一種三維模型局部球面調(diào)和特征提取方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明一種三維模型局部球面調(diào)和特征提取方法，屬于計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域。其特征在于，針對(duì)已有三維模型全局球面調(diào)和特征提取方法球心選擇偏差會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)球面采樣和特征提取的不足，提出了一種局部球面調(diào)和特征提取方法。它首先對(duì)三維模型進(jìn)行尺度歸一化處理；其次使用插值的方法對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，進(jìn)而生成深度圖像并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)而確定局部球心的位置；然后使用同心球殼的方法對(duì)每一個(gè)局部球心進(jìn)行局部球面采樣；最后計(jì)算出每個(gè)局部球心對(duì)應(yīng)的球面調(diào)和特征向量，并使用加權(quán)組合的方法得到整個(gè)三維模型的局部球面調(diào)和特征向量。應(yīng)用本發(fā)明所述的方法，可在一定程度上緩解球心位置偏差帶來(lái)的不穩(wěn)定性，為后續(xù)識(shí)別提供良好的基礎(chǔ)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種三維模型局部球面調(diào)和特征提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域，涉及球面調(diào)和變換、三維模型特征提取等技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]總結(jié)現(xiàn)有的三維模型識(shí)別方法，其特征提取方法主要有兩種思路:一是基于深度圖的特征提取方法，另一種是基于三維數(shù)據(jù)本身的方法?；谏疃葓D的特征提取方法首先對(duì)三維模型進(jìn)行姿態(tài)校正，然后生成深度圖，最后利用二維特征提取方法對(duì)深度圖進(jìn)行特征提取。深度圖雖然在一定層面上可以表示三維數(shù)據(jù)的形狀特征，但是其畢竟是在某一方面的深度投影，所以投影方向的選取是一步十分重要的過(guò)程、一般情況下，在投影之前需要對(duì)三維模型進(jìn)行姿態(tài)旋轉(zhuǎn)校正。如果姿態(tài)校正處理不當(dāng)就會(huì)引起某些特征丟失，進(jìn)而導(dǎo)致識(shí)別失敗。這一種方法從本質(zhì)上說(shuō)不屬于三維特征提取，且其結(jié)果的好壞過(guò)分依賴(lài)于姿態(tài)校正的準(zhǔn)確性?；谌S數(shù)據(jù)本身的方法指的是直接對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取的方法。這類(lèi)方法可以更完整的保留三維模型形狀的所有特征，不需要對(duì)三維模型進(jìn)行姿態(tài)校正。但是，如果直接對(duì)三維模型進(jìn)行三維特征提取即提取三維模型全局特征，由于三維數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二維數(shù)據(jù)，計(jì)算量一般情況下較大。為了減少計(jì)算量，研究者提出了基于局部特征的三維特征提取方法。這種方法首先從三維模型中選擇出一些有代表性的點(diǎn)，然后對(duì)這些代表點(diǎn)的局部鄰域進(jìn)行特征提取與描述。這類(lèi)方法可以在盡可能保留鑒別信息的前提下減少算法的計(jì)算量，近年來(lái)得到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。
[0003]局部特征可以保存在全局特征中容易忽略的細(xì)節(jié)信息，常見(jiàn)的LSP (LocalSurface Patch)、LBP (Local Binary Pattern)算法都是基于局部信息的特征提取方法。LBP算法最早是基于二維圖像提出的，其對(duì)于圖像在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)及灰度單調(diào)變化具有魯棒性，可以較好地表征圖像的局部相關(guān)特征。近年來(lái)，研究者對(duì)LBP算法進(jìn)行拓展用來(lái)表示三維圖像的局部特征信息。如果簡(jiǎn)單的依照二維圖像中的LBP算法進(jìn)行三維拓展，將會(huì)遇到很多無(wú)法解決的問(wèn)題。例如簡(jiǎn)單的將二維圓形鄰域擴(kuò)展到三維球型鄰域，首先遇到的問(wèn)題是采樣問(wèn)題，二維圖像中的圓周可以等距離的分割出若干個(gè)采樣點(diǎn)，而三維球面卻無(wú)法進(jìn)行均勻采樣，其次是二維圖像研究中心像素與周?chē)袼氐幕叶炔钪店P(guān)系，而拓展到三維中每個(gè)體素點(diǎn)卻沒(méi)有灰度值的定義了，每個(gè)體素點(diǎn)除了位置的差別沒(méi)有其他不同的表征值，所以球面上體素與中心體素的差值便無(wú)法計(jì)算，最后即便是找到了一種度量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行局部信息與中心體素的差值度量，也很難找到一個(gè)順序?qū)λ胁钪颠M(jìn)行排列，二維圓周上的排列順序只有兩種，順時(shí)針或者逆時(shí)針，而三維球面上的點(diǎn)卻很難找到一個(gè)順序來(lái)排列所有采樣點(diǎn)。