】
[0002]利用三維場景重建技術創建礦井巷道三維虛擬場景，對提高煤炭安全生產、礦工安全具有重要的實用價值。傳統的三維重建方法根據獲取三維數據的方式不同可以分為兩類:基于激光掃描技術的三維重建方法和基于視覺的三維重建方法。基于激光的三維重建方法，通過激光掃描儀獲取場景的深度數據或距離圖像，利用深度數據的配準實現單幀數據與全局數據的對齊；基于視覺的三維重建方法，即采用計算機視覺方法進行物體三維模型重建，是指利用數字攝像機作為圖像傳感器，綜合運用圖像處理視覺計算等技術進行非接觸三維測量，用計算機程序獲取物體的三維信息。
[0003]現有針對井下大范圍的三維場景重建方法仍存在較大的局限性。由于井下巷道錯綜復雜，工作環境和條件不斷變化，導致巷道用三維建模過程不僅工作量大，而且模型不適合推廣，因此，如何快速建立巷道的三維模型，成為一個亟待解決的關鍵性問題。
[0004]近年來，隨著RGBD (彩色和深度)傳感器技術的發展，比如微軟推出的Kinect，為三維場景重建提供了新的方案。目前，利用Kinect來進行三維重建的研究在單一物體的三維重建方面取得了一些研究成果，但仍無法滿足對大范圍井下三維場景重建的需求。

【發明內容】

[0005]為了克服現有技術存在的問題，本發明提出一種井下環境三維場景重建方法，旨在快捷、經濟地實現井下復雜環境的三維場景重建。
[0006]為了解決以上技術問題，本發明采用的技術方案如下:
[0007]一種井下環境三維場景重建方法，包括以下步驟:
[0008]S1、對Kinect紅外相機進行標定，確定相機的內部參數；
[0009]S2、在當前時刻t，對Kinect紅外相機獲取的井下環境的當前幀深度圖像進行雙線性濾波，以減少噪聲干擾；
[0010]S3、將當前幀的深度圖像映射到Kinect相機的三維坐標系下；
[0011]S4、利用ICP匹配算法進行初步配準，得到當前幀的深度圖與上一幀的深度圖之間的變換矩陣，通過累積變換矩陣將當前幀的深度圖變換到全局坐標系下，t=t+l，重復步驟S2?S4，直至獲得所需場景范圍內的全部深度圖像數據；
[0012]S5、基于S4處理后的深度圖像數據，利用體積空間融合算法重建井下場景。
[0013]本發明的有益效果為:使用Kinect相機結合基于ICP與空間體積融合算法，能夠快速、經濟地實現井下復雜環境的三維場景重建。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發明提出的井下環境三維場景重建方法流程框圖；[0015]圖2為深度相機坐標系示意圖；
[0016]圖3為雙線性濾波原理示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0018]參見圖1，在本實施例中，井下環境三維場景重建方法包括以下步驟:
[0019]S1、對Kinect中的紅外攝像機進行標定，確定相機的內部參數。
[0020]在圖像測量過程以及機器視覺應用中，為確定空間物體表面某點的三維幾何位置與其在圖像中對應點之間的相互關系，必須建立相機成像的幾何模型，這些幾何模型參數就是相機參數，求解相機參數的過程就稱之為相機標定(或攝像機標定)。
[0021]Kinect設備有一個紅外投影儀，兩個攝像頭(紅外相機和RGB相機)，分別可以獲取深度數據和RGB信息。深度數據利用紅外攝像機獲取，每一幀有640 X 480個像素點。RGB信息通過RGB攝像機獲取。本發明利用深度數據進行配準，實現三維重建，因此僅需要對紅外攝像機進行標定。圖2是Kinect中深度相機的坐標系示意圖。
[0022]本實施例采用張正友的平面標定方法，具體步驟如下:
[0023](I)使用一張A4紙打印一個6 X 8的棋盤模版；
[0024](2)手持棋盤，利用Kinect紅外相機從多個方向拍攝得到棋盤圖像，合計獲取12幅圖像；
[0025](3)檢測拍攝得到的棋盤圖像的角點，即每個黑色交叉點；
[0026](4)求出Kinect紅外相機的內部參數；
[0027]紅外攝像機的內部矩陣K:
[0028]
【權利要求】
1.一種井下環境三維場景重建方法，包括以下步驟: 51、對Kinect紅外相機進行標定，確定相機的內部參數； 52、在當前時刻t，對Kinect紅外相機獲取的井下環境的當前幀深度圖像進行雙線性濾波，以減少噪聲干擾； 53、將當前幀的深度圖像映射到Kinect相機的三維坐標系下； 54、利用ICP匹配算法進行初步配準，得到當前幀的深度圖與上一幀的深度圖之間的變換矩陣，通過累積變換矩陣將當前幀的深度圖變換到全局坐標系下，t=t+l，重復步驟S2~S4，直至獲得所需場景范圍內的全部深度圖像數據； 55、基于S4處理后的深度圖像數據，利用體積空間融合算法重建井下場景。
2.如權利要求1所述的一種井下環境三維場景重建，所述步驟S2中的雙線性濾波為: 令Po (U0, V0) , P1 (U1, V1), P2 (U3, V3), P3 (U3, V3)為P (U，V)點從左上沿順時針方向至Ij左下包圍像素的紋素點，U、V表示點的像素坐標，則P點的值為:
P = P0(1-U) (1-V) +P1U (1-V) +P2 (1-U) V+p3UV
其中U，V分別為U= u-u0/v3-v0,V=V-V0/V3-V0
3.如權利要求1所述的一種井下環境三維場景重建方法，所述步驟S3具體為: 對于深度圖像中的任意一點P = (U，V),其在Kinect坐標系下的坐標為:M = (x, y, z)
4.如權利要求1所述的一種井下環境三維場景重建方法，所述步驟S4包括: (1)確定初始對應點集:設三維空間R3中Kinect紅外相機獲取的當前幀深度圖Sm和上一幀深度圖 Tn 分別為:Sm = (S1, s2...sm, Si e R3}和 Tn = It1, t2...tn, ti e R3},對于 Sm中的每一個點Si采用點到切平面的最近點搜索方法在Tn中找到一個距離最近的點\ ； (2)去除錯誤對應點對: ①設Sp\為一對對應點，計算對應點對之間的歐氏距離，要求二者之間的歐氏距離滿足如下關系:|士-\| ( τ，其中，τ是事先設定的距離閾值； ②分別計算Sp\的法向量?、%，要求二者的法向量之間的夾角不大于45°，及滿足如下表達式:
5.如權利要求1所述的一種井下環境三維場景重建方法，步驟S5具體為:(O定義一個包含所有點云數據的全局立方體空間，以Imm的分辨率將立方體劃分網格。 (2)計算事先定義的體積空間的體積元方到經步驟S4處理后的深度圖像的距離，將距離值存儲在相應的體積元中， 在迭代融合多幀點云過程中，TSDF函數為:
【文檔編號】G06T17/00GK103456038SQ201310362004
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】岳東, 楊彪, 萬松 申請人:華中科技大學