專利名稱：一種三維模型的特征描述方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)三維圖形的處理方法，特別是一種具有較強(qiáng)區(qū)分力的三維模型特征描述方法。
背景技術(shù)：
隨著三維掃描建模和多視點(diǎn)三維重建技術(shù)的不斷發(fā)展，三維模型的特征描述和特征匹配已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域研究的基本問(wèn)題和熱點(diǎn)問(wèn)題并且有著廣泛的應(yīng)用，例如掃描配準(zhǔn)、模型注冊(cè)、動(dòng)畫跟蹤、對(duì)稱檢測(cè)和模型檢索等。傳統(tǒng)的特征描述方法通常是基于模型的幾何或者顏色信息建立局部的特征描述符，從而使得特征描述具有平移、旋轉(zhuǎn)和縮放的不變性。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種特征描述方法。技術(shù)方案本發(fā)明公開了一種三維模型的特征描述方法，包括以下步驟步驟1，預(yù)處理在特征描述之前加入預(yù)處理環(huán)節(jié)的目的，一方面是為了避免重復(fù)計(jì)算從而提高處理的效率，另一方面是為后續(xù)步驟提供必要的數(shù)據(jù)支持。步驟2，選取支撐區(qū)域支撐區(qū)域即特征點(diǎn)周圍的有效鄰域，有效鄰域內(nèi)的頂點(diǎn)信息將直接參與特征描述符的生成過(guò)程，而有效鄰域外的頂點(diǎn)信息將不會(huì)對(duì)特征描述符的生成產(chǎn)生影響。步驟3，建立局部坐標(biāo)系為了保證特征描述具有平移和旋轉(zhuǎn)不變性，通常的方法是以特征點(diǎn)為原點(diǎn)建立一個(gè)只依賴于局部的三維坐標(biāo)系。步驟4，圓盤采樣三維網(wǎng)格的采樣頻率和拓?fù)潢P(guān)系的變化在一定程度上會(huì)影響特征描述的準(zhǔn)確性，這是由于任何離散的表示方法都是對(duì)連續(xù)變化量的近似逼近，而不同的離散表示之間存在著天然的誤差。為了克服三維網(wǎng)格這種不同于二維圖像的非規(guī)則性， 這里考慮采用重采樣的方法對(duì)特征點(diǎn)的支撐區(qū)域進(jìn)行規(guī)則采樣，以實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)的均勻分布以及固定的拓?fù)潢P(guān)系，從而提高特征描述的準(zhǔn)確性。步驟5，計(jì)算梯度直方圖基于圓盤采樣所獲得的采樣點(diǎn)和采樣值計(jì)算梯度直方圖。步驟6，生成特征描述符聯(lián)結(jié)8X 16的梯度直方圖生成1 維的特征向量并對(duì)特征向量進(jìn)行規(guī)范化，規(guī)范化后的特征向量即為特征描述符。本發(fā)明中，所述步驟1具體包括以下步驟步驟11，計(jì)算三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的鄰域信息鄰域信息是指三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的一環(huán)鄰域，包括一環(huán)鄰域的頂點(diǎn)信息和面信息，即與頂點(diǎn)直接相鄰的頂點(diǎn)和面。步驟12，計(jì)算三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的法線信息法線信息是指三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的法線方向。
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步驟13，計(jì)算三維網(wǎng)格的表面積表面積為三維網(wǎng)格上所有面的面積和。步驟14，計(jì)算三維網(wǎng)格的平均邊長(zhǎng)平均邊長(zhǎng)為三維網(wǎng)格上所有邊的長(zhǎng)度和再求平均。本發(fā)明中，所述步驟2具體包括以下步驟步驟21，確定支撐區(qū)域的半徑如果支撐區(qū)域是圓形拓?fù)洳⑶抑螀^(qū)域的面積為三維網(wǎng)格表面積的1%，即可利用表面積計(jì)算支撐區(qū)域的半徑大小。步驟22，以環(huán)為單位表示支撐區(qū)域的半徑以特征點(diǎn)為中心三維網(wǎng)格呈現(xiàn)環(huán)狀發(fā)射分布，利用半徑和平均邊長(zhǎng)的比值把支撐區(qū)域的的大小轉(zhuǎn)換為環(huán)的數(shù)量。本發(fā)明中，所述步驟3具體包括以下步驟步驟31，確定第一坐標(biāo)軸特征點(diǎn)的法線方向。