為了避免這些問(wèn)題，研究者避開(kāi)直接應(yīng)用算法于三維數(shù)據(jù)之上，而是將三維圖像在某一平面上進(jìn)行投影，以得到相應(yīng)的深度二維圖像，深度圖歸一化之后，其特性與二維灰度圖類(lèi)似，依照典型的2D LBP算法處理二維深度圖像。統(tǒng)計(jì)當(dāng)前點(diǎn)與鄰域點(diǎn)的深度差值，差值以一組4位二進(jìn)制形式編碼，統(tǒng)計(jì)鄰域中每一點(diǎn)與中心點(diǎn)的深度差值即能得到4層二進(jìn)制值，將每一層二進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)化為10進(jìn)制數(shù)字，便能得到每一點(diǎn)像素深度LBP特征，由4個(gè)十進(jìn)制數(shù)字組成,此算法被稱(chēng)之3D LBP算法(Hui Zeng, J1-Yuan Dong, Zh1-Chun Mu,Yin Gu0.Ear Recognition Based on3D Key-point Matching[C].1EEE InternationalConference on Signal Processing, 2010, Bei jing:1694-1697.)?？梢钥闯鲭m然被稱(chēng)之 3DLBP算法，但是算并不是真正的在3D數(shù)據(jù)中進(jìn)行的，而是應(yīng)用于三維圖像的深度圖像當(dāng)中，雖然深度圖像可以表示三維圖像的結(jié)構(gòu)信息，但是深度圖像為三維圖像某一方向的投影結(jié)果，必然會(huì)造成一些結(jié)構(gòu)信息的丟失，所以實(shí)際上應(yīng)稱(chēng)之為2.5D LBP算法。
[0004]球面調(diào)和變換是對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行的一種頻域變換，目的是提取三維數(shù)據(jù)中所包含的空間旋轉(zhuǎn)不變的特征，借此特征進(jìn)行三維圖像識(shí)別，從而克服姿態(tài)問(wèn)題，提高識(shí)別魯棒性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員也已經(jīng)將球面調(diào)和變換的方法應(yīng)用于三維模型特征提取之中，所含眾多領(lǐng)域，包括醫(yī)學(xué)器官成像、空間光譜分析、人臉識(shí)別等方面。研究人員將建模或者識(shí)別對(duì)象通過(guò)球面調(diào)和變換的方法變換，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)不變的三維模型特征提取方法，克服了姿態(tài)問(wèn)題引起的誤差。根據(jù)LBP算法的原理與球面調(diào)和變換的特點(diǎn)，本發(fā)明受到啟發(fā)，提出了一種三維局部球面調(diào)和特征。該特征選取三維數(shù)據(jù)的局部點(diǎn)作為圓心，若鄰域選擇的足夠小將會(huì)克服位置不穩(wěn)定帶來(lái)的誤差，可以在一定程度上克服全局球面調(diào)和特征依賴(lài)球心選擇的特點(diǎn)

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種三維模型局部球面調(diào)和特征提取方法。該方法以球面調(diào)和變換為理論依據(jù)，以局部體素點(diǎn)為球心，進(jìn)行小半徑的球面調(diào)和變換，可以避免全局球面調(diào)和特征過(guò)分依賴(lài)于球心選取的特點(diǎn)，更好地克服了姿態(tài)問(wèn)題。由于一般情況下三維模型點(diǎn)的數(shù)量較大，而且球面調(diào)和變換本身的計(jì)算復(fù)雜度較高，所以在本發(fā)明中選取局部球心時(shí)還不能做到遍歷所有體素點(diǎn)，只可以進(jìn)行更為稀疏的采樣。鑒于此，本發(fā)明提出了一種三維模型網(wǎng)格劃分及局部球`心定位方法，以完成對(duì)三維模型的稀疏采樣。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007]本發(fā)明提出的三維模型局部球面調(diào)和特征提取方法主要包括尺度歸一化、三維數(shù)據(jù)重采樣、深度圖像網(wǎng)格劃分與局部球心定位、基于同心球殼的局部球面采樣及局部球面調(diào)和特征提取五個(gè)步驟，算法的流程圖如附圖1所示。
[0008]1.尺度歸一化
[0009]由于原始三維模型數(shù)據(jù)是以激光掃描儀為坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描的，即使是同一個(gè)被采集對(duì)象在多次采集時(shí)不可避免地會(huì)與掃描儀的位置產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，可能導(dǎo)致被采集對(duì)象的尺度有所偏差，因此需要對(duì)三維模型進(jìn)行尺度歸一化處理。首先，平移三維模型點(diǎn)，使其形心
[0010]位于平移后的坐標(biāo)原點(diǎn)，具體平移公式如式(I)、(2)所示:
[0011]
