CN111429570B - 一种基于3d摄像头扫描实现建模功能的方法及*** - Google Patents

一种基于3d摄像头扫描实现建模功能的方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法，包括：在角度a捕捉目标物体，建立三维坐标轴A，获取目标物体在角度a所有像素点的三维坐标；在角度b建立三维坐标轴B，获取在角度b所有像素点的三维坐标；识别在角度a和b获取的目标物体的公共像素点和非公共像素点；计算三维坐标轴A和B的转换参数；计算在角度b的非公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标；在角度c建立三维坐标轴C，获取在角度c所有像素点的三维坐标；识别和判断在角度c和角度ab是否存在非公共像素点，如果不存在，进行目标物体建模。本发明可以在一个智能终端上完成建模功能，体积小，具有显著的快捷性和便捷性，使用起来更方便日常的采集和建模操作。

Description

一种基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法及***
技术领域
本发明涉及3D建模技术领域，具体涉及一种基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法及***。
背景技术
图像建模技术，是指通过相机等设备对物体进行采集照片，经计算机进行图形图像处理以及三维计算，从而全自动生成被拍摄物体的三维模型的技术，属于三维重建技术范畴，涉及到计算机几何、计算机图形学、计算机视觉、图像处理、数学计算等学科。
从我们在国内外相关技术领域的长期跟踪调研所掌握的情况来看，目前国际上有微软公司、Autodesk公司、斯坦福大学和麻省理工学院等机构在基于图像的三维形体快速重建方面有良好的研究成果，但是仅仅是实验室研究成果，目前还无法商用。
当前，现有的建模技术主要可以分为以下两种方式：
第一是在计算机中使用专业的3D建模软件进行建模，但此方式需要专业技术人员花费大量的时间和精力才能完成，周期长，人力成本高。
第二是通过专业激光设备进行扫描建模，使用激光设备连接计算机后，进行3D扫描，然后在计算机上进行数据处理生成3D模型。此方式设备成本高，便携性差，造成了携带结构复杂且昂贵的激光设备进行数据采集和携带计算机进行建模数据处理的复杂性和不便利性。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提供一种基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法及***，可以在一个智能终端上完成建模功能，体积小，具有显著的快捷性和便捷性，使用起来更方便日常的采集和建模操作。
本发明的一种基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法包括如下步骤：
步骤1：在角度a捕捉目标物体，以3D摄像头为坐标原点建立三维坐标轴A，获取目标物体在角度a所有像素点的三维坐标；
步骤2：在角度b捕捉目标物体，以3D摄像头为坐标原点建立三维坐标轴B，获取目标物体在角度b所有像素点的三维坐标；
步骤3：识别在角度a和b获取的目标物体的公共像素点和非公共像素点；
步骤4：计算三维坐标轴A和B的转换参数；
步骤5：计算在角度b的非公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标，获取目标物体在角度a和角度b所有像素点的三维坐标；
步骤6：在角度c捕捉目标物体，以3D摄像头为坐标原点建立三维坐标轴C，获取目标物体在角度c所有像素点的三维坐标；
步骤7：识别在角度c和角度ab捕捉的目标物体的公共像素点和非公共像素点；
步骤8：判断在角度c和角度ab是否存在非公共像素点，如果不存在，执行步骤9；
步骤9：以智能终端的3D摄像头为坐标原点，根据目标物体的所有像素点在三维坐标轴A的三维坐标进行建模，得到原始的目标物体模型。
本发明作进一步改进，上述基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法，在所述步骤8中，当在角度c和角度ab存在非公共像素点时，还包括以下步骤：
步骤801：计算三维坐标轴A和C的转换参数；
步骤802：计算在角度c的非公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标；
步骤803：变换角度c；
步骤804：重复执行步骤6、步骤7、步骤801-803，直至角度c和角度ab不存在非公共像素点，然后执行步骤9。
本发明作进一步改进，在所述步骤1中，还生成有包含了获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标的位置信息文件a1。