步驟32，確定第二坐標(biāo)軸特征點(diǎn)在切平面內(nèi)的梯度方向。步驟33，確定第三坐標(biāo)軸第一坐標(biāo)軸與第二坐標(biāo)軸的叉積方向。本發(fā)明中，所述步驟4具體包括以下步驟步驟41，確定圓盤采樣的半徑圓盤采樣的半徑等于支撐區(qū)域的半徑大小。步驟42，確定采樣點(diǎn)的位置采樣點(diǎn)位于特征點(diǎn)的切平面上且均勻分布于圓盤的半徑范圍內(nèi)，沿徑向共8圈，每圈32個(gè)采樣點(diǎn)。步驟43，計(jì)算采樣值采樣值為采樣點(diǎn)到三維網(wǎng)格表面的垂直有符號(hào)距離。本發(fā)明中，所述步驟5具體包括以下步驟步驟51，計(jì)算采樣點(diǎn)的梯度基于采樣點(diǎn)的相鄰采樣值計(jì)算梯度的大小及方向。步驟52，劃分扇區(qū)8X32的圓盤采樣區(qū)域被人為的分成了內(nèi)外兩環(huán)，每環(huán)各8個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)內(nèi)包含4X4個(gè)采樣點(diǎn)。步驟53，計(jì)算梯度子直方圖對(duì)于每個(gè)扇區(qū)，計(jì)算一個(gè)8維的梯度子直方圖，總共有16個(gè)梯度子直方圖。由于大多數(shù)特征描述算法是基于三維模型的頂點(diǎn)直接進(jìn)行計(jì)算，因此三維模型的采樣質(zhì)量一直以來(lái)是困擾特征描述的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對(duì)于同一物體的不同采樣模型，在同一位置的特征描述符可能因?yàn)椴蓸淤|(zhì)量的差異而表現(xiàn)的各不相同，這就為接下來(lái)的特征匹配帶來(lái)了一定的困難，甚至無(wú)法生成正確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圓盤采樣特征描述的提出就是為了解決這一難題，其核心思想是在特征點(diǎn)的支撐區(qū)域內(nèi)進(jìn)行圓盤拓?fù)涞木鶆虿蓸硬⒉蓸又涤糜谟?jì)算特征描述符。這樣做雖然無(wú)法從根本上解決采樣質(zhì)量對(duì)特征描述的影響，但是在一定程度上降低了特征描述對(duì)于采樣質(zhì)量的依賴性。有益效果本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是特征描述能夠滿足歐式空間的仿射不變性和非均勻采樣魯棒性，并且不同特征點(diǎn)的特征描述符具有較強(qiáng)的區(qū)分力。具體而言，仿射不變性是指特征描述對(duì)于平移、旋轉(zhuǎn)和縮放操作具有不變性，這一性質(zhì)是通過(guò)建立局部三維坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，該特征描述方法對(duì)于平移、旋轉(zhuǎn)和均勻縮放操作具有絕對(duì)的不變性，而對(duì)于非均勻的縮放操作則具有相對(duì)的不變性。非均勻采樣魯棒性是指特征描述對(duì)于不同采樣頻率的三維模型具有一定的穩(wěn)定性，這一性質(zhì)是通過(guò)圓盤采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。較強(qiáng)的區(qū)分力是指特征描述能夠準(zhǔn)確的反映不同特征點(diǎn)的不同特征，具有不同特征的特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的特征描述也應(yīng)該迥然不同，而具有相似特征的特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的特征描述則是相似的，這一性質(zhì)是通過(guò)計(jì)算梯度直方圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的具體說(shuō)明，本發(fā)明的上述和 /或其他方面的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚。圖1為本發(fā)明方法的基本流程圖。圖2為一環(huán)鄰域的頂點(diǎn)信息和面信息示意圖。圖3為以特征點(diǎn)為中心呈現(xiàn)發(fā)射分布的環(huán)的示意圖。圖4為三維局部坐標(biāo)系的示意圖。圖5為圓盤采樣的示意圖。圖6為梯度子直方圖的示意圖。
