用于3d掃描的傳感器定位的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種獲得用于3D傳感器的優(yōu)雅姿態(tài)的方法，該傳感器用于對(duì)象的表面幾何圖形的在線3D建模，該姿態(tài)包含六個(gè)自由度(DOF)，這六個(gè)自由度包括三個(gè)平移參數(shù)和三個(gè)定向參數(shù)，該方法包括：提供該3D傳感器，該3D傳感器被適配成用于從一個(gè)視點(diǎn)捕捉該對(duì)象的該表面的3D點(diǎn)測(cè)量值；提供該表面的至少一部分的一個(gè)幾何模型；用該3D傳感器觀測(cè)該對(duì)象的該表面的一部分；通過(guò)定位設(shè)備姿態(tài)測(cè)量、預(yù)測(cè)姿態(tài)追蹤和目標(biāo)觀測(cè)中的至少一個(gè)為該3D傳感器測(cè)量一種初始化姿態(tài)；使用該初始化姿態(tài)、在該幾何模型中找到這些3D點(diǎn)測(cè)量值的一個(gè)最佳擬合安排；使用該最佳擬合安排為該3D傳感器生成該優(yōu)雅姿態(tài)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于3D掃描的傳感器定位
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001]本申請(qǐng)要求于2011年6月7日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?1/494,075在35USC§ 119(e)下的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的說(shuō)明書(shū)通過(guò)引用結(jié)合在此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明總體上涉及對(duì)象的表面幾何圖形的3D掃描和建模領(lǐng)域，并且更具體地涉及用于3D掃描的傳感器姿態(tài)的確定。
技術(shù)背景
[0003]3D傳感器在一個(gè)對(duì)象或場(chǎng)景的表面上捕捉3D點(diǎn)。這些3D點(diǎn)測(cè)量值是在該3D傳感器的坐標(biāo)系中獲得的。由于3D傳感器具有一個(gè)有限的視場(chǎng)，因此通?？梢詮囊粋€(gè)單一視點(diǎn)僅觀測(cè)該對(duì)象表面的表面的一個(gè)區(qū)域。為了捕捉該表面的一個(gè)更寬的區(qū)域，在一個(gè)公共坐標(biāo)系中變換這些最新捕捉的3D點(diǎn)之前，移動(dòng)該3D傳感器、從該新視點(diǎn)捕捉3D點(diǎn)、測(cè)量并計(jì)算3D傳感器的位移。在3D掃描中或者更精確地在基于3D掃描的3D建模領(lǐng)域中的一個(gè)難題在于盡可能高效地執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)同時(shí)為目標(biāo)應(yīng)用保持適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度水平。
[0004]3D建模應(yīng)用有很`多，并且從用于設(shè)計(jì)、零件檢驗(yàn)、反向工程的產(chǎn)業(yè)跨度蔓延到被適配成用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的用于矯正術(shù)、假體、或人體計(jì)測(cè)文檔的生產(chǎn)的建模系統(tǒng)。3D掃描和建模有助于若干其他領(lǐng)域，總體上包括藝術(shù)、傳媒、考古學(xué)以及科技。
[0005]通常，兩個(gè)傳感器位置之間的空間關(guān)系將包含六個(gè)自由度(DOF)，這個(gè)六個(gè)自由度包括三個(gè)平移參數(shù)和三個(gè)定向參數(shù)。在一些情況下，可以將3D傳感器的運(yùn)動(dòng)約束到更少的參數(shù)。例如，3D傳感器的運(yùn)動(dòng)可以限于一個(gè)平移。沒(méi)有任何限制，在下文中考慮了六個(gè)DOF的情況。
[0006]已經(jīng)開(kāi)發(fā)和實(shí)施了不同的方法，用于獲得兩個(gè)3D傳感器視點(diǎn)之間的空間關(guān)系。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了若干類(lèi)型的定位設(shè)備并且它們是可商購(gòu)的。
[0007]在這些設(shè)備中，機(jī)械手允許人們將3D傳感器附裝到它的末端執(zhí)行器。該機(jī)械手系統(tǒng)將在它的末端執(zhí)行器和一個(gè)固定坐標(biāo)系之間提供該空間關(guān)系的參數(shù)。尺寸、可用性、便攜性、和精確度是將會(huì)影響成本的一些特征。
