專利名稱：一種基于圖像重建三維數據的法線采樣重算法的制作方法
一種基于圖像重建三維數據的法線采樣重算法技術領域
本發明屬于數字圖像和三維數據處理技術領域，具體涉及一種基于圖像重建三維數據的重采樣算法。
背景技術：
光學三維測量技術是一種重要的非接觸式測量技術，具有數據獲取速度快、數據豐富、操作簡單、易于維護等優勢，目前，已經廣泛應用于形貌測量、自動在線檢測、產品質量分析、文物保護等領域。但是，根據測量系統拍攝圖像分辨率的不同，一次獲得數據量可達幾十萬到幾百萬點，而為了獲得全部的數據，三維測量系統一般會根據被測物的復雜程度對其測量多次不等，最終的數據量大的驚人，這樣大的信息量對于后續處理和分析將是一個嚴峻的考驗甚至是不可能完成的事，因此，有必要在測量過程中對數據進行必要的算法處理，在不影響形貌特征的基礎上用盡量少的數據點重現整個被測物，這一過程就是采樣過程。目前，實現主要有兩種方法(1)、等間距采樣的方法。根據圖像與三維數據的對應關系，采取相隔固定間隔計算三維數據，達到減小數據量的目的。這種方法簡單易行，但是無法區分被測物上面的特征，導致細節特征丟失，而有些地方的數據(例如平面處)仍然有大量冗余；(2)、基于曲率的采樣方法。這種方法完全利用計算出的三維數據，使采樣后的數據疏密有秩，既保留了豐富的細節，也達到了減小數據量的目的。但是這一方法，計算效率極低， 并且只能在測量結束后才能處理，對于測量過程來說，不具有可操作性。發明內容
本發明的目的是為解決光學三維測量系統的測量數據重采樣問題，提供了一種基于圖像重建三維數據的法線重采樣算法。
本發明是通過下述方案予以實現的，該方法借助于電腦管理軟件利用光學三維測量系統所拍攝的圖像計算所獲得的三維數據點與圖像的像素點具有對應關系實現的，其特征在于該方法的具體實現步驟是(1)在滿足設計精度要求的條件下，依據圖像顯示的實物立體幾何特征，按像素點重采樣的疏密度設定像素點重采樣區域的級別和不需要重采樣的忽略區域，同時設定像素點重采樣區域的級別標識碼I-N和不同級別重采樣區域的閾值，設置不需要重采樣的忽略區域標識碼0，重采樣區域的級別設置原則是，對于圖像中，平面區域、曲面平滑過度區域或曲面突變區域等可以代表區域特征像素點疏密度確定像素點重采樣區域的級別；(2)依據光學三維測量系統所拍攝的圖像計算所得的每個三維數據點與圖像的像素點之間的對應關系，建立數字圖像上所有參與計算三維數據的像素點與計算所得的三維數據點之間的對應關系列表；(3)、依據所有三維數據點，獲得三維數據的外接包圍盒，該包圍盒平行于坐標系的三個坐標軸，根據包圍盒的大小和包圍盒內數據量大小將三維數據點自適應分割成大小相等的長方體，長方體在X、Y坐標軸方向上的邊長為 L = ψο. ηχΧ,χΥ,κΖ,)! ，其中Z1、和Zi為包圍盒在三個坐標軸方向上的邊長，η為包圍盒內三維數據點總數，依次建立每一個長方體對應的哈希表元素；(4)、根據步驟(3)建立的哈希表元素內的數據點構造協方差矩陣，利用反冪法計算矩陣的按模最小特征值對應的特征向量，用此特征向量近似代替對應哈希表內所有數據點的真實法線，單位化法線并按對應順序存儲；(5)、建立與圖像所有像素點一一對應的重采樣區域查找表，重采樣區域查找表建立是采用，首先假設所有區域均為不需要重采樣的忽略區域，并設定初值為0，根據每個哈希表對應的法線，分別計算出該哈希表對應的法線與周圍ηΧη個范圍內的哈希表對應的單位法線的點積，并求和值，將其和值與ηΧη數值比較，將比較結果利用不同級別重采樣區域的閾值進行判斷，判斷結果確定該哈希表對應的所有數據點對應的重采樣區域的級別，并根據步驟(2)所建立數字圖像上所有參與計算三維數據的像素點與計算所得的三維數據點之間的對應關系表，標定該哈希表內的全部數據點同時在該查找表對應位置上的重采樣區域的級別標識碼；(6)、根據(5)所建立的采樣區域查找表，對相應區域內的三維數據進行不同級別的采樣。