具體實(shí)施例方式具體地說(shuō)，如圖1所示，本發(fā)明公開了一種特征描述方法，包括以下步驟步驟1，預(yù)處理在特征描述之前加入預(yù)處理環(huán)節(jié)的目的，一方面是為了避免重復(fù)計(jì)算從而提高處理的效率，另一方面是為后續(xù)步驟提供必要的數(shù)據(jù)支持。步驟2，選取支撐區(qū)域支撐區(qū)域即特征點(diǎn)周圍的有效鄰域，有效鄰域內(nèi)的頂點(diǎn)信息將直接參與特征描述符的生成過(guò)程，而有效鄰域外的頂點(diǎn)信息將不會(huì)對(duì)特征描述符的生成產(chǎn)生影響。步驟3，建立局部坐標(biāo)系為了保證特征描述具有平移和旋轉(zhuǎn)不變性，通常的方法是以特征點(diǎn)為原點(diǎn)建立一個(gè)只依賴于局部的三維坐標(biāo)系。步驟4，圓盤采樣三維網(wǎng)格的采樣頻率和拓?fù)潢P(guān)系的變化在一定程度上會(huì)影響特征描述的準(zhǔn)確性，這是由于任何離散的表示方法都是對(duì)連續(xù)變化量的近似逼近，而不同的離散表示之間存在著天然的誤差。為了克服三維網(wǎng)格這種不同于二維圖像的非規(guī)則性， 這里考慮采用重采樣的方法對(duì)特征點(diǎn)的支撐區(qū)域進(jìn)行規(guī)則采樣，以實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)的均勻分布以及固定的拓?fù)潢P(guān)系，從而提高特征描述的準(zhǔn)確性。步驟5，計(jì)算梯度直方圖基于圓盤采樣所獲得的采樣點(diǎn)和采樣值計(jì)算梯度直方圖。步驟6，生成特征描述符聯(lián)結(jié)8X16的梯度直方圖生成1 維的特征向量并對(duì)特征向量進(jìn)行規(guī)范化，規(guī)范化后的特征向量即為特征描述符。所述步驟1具體包括以下步驟步驟11，計(jì)算三維網(wǎng)格頂點(diǎn)V的鄰域信息鄰域信息是指三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的一環(huán)鄰域，包括一環(huán)鄰域的頂點(diǎn)信息和面信息，即與頂點(diǎn)V直接相鄰的頂點(diǎn)和面。如圖2所示，Vl V7表示一環(huán)鄰域的頂點(diǎn)，F(xiàn)l F7表示一環(huán)鄰域的面。步驟12，計(jì)算三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的法線信息法線信息是指三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的法線方向。步驟13，計(jì)算三維網(wǎng)格的表面積表面積為三維網(wǎng)格上所有面的面積和。步驟14，計(jì)算三維網(wǎng)格的平均邊長(zhǎng)平均邊長(zhǎng)為三維網(wǎng)格上所有邊的長(zhǎng)度和再求平均。所述步驟2具體包括以下步驟
步驟21，確定支撐區(qū)域的半徑如果支撐區(qū)域是圓形拓?fù)洳⑶抑螀^(qū)域的面積為三維網(wǎng)格表面積的1%，即可利用表面積計(jì)算支撐區(qū)域的半徑大小。步驟22，以環(huán)為單位表示支撐區(qū)域的半徑以特征點(diǎn)為中心三維網(wǎng)格呈現(xiàn)環(huán)狀發(fā)射分布。如圖3所示，Rl R6分別表示第1環(huán)到第6環(huán)。利用半徑和平均邊長(zhǎng)的比值把支撐區(qū)域的的大小轉(zhuǎn)換為環(huán)的數(shù)量。所述步驟3具體包括以下步驟，如圖4所示步驟31，確定第一坐標(biāo)軸I 特征點(diǎn)的法線方向。步驟32，確定第二坐標(biāo)軸II 特征點(diǎn)在切平面內(nèi)的梯度方向。步驟33，確定第三坐標(biāo)軸IXII 第一坐標(biāo)軸與第二坐標(biāo)軸的叉積方向。所述步驟4具體包括以下步驟步驟41，確定圓盤采樣的半徑圓盤采樣的半徑等于支撐區(qū)域的半徑大小。步驟42，確定采樣點(diǎn)的位置采樣點(diǎn)位于特征點(diǎn)的切平面上且均勻分布于圓盤的半徑范圍內(nèi)，沿徑向共8圈，每圈32個(gè)采樣點(diǎn)。如圖5所示，以徑向4圈，每圈32個(gè)采樣點(diǎn)為例，直線表示特征點(diǎn)到采樣點(diǎn)的徑向方向。步驟43，計(jì)算采樣值采樣值為采樣點(diǎn)到三維網(wǎng)格表面的垂直有符號(hào)距離。所述步驟5具體包括以下步驟步驟51，計(jì)算采樣點(diǎn)的梯度基于采樣點(diǎn)的相鄰采樣值計(jì)算梯度的大小及方向。步驟52，劃分扇區(qū)8X32的圓盤采樣區(qū)域被人為的分成了內(nèi)外兩環(huán)，每環(huán)各8個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)內(nèi)包含4X4個(gè)采樣點(diǎn)。