[0008]由于不需要將一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)附裝到3D傳感器上，因此光學(xué)追蹤設(shè)備具有更好的靈活性和更大的工作容積。在一些情況下，活動(dòng)或被動(dòng)目標(biāo)被貼附到3D傳感器上并且這些目標(biāo)被追蹤系統(tǒng)追蹤。然而，這強(qiáng)制一個(gè)最小目標(biāo)子集對(duì)追蹤系統(tǒng)可見(jiàn)。這些光學(xué)追蹤系統(tǒng)可以是主動(dòng)追蹤器或攝影測(cè)量系統(tǒng)。
[0009]在光學(xué)設(shè)備類(lèi)別中，還可以將一個(gè)或多個(gè)光學(xué)傳感器(照相機(jī))貼附到3D傳感器上。這些照相機(jī)將會(huì)追蹤在環(huán)境中設(shè)置的活動(dòng)或被動(dòng)目標(biāo)。這些照相機(jī)在環(huán)境中追蹤所貼附的特征，與追蹤3D傳感器本身截然相反。
[0010]其他類(lèi)型的定位設(shè)備存于在并且它們包括電磁系統(tǒng)、聲學(xué)系統(tǒng)和慣性系統(tǒng)。慣性系統(tǒng)不提供相對(duì)于固定參考物的空間關(guān)系；它們提供設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。[0011]對(duì)模態(tài)進(jìn)行組合在本領(lǐng)域中也是已知的。例如，可以采用與光學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合的慣性系統(tǒng)。
[0012]一些系統(tǒng)不需要額外的外部硬件來(lái)測(cè)量它們?cè)诳臻g中的位置，在這種意義上，它們被稱(chēng)為是自參考的。例如，形創(chuàng)(Creaform?)的文檔掃描器(Handyscan?)技術(shù)采用在3D傳感器中集成的照相機(jī)，既用于獲得3D點(diǎn)集合又用于測(cè)量被貼附到場(chǎng)景上的目標(biāo)的位置。這些目標(biāo)被設(shè)計(jì)成用于在這些圖像中以高精度提取。此外，這些3D傳感器在掃描的過(guò)程中可以獲悉目標(biāo)位置集合并且提供可與昂貴的定位設(shè)備相媲美的精確度水平。然而，需要以足以確保系統(tǒng)將始終立刻觀測(cè)至少三個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的密度將目標(biāo)貼附到該場(chǎng)景上，三個(gè)是所需用來(lái)估算一個(gè)六個(gè)DOF空間關(guān)系的最少的目標(biāo)數(shù)量。
[0013]通過(guò)消除在該場(chǎng)景中貼附目標(biāo)的必要性可以進(jìn)一步提高自參考系統(tǒng)的靈活性。一種方法是用一個(gè)全視場(chǎng)3D傳感器采用對(duì)象的測(cè)量的幾何圖形。的確，當(dāng)對(duì)象是剛性的(至少對(duì)于掃描的持續(xù)時(shí)間而言)并且在每個(gè)視點(diǎn)之間的位移是小的但具有一個(gè)大的視場(chǎng)重疊時(shí)，這些3D補(bǔ)丁集合在空間中幾乎是可以被移動(dòng)的，從而找到最佳擬合安排。例如，一旦計(jì)算了這些表面補(bǔ)丁的位置和定向，在可以被附裝到一個(gè)選定的補(bǔ)丁上的一個(gè)坐標(biāo)系中獲得3D傳感器空間關(guān)系。一些眾所周知的算法(如迭代最近點(diǎn)(ICP)及其許多變體)已經(jīng)被提出用于這種類(lèi)型的姿態(tài)優(yōu)化。
[0014]一些方法也已經(jīng)被提出用于粗略配準(zhǔn)，并且當(dāng)不能在兩個(gè)3D傳感器位置之間假定一個(gè)小的位移時(shí)被應(yīng)用。粗略配準(zhǔn)可以依賴(lài)于幾何特征識(shí)別。這些采用對(duì)象幾何圖形來(lái)計(jì)算傳感器空間關(guān)系的方法的主要限制是對(duì)象幾何圖形。實(shí)際上，假定幾何圖形是足夠復(fù)雜的并且不包含對(duì)稱(chēng)性。否則定位將易于出錯(cuò)。例如，在一個(gè)圓柱體或球體上，可靠地計(jì)算這六個(gè)自由度是不可能的。此外，很難確保一個(gè)在許多計(jì)量應(yīng)用中至關(guān)重要的給定的精確度水平。此外，對(duì)于實(shí)時(shí)建模應(yīng)用而言，粗略配準(zhǔn)對(duì)于更大或更復(fù)雜的對(duì)象可能會(huì)變得棘手。