本發明的有益效果是，所述的光學三維測量系統的數據采樣方法，將數字圖像與三維數據結合起來，整個采樣過程中，有效的利用了圖像，提高了采樣計算的效率，同時對重采樣區域可以根據預設的不同等級進行精確劃分，用最少的數據點描述區域特征而不使特征丟失時，數據點的疏密程度來設定對應圖像區域的重采樣級別，獲得理想的采樣數據。 對重采樣等級可靈活修改設置，由于是基于查找表的方式，采用本發明所述的方法不增加計算的復雜度。本發明具有效率高、采樣區域劃分精確、采樣等級設置靈活、易于實現等優勢。
具體實施方式
一種基于圖像重建三維數據的法線重采樣方法，該方法借助于電腦管理軟件利用光學三維測量系統所拍攝的圖像計算所獲得的三維數據點與圖像的像素點具有對應關系實現的，其特征在于該方法的具體實現步驟是(1)在滿足設計精度要求的條件下，依據圖像顯示的實物立體幾何特征，按像素點重采樣的疏密度設定像素點重采樣區域的級別和不需要重采樣的忽略區域，同時設定像素點重采樣區域的級別標識碼I-N和不同級別重采樣區域的閾值，設置不需要重采樣的忽略區域標識碼0，重采樣區域的級別的設置原則是，對于圖像中，平面區域、曲面平滑過度區域或曲面突變區域等可以代表區域特征像素點疏密度確定像素點重采樣區域的級別，設定重采樣區域的級別，不同的等級具有不同的采樣的疏密度，即采樣率，本發明實施例以三個等級為例。采樣稀疏區域對應采樣間隔為3，采樣稍密區域對應采樣間隔為2，采樣密集區域對應采樣間隔為1。實際應用中可視情況靈活調整級別；(2)依據光學三維測量系統所拍攝的圖像計算所得的每個三維數據點與圖像的像素點之間的對應關系，建立數字圖像上所有參與計算三維數據的像素點與計算所得的三維數據點之間的對應關系列表；(3)、依據所有三維數據點，獲得三維數據的外接包圍盒，該包圍盒平行于坐標系的三個坐標軸，根據包圍盒的大小和包圍盒內數據量大小將三維數據點自適應分割成大小相等的長方體，長方體在X、Y坐標軸方向上的邊長為L = ψοΧΠχΧ,χΥ,χΖ^ η ,其中Z1、Y1和易為包圍盒在三個坐標軸方向上的邊長，η為包圍盒內三維數據點總數，依次建立每一個長方體對應的哈希表元素；(4)、根據步驟(3)建立的哈希表元素內的數據點構造協方差矩陣，利用反冪法計算矩陣的按模最小特征值對應的特征向量，用此特征向量近似代替對應哈希表內所有數據點的真實法線，單位化法線并按對應順序存儲；(5)、建立與圖像所有像素點一一對應的重采樣區域查找表，重采樣區域查找表建立是采用，首先假設所有區域均為不需要重采樣的忽略區域，并設定初值為0，根據每個哈希表對應的法線，分別計算出該哈希表對應的法線與周圍ηΧη個范圍內的哈希表對應的單位法線的點積，并求和值，將其和值與ηΧη數值比較，將比較結果利用不同級別重采樣區域的閾值進行判斷，判斷結果確定該哈希表對應的所有數據點對應的重采樣區域的級別，并根據步驟(2)所建立數字圖像上所有參與計算三維數據的像素點與計算所得的三維數據點之間的對應關系表，標定該哈希表內的全部數據點同時在該查找表對應位置上的重采樣區域的級別標識碼；(6)、根據(5)所建立的采樣區域查找表，對相應區域內的三維數據進行不同級別的采樣。
本發明實施例中，步驟(1)中，重采樣區域的級別設置為三級，標識碼分別為1、2、 3，三級重采樣區域的閾值分別為，小于22. 5、大于22. 5小于24. 975和大于24. 975，步驟 (5)中，ηΧη取值為5X5。
由數學知識可知，如果兩向量完全平行，則它們的點積等于1。同理如果區域內的向量點積都接近或等于1，則該區域是平坦的。據此，分別計算每個哈希表元素對應的法線與其周圍5X5范圍內的哈希表對應的單位法線的點積，并求和。若點積的大小大于0. 999 時近似認為兩向量平行，則和的大小應大于975認為該區域屬于平面區域，對應采樣區域查找表中采樣間隔設置為3 ；若點積的大小大于0. 9，且小于0. 999時，和的大小大于 22. 5小于24. 975，認為該區域屬于曲面過度區域，對應采樣區域查找表中采樣間隔設置為 2 ；若點積的大小小于0. 9時，和的大小小于22. 5，認為該區域為曲面突變區域，對應采樣區域查找表中采樣間隔設置為1 ；當所有哈希表元素都進過判斷時，采樣區域查找表建立完畢。