步驟53，計(jì)算梯度子直方圖對(duì)于每個(gè)扇區(qū)，計(jì)算一個(gè)8維的梯度子直方圖，總共有16個(gè)梯度子直方圖。如圖6所示，以內(nèi)環(huán)8個(gè)8維的梯度子直方圖為例，粗線表示劃分扇區(qū)的起始位置。實(shí)施例基于特征描述符間的歐氏距離，可以方便的度量特征點(diǎn)的相似性，從而建立特征點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這一過(guò)程被稱之為特征匹配，特征匹配是衡量特征描述結(jié)果有效性的重要方法之一。給定兩個(gè)三維網(wǎng)格模型禮2，假設(shè)M1上檢測(cè)出Ii1個(gè)特征點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的特征描述符為訴丨|ie [l...Wl]}，M2上檢測(cè)出n2個(gè)特征點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的特征描述符為| J^ [1.. 2]}，對(duì)于每個(gè)M1上的特征描述符/ν丨，基于歐氏距離即可在M2上尋找最佳匹配的特征描述符/ν〖。為了得到準(zhǔn)確而穩(wěn)定的特征匹配效果，本發(fā)明采用了次佳反饋和交叉驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)方法。所謂次佳反饋是指，在進(jìn)行特征匹配時(shí)不是簡(jiǎn)單的尋找歐氏距離最小的特征描述符組合，而是同時(shí)考慮最小匹配和次小匹配兩方面因素，目的是保證匹配的特征點(diǎn)的確是明顯的匹配， 即最小歐氏距離明顯的小于次小歐氏距離。實(shí)際中我們以最小匹配和次小匹配之間的比值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定合適的閾值Y進(jìn)行劃分(Y =0.8)，只將小于閾值γ的特征匹配認(rèn)為是合法。所謂交叉驗(yàn)證是指，我們不僅確定與/ν丨匹配的特征描述符是/ν丨，同時(shí)保證與/《 匹配的特征描述符的確是/ν丨，這實(shí)際上是一個(gè)雙向匹配的過(guò)程。表1和表2給出了運(yùn)用本發(fā)明的方法進(jìn)行特征匹配測(cè)試的結(jié)果，其中表1是針對(duì)異采樣頻率和拓?fù)潢P(guān)系的剛性特征匹配，而表2則是針對(duì)同采樣頻率和拓?fù)潢P(guān)系的非剛性特征匹配。用于測(cè)試的硬件環(huán)境是 Intel Pentium(R) Dual2. 2GHz 處理器和 2G 內(nèi)存，軟件環(huán)境是Visual Studio2005和Window XP。本發(fā)明用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了所提出的方法。測(cè)試模型來(lái)源于三維掃描建模和互聯(lián)網(wǎng)上的公開免費(fèi)模型。表1
權(quán)利要求
1.一種三維模型的特征描述方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1，預(yù)處理；步驟2，選取支撐區(qū)域支撐區(qū)域即特征點(diǎn)周圍的有效鄰域； 步驟3，建立局部坐標(biāo)系以特征點(diǎn)為原點(diǎn)建立一個(gè)只依賴于局部的三維坐標(biāo)系； 步驟4，圓盤采樣采用重采樣的方法對(duì)特征點(diǎn)的支撐區(qū)域進(jìn)行規(guī)則采樣，以實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)的均勻分布和規(guī)則拓?fù)洌徊襟E5，計(jì)算梯度直方圖基于圓盤采樣所獲得的采樣點(diǎn)和采樣值計(jì)算梯度直方圖； 步驟6，生成特征描述符聯(lián)結(jié)8X16的梯度直方圖生成1 維的特征向量并對(duì)特征向量進(jìn)行規(guī)范化，規(guī)范化后的特征向量即為特征描述符。