[0015]可以將紋理與幾何信息相結(jié)合?？梢栽谝朁c(diǎn)之間提取和匹配紋理像素或一些特征點(diǎn)，從而改善這些所計(jì)算的傳感器位置。然而，依賴(lài)于這些不受控制的特征可能不足以維持精確度。使用一個(gè)相對(duì)加權(quán)因子來(lái)高效地利用兩個(gè)模態(tài)也是不簡(jiǎn)單的。
MM
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)寬泛的方面，提供了一種獲得用于3D傳感器的優(yōu)雅姿態(tài)的方法，該傳感器用于對(duì)象的表面幾何圖形的在線3D建模，該姿態(tài)包含六個(gè)自由度(DOF)，這六個(gè)自由度包括三個(gè)平移參數(shù)和三個(gè)定向參數(shù)，該方法包括:提供該3D傳感器，該3D傳感器被適配成用于從一個(gè)視點(diǎn)捕捉該對(duì)象的該表面的3D點(diǎn)測(cè)量值；提供該表面的至少一部分的一個(gè)幾何模型；用該3D傳感器觀測(cè)該對(duì)象的該表面的一部分；通過(guò)定位設(shè)備姿態(tài)測(cè)量、預(yù)測(cè)姿態(tài)追蹤和目標(biāo)觀測(cè)中的至少一個(gè)為該3D傳感器測(cè)量一種初始化姿態(tài)；使用該初始化姿態(tài)在該幾何模型中找到這些3D點(diǎn)測(cè)量值的一個(gè)最佳擬合安排；使用該最佳擬合安排生成該3D傳感器的優(yōu)雅姿態(tài)。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，該定位設(shè)備姿態(tài)測(cè)量包括:提供一個(gè)定位設(shè)備；并且使用該定位設(shè)備測(cè)量相對(duì)于該幾何模型指示該3D傳感器的一種設(shè)備姿態(tài)的傳感器位置信息。
[0018]在一個(gè)實(shí)施例中，該預(yù)測(cè)姿態(tài)追蹤包括:從這些3D點(diǎn)測(cè)量值的該捕捉的一個(gè)前一實(shí)例中檢索一個(gè)先前追蹤姿態(tài)；以及將一個(gè)預(yù)測(cè)姿態(tài)分配給該初始化姿態(tài)，使用該先前追蹤姿態(tài)對(duì)該預(yù)測(cè)姿態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0019]在一個(gè)實(shí)施例中，該目標(biāo)觀測(cè)包括:在該對(duì)象上提供至少一個(gè)目標(biāo)；為該對(duì)象提供一個(gè)目標(biāo)模型，該目標(biāo)模型包括先前觀測(cè)的多個(gè)目標(biāo)；觀測(cè)該表面包括觀測(cè)至少一個(gè)當(dāng)前觀測(cè)的目標(biāo)；使用該目標(biāo)模型將該當(dāng)前觀測(cè)的目標(biāo)與一個(gè)相應(yīng)的先前觀測(cè)的目標(biāo)相匹配；通過(guò)為所述額外的初始化參數(shù)賦予一個(gè)值為所述初始化姿態(tài)生成至少一個(gè)額外的初始化參數(shù)；從該匹配的目標(biāo)和該目標(biāo)模型獲得該初始化姿態(tài)。
[0020]在一個(gè)實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括:如果該初始化姿態(tài)包括少于六個(gè)自由度，為該初始化姿態(tài)生成多個(gè)缺失的初始化參數(shù)，其中，該生成多個(gè)缺失的初始化參數(shù)包括為該缺失的初始化參數(shù)賦予一個(gè)值。
[0021]在一個(gè)實(shí)施例中，生成多個(gè)缺失的初始化參數(shù)包括對(duì)該初始化姿態(tài)的一個(gè)參數(shù)空間進(jìn)行采樣，以及找到該最佳擬合安排包括使用每個(gè)采樣的初始化參數(shù)和選擇一個(gè)收斂的最佳擬合安排。
[0022]在一個(gè)實(shí)施例中，該優(yōu)雅姿態(tài)包括該初始化姿態(tài)的至少一個(gè)參數(shù)。
[0023]在一個(gè)實(shí)施例中，找到一個(gè)最佳擬合安排包括對(duì)一些幾何表面點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)，從而找到該最佳擬合安排。
[0024]在一個(gè)實(shí)施例中，該初始化姿態(tài)包括由該定位設(shè)備姿態(tài)測(cè)量所測(cè)量的至少一個(gè)參數(shù)和由該目標(biāo)觀測(cè)所測(cè)量的至少一個(gè)參數(shù)。
[0025]在一個(gè)實(shí)施例中，該目標(biāo)是被貼附到該對(duì)象的該表面上、被貼附到該對(duì)象的一個(gè)休戚相關(guān)的環(huán)境中、在該對(duì)象的該表面上被創(chuàng)建、在該對(duì)象的該休戚相關(guān)的環(huán)境中被創(chuàng)建、該對(duì)象的一個(gè)獨(dú)特形狀特征的一部分和該對(duì)象的該休戚相關(guān)的環(huán)境的一個(gè)獨(dú)特形狀特征的一部分中的至少一個(gè)。