以上所述為本發明的實施過程，具體應用時可以根據情況設置采樣的等級，其中 (1)、(2)和(3)不存在先后順序。凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保護的范圍。
權利要求
1.一種基于圖像重建三維數據的法線重采樣方法，該方法借助于電腦管理軟件利用光學三維測量系統所拍攝的圖像計算所獲得的三維數據點與圖像的像素點具有對應關系實現的，其特征在于該方法的具體實現步驟是(1)在滿足設計精度要求的條件下，依據圖像顯示的實物立體幾何特征，按像素點重采樣的疏密度設定像素點重采樣區域的級別和不需要重采樣的忽略區域，同時設定像素點重采樣區域的級別標識碼I-N和不同級別重采樣區域的閾值，設置不需要重采樣的忽略區域標識碼0，重采樣區域的級別設置原則是，對于圖像中，平面區域、曲面平滑過度區域或曲面突變區域等可以代表區域特征像素點疏密度確定像素點重采樣區域的級別；(2)依據光學三維測量系統所拍攝的圖像計算所得的每個三維數據點與圖像的像素點之間的對應關系，建立數字圖像上所有參與計算三維數據的像素點與計算所得的三維數據點之間的對應關系列表；(3)、依據所有三維數據點，獲得三維數據的外接包圍盒，該包圍盒平行于坐標系的三個坐標軸，根據包圍盒的大小和包圍盒內數據量大小將三維數據點自適應分割成大小相等的長方體，長方體在X、Y坐標軸方向上的邊長為L = ψ .ΟΤχΧ,χΥ,χΖ^ Μ ,其中X1、Y1和為包圍盒在三個坐標軸方向上的邊長，η為包圍盒內三維數據點總數，依次建立每一個長方體對應的哈希表元素；(4)、根據步驟(3)建立的哈希表元素內的數據點構造協方差矩陣，利用反冪法計算矩陣的按模最小特征值對應的特征向量，用此特征向量近似代替對應哈希表內所有數據點的真實法線，單位化法線并按對應順序存儲；(5)、建立與圖像所有像素點一一對應的重采樣區域查找表，重采樣區域查找表建立是采用，首先假設所有區域均為不需要重采樣的忽略區域，并設定初值為0，根據每個哈希表對應的法線，分別計算出該哈希表對應的法線與周圍ηΧη個范圍內的哈希表對應的單位法線的點積，并求和值，將其和值與ηΧη數值比較，將比較結果利用不同級別重采樣區域的閾值進行判斷，判斷結果確定該哈希表對應的所有數據點對應的重采樣區域的級別，并根據步驟(2)所建立數字圖像上所有參與計算三維數據的像素點與計算所得的三維數據點之間的對應關系表，標定該哈希表內的全部數據點同時在該查找表對應位置上的重采樣區域的級別標識碼；(6)、根據(5)所建立的采樣區域查找表，對相應區域內的三維數據進行不同級別的采樣。
2.根據權利要求1所述的一種基于圖像重建三維數據的法線重采樣方法，其特征在于所述的步驟(1)中，重采樣區域的級別設置為三級，標識碼分別為1、2、3，三級重采樣區域的閾值分別為，小于22. 5、大于22. 5小于24. 975和大于24. 975，步驟(5)中，ηΧη取值為 5X5。
全文摘要
一種基于圖像重建三維數據的法線采樣重算法，屬于三維數據處理和數字圖像處理領域，解決光學三維測量過程中數據重采樣問題。采樣過程為預設采樣等級和閾值，不同的等級具有不同的疏密度；建立數字圖像像素點與三維數據點的對應關系表；自適應建立哈希表，并對每一個哈希表元素都計算一個法線，哈希表中每一個數據點的法線都用對應的哈希表的法線代替，利用區域內的法線依次點積，并求和值；根據和值的大小判斷采樣等級，結合數字圖像像素點與三維數據點的對應關系表建立相應的采樣查找表，查找表的值由預設的采樣等級對應確定；最后根據建立的采樣查找表對三維數據進行采樣。本發明具有效率高、用最少的數據點描述區域特征而不使特征丟失，采樣區域劃分精確、采樣等級設置靈活、易于實現等優勢。
文檔編號G01B11/24GK102521874SQ201110377279
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月24日 優先權日2011年11月24日
發明者何萬濤, 劉春媛, 周波, 孟祥林, 程俊廷, 趙燦 申請人:黑龍江科技學院
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