本发明作进一步改进，在所述步骤1中，三维坐标轴A以智能终端的3D摄像头为坐标原点，以垂直于智能终端的3D摄像头方向为Z轴，以智能终端的3D摄像头水平方向为X轴，以智能终端的竖直方向为Y轴，获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标，以智能终端的3D摄像头到获取图像中目标物体每个像素点的距离为z坐标，以获取图像中目标物体每个像素点在获取图像中的二维坐标为x坐标和y坐标。
本发明作进一步改进，在所述步骤2中，还生成有包含了获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标的位置信息文件b1。
本发明作进一步改进，在所述步骤2中，三维坐标轴B以智能终端的3D摄像头为坐标原点，以垂直于智能终端的3D摄像头方向为Z轴，以智能终端的3D摄像头水平方向为X轴，以智能终端的3D摄像头竖直方向为Y轴，获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标，以智能终端的3D摄像头到获取图像中目标物体每个像素点的距离为z坐标，以获取图像中目标物体每个像素点在获取图像中的二维坐标为x坐标和y坐标。
本发明作进一步改进，在所述步骤6中，还生成有包含了获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标的位置信息文件c1。
本发明作进一步改进，在所述步骤5中，还包括将位置信息文件b1的三维坐标按照转换参数全部转入位置信息文件a1保存，在所述步骤802中，还包括将位置信息文件c1的三维坐标按照转换参数全部转入位置信息文件a1保存。
本发明作进一步改进，在所述步骤803中，通过移动智能终端的3D摄像头来采集目标物体在不同角度所有像素点的三维坐标，然后将这些三维坐标按照转换参数全部转入位置信息文件a1，直到位置信息文件a1中包含了目标物体不同角度所有像素点的三维坐标。
本发明还提供一种实现上述的基于3D摄像头扫描实现建模功能方法的智能终端***,包括3D摄像头模块、获取模块、坐标轴建立模块、判断模块、处理模块和模型建立模块。
3D摄像头模块，用于在不同的角度对目标物体进行信息捕捉。
获取模块，用于获取在不同角度捕捉的目标物体的像素点信息。
坐标轴建立模块，用于以3D摄像头为原点建立三维坐标轴。
判断模块，用于识别和判断在不同角度捕捉的目标物体的公共像素点和非公共像素点。
处理模块，用于生成目标物体在不同角度所有像素点的三维坐标，也用于计算不同角度的三维坐标轴间的转换参数，还用于计算在其他角度捕捉的目标物体的所有像素点在某个特定三维坐标轴的三维坐标。
模型建立模块，用于以智能终端的3D摄像头为坐标原点，根据目标物体的所有像素点在三维坐标轴A的三维坐标进行建模，得到原始的目标物体模型。
本发明的有益效果是：通过变换智能终端的3D摄像头对目标物体进行不同角度的图像采集并关联采集的图像数据，获得目标物体在同一个三维坐标轴的所有像素点的三维坐标，以此来建立目标物体的3D模型。此方式可以在一个智能终端上完成建模功能，体积小，具有显著的快捷性和便捷性，使用起来更方便日常的采集和建模操作。
附图说明
图1为本发明实现建模功能的方法的流程图；
图2为本发明实现建模功能方法的智能终端***结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
请参见图1，一种基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法包括如下步骤：
步骤1：在角度a捕捉目标物体，以3D摄像头为坐标原点建立三维坐标轴A，获取目标物体在角度a所有像素点的三维坐标。
智能终端的3D摄像头在一个角度a对目标物体进行捕捉，对获取的图像进行边缘检测，识别出目标物体的边缘轮廓。
获取目标物体的图像信息，生成一个图像信息文件，生成的图像信息文件中包含了获取图像中目标物体的像素数据；获取目标物体的距离信息，生成一个距离信息文件，生成的距离信息文件中包含了智能终端的3D摄像头到获取图像中目标物体每个像素点的距离。
以智能终端的3D摄像头为参考点建立三维坐标轴A，根据图像信息文件和距离信息文件生成位置信息文件a1，生成的位置信息文件a1中包含了获取图像中目标物体每个像素点在三维坐标轴A的三维坐标。
其中，三维坐标轴A以智能终端的3D摄像头为坐标原点，以垂直于智能终端的3D摄像头方向为Z轴，以智能终端的水平方向为X轴，以智能终端的竖直方向为Y轴，获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标以智能终端的3D摄像头到获取图像中目标物体每个像素点的距离为z坐标，以获取图像中目标物体每个像素点在获取图像中的二维坐标为x坐标和y坐标。