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維模型的特征描述方法，其特征在于，所述步驟1預(yù)處理包括以下步驟步驟11，計(jì)算三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的鄰域信息鄰域信息是指三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的一環(huán)鄰域，包括一環(huán)鄰域的頂點(diǎn)信息和面信息，即與頂點(diǎn)直接相鄰的頂點(diǎn)和面；步驟12，計(jì)算三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的法線信息法線信息是指三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的法線方向；步驟13，計(jì)算三維網(wǎng)格的表面積表面積為三維網(wǎng)格上所有面的面積和；步驟14，計(jì)算三維網(wǎng)格的平均邊長(zhǎng)平均邊長(zhǎng)為三維網(wǎng)格上所有邊的長(zhǎng)度和再求平均。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維模型的特征描述方法，其特征在于，所述步驟2包括以下步驟步驟21，確定支撐區(qū)域的半徑如果支撐區(qū)域是圓形拓?fù)洳⑶抑螀^(qū)域的面積為三維網(wǎng)格表面積的1%，則利用表面積計(jì)算支撐區(qū)域的半徑大?。徊襟E22，以環(huán)為單位表示支撐區(qū)域的半徑以特征點(diǎn)為中心三維網(wǎng)格呈現(xiàn)環(huán)狀發(fā)射分布，利用半徑和平均邊長(zhǎng)的比值把支撐區(qū)域的的大小轉(zhuǎn)換為環(huán)的數(shù)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維模型的特征描述方法，其特征在于，所述步驟3包括以下步驟步驟31，確定第一坐標(biāo)軸為特征點(diǎn)的法線方向；步驟32，確定第二坐標(biāo)軸為特征點(diǎn)在切平面內(nèi)的梯度方向；步驟33，確定第三坐標(biāo)軸為第一坐標(biāo)軸與第二坐標(biāo)軸的叉積方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維模型的特征描述方法，其特征在于，所述步驟4包括以下步驟步驟41，確定圓盤采樣的半徑圓盤采樣的半徑等于支撐區(qū)域的半徑大??； 步驟42，確定采樣點(diǎn)的位置采樣點(diǎn)位于特征點(diǎn)的切平面上且均勻分布于圓盤的半徑范圍內(nèi)，沿徑向共8圈，每圈32個(gè)采樣點(diǎn)；步驟43，計(jì)算采樣值采樣值為采樣點(diǎn)到三維網(wǎng)格表面的垂直有符號(hào)距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維模型的特征描述方法，其特征在于，所述步驟5包括以下步驟步驟51，計(jì)算采樣點(diǎn)的梯度基于采樣點(diǎn)的相鄰采樣值計(jì)算梯度的大小及方向； 步驟52，劃分扇區(qū)8X32的圓盤采樣區(qū)域被人為的分成了內(nèi)外兩環(huán)，每環(huán)各8個(gè)扇區(qū)， 每個(gè)扇區(qū)內(nèi)包含4X4個(gè)采樣點(diǎn)；步驟53，計(jì)算梯度子直方圖對(duì)于每個(gè)扇區(qū)，計(jì)算一個(gè)8維的梯度子直方圖，總共有16 個(gè)梯度子直方圖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維模型的特征描述方法，其特征在于，使用梯度直方圖對(duì)三維模型的特征點(diǎn)進(jìn)行描述，得到三維模型所有特征點(diǎn)的特征描述符。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維模型的特征描述方法，對(duì)通過(guò)曲率提取的特征點(diǎn)進(jìn)行特征描述。該方法在三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的切平面上均勻采樣，借助于概率統(tǒng)計(jì)的思想，在采樣平面內(nèi)生成一系列反映采樣點(diǎn)梯度分布的概率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并用直方圖表示，基于梯度直方圖計(jì)算用于特征描述的特征描述符。所述的特征描述方法包括以下步驟預(yù)處理、選取支撐區(qū)域、建立局部坐標(biāo)系、圓盤采樣、計(jì)算梯度直方圖和生成特征描述符。該方法的輸入是三維網(wǎng)格和一系列用坐標(biāo)位置表示的特征點(diǎn)，輸出則是用128維特征向量表示的特征描述符。
文檔編號(hào)G06T17/30GK102254353SQ20111015676
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者郭凱, 郭延文 申請(qǐng)人:南京大學(xué)