【權(quán)利要求】
1.一種三維模型局部球面調(diào)和特征提取方法，其特征在于，步驟如下: 步驟1:對(duì)三維模型進(jìn)行尺度歸一化處理； 步驟2:利用插值的方法對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，使其在XOY平面上的投影點(diǎn)達(dá)到均勻分布； 步驟3:利用重采樣后的三維數(shù)據(jù)生成深度圖像并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)而根據(jù)網(wǎng)格劃分結(jié)果確定局部球心的位置； 步驟4:對(duì)于每一個(gè)局部球心，使用同心球殼的方法進(jìn)行局部球面采樣； 步驟5:計(jì)算出每個(gè)局部球心對(duì)應(yīng)的球面調(diào)和特征向量，并使用加權(quán)組合的方法將它們串聯(lián)起來(lái)，得到整個(gè)三維模型的局部球面調(diào)和特征向量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維模型局部球面調(diào)和特征提取方法，其特征在于:所述步驟I中的尺度歸一化方法可以使三維模型被固定尺度的球面恰好包圍住，具體步驟為: 1.1)首先，平移三維模型點(diǎn)，使其形心位于平移后的坐標(biāo)原點(diǎn)，具體平移公式如式(I)、(2)所示:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維模型局部球面調(diào)和特征提取方法，其特征在于:所述步驟2中使用插值的方法對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，使其在XOY平面上的投影點(diǎn)達(dá)到均勻分布，具體的實(shí)現(xiàn)步驟為: 1)在保持原始三維數(shù)據(jù)X與Y方向的取值范圍不變，即x、Y坐標(biāo)最大值保持不變的前提下，分別在X與Y方向的取值區(qū)間內(nèi)進(jìn)行等距離的采樣； 2)并根據(jù)插值公式自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的新的深度方向的坐標(biāo)值，即三維點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維模型局部球面調(diào)和特征提取方法，其特征在于:所述步驟3中利用重采樣后的三維數(shù)據(jù)生成深度圖像并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)而根據(jù)網(wǎng)格劃分結(jié)果確定局部球心的位置，具體的實(shí)現(xiàn)步驟為: . 3.1)將重采樣后的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行深度圖投影，獲得相應(yīng)的深度圖像； .3.2)以20像素為間隔對(duì)深度圖像進(jìn)行網(wǎng)格劃分； . 3.3)根據(jù)網(wǎng)格橫縱分割線(xiàn)的交點(diǎn)坐標(biāo)確定局部球心的三維坐標(biāo)值，并根據(jù)網(wǎng)格的寬度確定局部球面的最大半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維模型局部球面調(diào)和特征提取方法，其特征在于:所述步驟4中使用同心球殼的方法對(duì)局部球心的鄰域進(jìn)行局部球面采樣，具體的實(shí)現(xiàn)步驟為: .4.1)以局部球心點(diǎn)為中心，分別以5、10、15、20為半徑作同心球面； . 4.2)計(jì)算每個(gè)同心球面與三維模型的交點(diǎn)集。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維模型局部球面調(diào)和特征提取方法，其特征在于:所述步驟5中計(jì)算每個(gè)局部球心對(duì)應(yīng)的球面調(diào)和特征向量，并使用加權(quán)組合的方法將每個(gè)局部球心對(duì)應(yīng)的球面調(diào)和特征向量串聯(lián)起來(lái)，具體的實(shí)現(xiàn)步驟為: .5.1)利用球面調(diào)和變換計(jì)算每個(gè)局部球心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的球面調(diào)和特征向量；
. 5.2)根據(jù)局部球面的半徑大小為其指定加權(quán)系數(shù)，局部球面的半徑越大其對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)越小，局部球面的半徑越小其對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)越大； .5.3)將多個(gè)球面的特征向量進(jìn)行加權(quán)組合，進(jìn)而生成整個(gè)三維模型的局部球面調(diào)和特征向量，如公式(10)所示:
【文檔編號(hào)】G06T15/00GK103700135SQ201410009280
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月8日
【發(fā)明者】曾慧, 張瑞, 穆志純, 黃明明, 張保慶 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)