步骤2：在角度b捕捉目标物体，以3D摄像头为坐标原点建立三维坐标轴B，获取目标物体在角度b所有像素点的三维坐标。
智能终端的3D摄像头在另一个角度b对目标物体进行捕捉，对获取的图像进行边缘检测，识别出目标物体的边缘轮廓。
获取目标物体的图像信息，生成一个图像信息文件，生成的图像信息文件中包含了获取图像中目标物体的像素数据；获取目标物体的距离信息，生成一个距离信息文件，生成的距离信息文件中包含了智能终端的3D摄像头到获取图像中目标物体每个像素点的距离。
以智能终端的3D摄像头为参考点建立三维坐标轴B，根据图像信息文件和距离信息文件生成位置信息文件b1，生成的位置信息文件b1中包含了获取图像中目标物体每个像素点在三维坐标轴B的三维坐标。
其中，三维坐标轴B以智能终端的3D摄像头为坐标原点，以垂直于智能终端的3D摄像头方向为Z轴，以智能终端的水平方向为X轴，以智能终端的竖直方向为Y轴，获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标以智能终端的3D摄像头到获取图像中目标物体每个像素点的距离为z坐标，以获取图像中目标物体每个像素点在获取图像中的二维坐标为x坐标和y坐标。
步骤3：识别在角度a和b获取的目标物体的公共像素点和非公共像素点。
步骤4：计算三维坐标轴A和B的转换参数。
从位置信息文件a1和位置信息文件b1中分别提取上述公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标(XAi,YAi,ZAi)和在三维坐标轴B的三维坐标(XBi,YBi,ZBi)，其中，i＝1，2，…，n(n≥3)，根据三维坐标(XAi,YAi,ZAi)和(XBi,YBi,ZBi)计算三维坐标轴A和B间的转换参数。
其中，计算方式如下：
三维坐标轴A和B间可以通过旋转和平移变换取得一致，其转换关系如下：
Figure BDA0002450653780000051
Figure BDA0002450653780000052
λ为三维坐标轴A和B间的尺度比例因子，R为旋转矩阵，[ΔX ΔY ΔZ]T为平移矩阵，εX、εY、εZ为三维坐标轴A和B的三个旋转参数，ΔX、ΔY、ΔZ为三维坐标轴A和B的三个平移参数。
对上述公共像素点的三维坐标进行重心化处理，将上述公共像素点在三维坐标轴A和B的三维坐标均换算成以重心为原点的重心化坐标，分别记为
Figure BDA0002450653780000061
和
Figure BDA0002450653780000062
其中，i＝1，2，…，n(n≥3)，三维坐标轴A和B的重心的坐标分别记为
Figure BDA0002450653780000063
和
Figure BDA0002450653780000064
则：
Figure BDA0002450653780000065
Figure BDA0002450653780000066
Figure BDA0002450653780000067
Figure BDA0002450653780000068
将上述公共像素点的重心化坐标代入三维坐标轴A和B间的转换关系公式，可得：
Figure BDA0002450653780000069
通过上式求出三维坐标轴A和B的旋转参数和尺度比例因子后，再通过下式求出三维坐标轴A和B的平移参数，即可以实现三维坐标轴A和B间的转换：
Figure BDA00024506537800000610
步骤5：计算在角度b的非公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标，获取目标物体在角度a和角度b所有像素点的三维坐标。
从位置信息文件b1中提取上述非公共像素点在三维坐标轴B的三维坐标，并利用三维坐标轴A和B间的转换参数计算上述非公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标。
将上述非公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标存入位置信息文件a1中。
步骤6：在角度c捕捉目标物体，以3D摄像头为坐标原点建立三维坐标轴C，获取目标物体在角度c所有像素点的三维坐标。
智能终端的3D摄像头在另一个角度c对目标物体进行捕捉，对获取的图像进行边缘检测，识别出目标物体的边缘轮廓。
获取目标物体的图像信息，生成一个图像信息文件，生成的图像信息文件中包含了获取图像中目标物体的像素数据；获取目标物体的距离信息，生成一个距离信息文件，生成的距离信息文件中包含了智能终端的3D摄像头到获取图像中目标物体每个像素点的距离。
以智能终端的3D摄像头为参考点建立三维坐标轴C，根据图像信息文件和距离信息文件生成位置信息文件c1，生成的位置信息文件c1中包含了获取图像中目标物体每个像素点在三维坐标轴C的三维坐标。
其中，三维坐标轴C以智能终端的3D摄像头为坐标原点，以垂直于智能终端的3D摄像头方向为Z轴，以智能终端的水平方向为X轴，以智能终端的竖直方向为Y轴，获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标以智能终端的3D摄像头到获取图像中目标物体每个像素点的距离为z坐标，以获取图像中目标物体每个像素点在获取图像中的二维坐标为x坐标和y坐标。
步骤7：识别在角度c和角度ab捕捉的目标物体的公共像素点和非公共像素点。
步骤8：判断在角度c和角度ab是否存在非公共像素点，如果不存在，执行步骤9。
步骤9：以智能终端的3D摄像头为坐标原点，根据目标物体的所有像素点在三维坐标轴A的三维坐标进行建模，得到原始的目标物体模型。
从位置信息文件a1中提取目标物体所有像素点的三维坐标，以智能终端的3D摄像头为坐标原点，根据目标物体的所有像素点在三维坐标轴A的三维坐标进行建模，得到原始的目标物体模型。
请参见图1，上述基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法，在所述步骤8中，当在角度c和角度ab存在非公共像素点时，还包括以下步骤：
步骤801：计算三维坐标轴A和C的转换参数；
从位置信息文件a1和位置信息文件c1中分别提取上述公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标(XAi,YAi,ZAi)和在三维坐标轴C的三维坐标(XCi,YCi,ZCi)，其中，i＝1，2，…，n(n≥3)，根据三维坐标(XAi,YAi,ZAi)和(XCi,YCi,ZCi)计算三维坐标轴A和C间的转换参数，计算方式同步骤4。
步骤802：计算在角度c的非公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标；
从位置信息文件c1中提取上述非公共像素点在三维坐标轴C的三维坐标，并利用三维坐标轴A和C间的转换参数计算上述非公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标。
将上述非公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标存入位置信息文件a1中。
步骤803：变换角度c；
步骤804：重复执行步骤6、步骤7、步骤801-803，直至角度c和角度ab不存在非公共像素点，然后执行步骤9。
通过移动智能终端的3D摄像头来采集目标物体在不同角度所有像素点的三维坐标，然后将这些三维坐标按照转换参数全部转入位置信息文件a1，直到位置信息文件a1中包含了目标物体不同角度所有像素点的三维坐标，也就是直至角度c和角度ab不存在非公共像素点，执行步骤9。
请参见图1，在所述步骤5中，还包括将位置信息文件b1的三维坐标按照转换参数全部转入位置信息文件a1保存，在所述步骤7中，还包括将位置信息文件c1的三维坐标按照转换参数全部转入位置信息文件a1保存。
请参见图2，本发明还提供一种实现上述的基于3D摄像头扫描实现建模功能方法的智能终端***,包括3D摄像头模块、获取模块、坐标轴建立模块、判断模块、处理模块和模型建立模块。
3D摄像头模块，用于在不同的角度对目标物体进行信息捕捉。
获取模块，用于获取在不同角度捕捉的目标物体的像素点信息。
坐标轴建立模块，用于以3D摄像头为原点建立三维坐标轴。
判断模块，用于识别和判断在不同角度捕捉的目标物体的公共像素点和非公共像素点。
处理模块，用于生成目标物体在不同角度所有像素点的三维坐标，也用于计算不同角度的三维坐标轴间的转换参数，还用于计算在其他角度捕捉的目标物体的所有像素点在某个特定三维坐标轴的三维坐标。
模型建立模块，用于以智能终端的3D摄像头为坐标原点，根据目标物体的所有像素点在三维坐标轴A的三维坐标进行建模，得到原始的目标物体模型。
以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在角度a捕捉目标物体，以3D摄像头为坐标原点建立三维坐标轴A，获取目标物体在角度a所有像素点的三维坐标；
步骤2：在角度b捕捉目标物体，以3D摄像头为坐标原点建立三维坐标轴B，获取目标物体在角度b所有像素点的三维坐标；
步骤3：识别在角度a和b获取的目标物体的公共像素点和非公共像素点；
步骤4：计算三维坐标轴A和B的转换参数；
步骤5：计算在角度b的非公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标，获取目标物体在角度a和角度b所有像素点的三维坐标；
步骤6：在角度c捕捉目标物体，以3D摄像头为坐标原点建立三维坐标轴C，获取目标物体在角度c所有像素点的三维坐标；
步骤7：识别在角度c和角度ab捕捉的目标物体的公共像素点和非公共像素点；
步骤8：判断在角度c和角度ab是否存在非公共像素点，如果不存在，执行步骤9；
步骤9：以智能终端的3D摄像头为坐标原点，根据目标物体的所有像素点在三维坐标轴A的三维坐标进行建模，得到原始的目标物体模型。
2.如权利要求1所述的基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法，其特征在于，在所述步骤8中，当在角度c和角度ab存在非公共像素点时，还包括以下步骤：
步骤801：计算三维坐标轴A和C的转换参数；
步骤802：计算在角度c的非公共像素点在三维坐标轴A的三维坐标；
步骤803：变换角度c；
步骤804：重复执行步骤6、步骤7、步骤801-803，直至角度c和角度ab不存在非公共像素点，然后执行步骤9。
3.如权利要求2所述的基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法，特征在于，在所述步骤1中，还生成有包含了获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标的位置信息文件a1。
4.如权利要求3所述的基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法，其特征在于，在所述步骤1中，三维坐标轴A以智能终端的3D摄像头为坐标原点，以垂直于智能终端的3D摄像头方向为Z轴，以智能终端的3D摄像头水平方向为X轴，以智能终端的竖直方向为Y轴，获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标，以智能终端的3D摄像头到获取图像中目标物体每个像素点的距离为z坐标，以获取图像中目标物体每个像素点在获取图像中的二维坐标为x坐标和y坐标。
5.如权利要求4所述的基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法，特征在于，在所述步骤2中，还生成有包含了获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标的位置信息文件b1。
6.如权利要求5所述的基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法，其特征在于，在所述步骤2中，三维坐标轴B以智能终端的3D摄像头为坐标原点，以垂直于智能终端的3D摄像头方向为Z轴，以智能终端的3D摄像头水平方向为X轴，以智能终端的3D摄像头竖直方向为Y轴，获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标，以智能终端的3D摄像头到获取图像中目标物体每个像素点的距离为z坐标，以获取图像中目标物体每个像素点在获取图像中的二维坐标为x坐标和y坐标。
7.如权利要求6所述的基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法，特征在于，在所述步骤6中，还生成有包含了获取图像中目标物体每个像素点的三维坐标的位置信息文件c1。
8.如权利要求7所述的基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法，特征在于：在所述步骤5中，还包括将位置信息文件b1的三维坐标按照转换参数全部转入位置信息文件a1保存，在所述步骤802中，还包括将位置信息文件c1的三维坐标按照转换参数全部转入位置信息文件a1保存。
9.如权利要求8所述的基于3D摄像头扫描实现建模功能的方法，其特征在于，在所述步骤803中，通过移动智能终端的3D摄像头来采集目标物体在不同角度所有像素点的三维坐标，然后将这些三维坐标按照转换参数全部转入位置信息文件a1，直到位置信息文件a1中包含了目标物体不同角度所有像素点的三维坐标。
10.一种实现权利要求1-9任一项所述的基于3D摄像头扫描实现建模功能的智能终端***,包括3D摄像头模块、获取模块、坐标轴建立模块、判断模块、处理模块和模型建立模块；
3D摄像头模块，用于在不同的角度对目标物体进行信息捕捉；
获取模块，用于获取在不同角度捕捉的目标物体的像素点信息；
坐标轴建立模块，用于以3D摄像头为原点建立三维坐标轴；
判断模块，用于识别和判断在不同角度捕捉的目标物体的公共像素点和非公共像素点；
处理模块，用于生成目标物体在不同角度所有像素点的三维坐标，也用于计算不同角度的三维坐标轴间的转换参数，还用于计算在其他角度捕捉的目标物体的所有像素点在某个特定三维坐标轴的三维坐标；
模型建立模块，用于以智能终端的3D摄像头为坐标原点，根据目标物体的所有像素点在三维坐标轴A的三维坐标进行建模，得到原始的目标物体模型。
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