[0026]在一個(gè)實(shí)施例中，該目標(biāo)是攝影測(cè)量目標(biāo)、后向反射目標(biāo)、編碼目標(biāo)、圓形目標(biāo)、簡(jiǎn)單反射目標(biāo)、繪圖標(biāo)記和獨(dú)特的形狀特征中的至少一個(gè)。
[0027]在一個(gè)實(shí)施例中，該定位設(shè)備是被引用的機(jī)械設(shè)備、光學(xué)追蹤設(shè)備、電磁系統(tǒng)、聲學(xué)系統(tǒng)和慣性系統(tǒng)中的至少一種。
[0028]在一個(gè)實(shí)施例中，從該匹配的目標(biāo)和該目標(biāo)模型獲得該初始化姿態(tài)包括為該目標(biāo)
獲得一條表面法線。
[0029]在一個(gè)實(shí)施例中，這些目標(biāo)中的兩個(gè)是當(dāng)前觀測(cè)的目標(biāo)，該目標(biāo)觀測(cè)進(jìn)一步包括在該目標(biāo)模型中對(duì)該當(dāng)前觀測(cè)的目標(biāo)之間的距離與先前觀測(cè)的目標(biāo)之間的距離進(jìn)行比較，從而為該匹配消除候選位點(diǎn)。
[0030]在一個(gè)實(shí)施例中，目標(biāo)觀測(cè)進(jìn)一步包括在該目標(biāo)模型中基于一些當(dāng)前觀測(cè)的目標(biāo)為該匹配選擇一個(gè)候選位點(diǎn)；其中，該匹配包括在該目標(biāo)模型中用相同數(shù)量的先前觀測(cè)的目標(biāo)在每個(gè)候選位點(diǎn)處為該匹配順序地測(cè)試當(dāng)前觀測(cè)的目標(biāo)，以及找到該最佳擬合安排包括使用每個(gè)測(cè)試的匹配和選擇一個(gè)收斂的最佳擬合安排。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0031]所包含的用于提供對(duì)本發(fā)明的主要方面的一個(gè)更好的理解以及結(jié)合在本說(shuō)明書(shū)中并且構(gòu)成其一部分的這些附圖展示了本發(fā)明的示例實(shí)施例，并且連同該說(shuō)明書(shū)用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。這些附圖并不是有意按比例繪制的。在這些附圖中:
[0032]圖1示出了用兩個(gè)框架掃描一個(gè)對(duì)象，包括觀測(cè)一個(gè)目標(biāo)；[0033]圖2示出了用兩個(gè)框架掃描一個(gè)對(duì)象，包括觀測(cè)一個(gè)目標(biāo)以及平移這兩個(gè)坐標(biāo)系，從而與該目標(biāo)相符；
[0034]圖3示出了用兩個(gè)框架掃描一個(gè)對(duì)象，包括觀測(cè)兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)以及平移和旋轉(zhuǎn)這兩個(gè)坐標(biāo)系，從而與這些目標(biāo)相符；
[0035]圖4(現(xiàn)有技術(shù))示出了編碼目標(biāo)的兩個(gè)示例(圖4A、圖4B)；
[0036]圖5不出了有待與多個(gè)孤立目標(biāo)位點(diǎn)一起被掃描的一個(gè)對(duì)象的一個(gè)不例；
[0037]圖6是一種用于獲得用于3D傳感器的優(yōu)雅姿態(tài)的示例方法的流程圖，該傳感器用于對(duì)象的表面幾何圖形的在線3D建模；
[0038]圖7是定位設(shè)備姿態(tài)測(cè)量的一種示例方法的流程圖；
[0039]圖8是預(yù)測(cè)姿態(tài)追蹤的一種示例方法的流程圖；
[0040]圖9是目標(biāo)觀測(cè)的一種示例方法的流程圖；以及
[0041]圖10示出了一種用于獲得3D傳感器的優(yōu)雅姿態(tài)的示例系統(tǒng)的主要組件的方框圖，該傳感器用于對(duì)象的表面幾何圖形的在線3D建模。
[0042]應(yīng)注意的是，在所有的附圖中，相同的特征由相同的參考數(shù)字標(biāo)記。
詳細(xì)說(shuō)明
[0043]在這些實(shí)施例的下列描述中，通過(guò)示例的圖示的方式參考附圖，本發(fā)明可以通過(guò)這種方式被實(shí)踐。將被理解的是，可以不背離所披露的本發(fā)明的范圍而作出其他實(shí)施例。
[0044]基于幾何圖形的配準(zhǔn)方法是相當(dāng)靈活的。攝影測(cè)量系統(tǒng)能夠在這些圖像中采用準(zhǔn)確的目標(biāo)位置。這些特征對(duì)于3D傳感器而言均是有用的。本系統(tǒng)和方法考慮到基于幾何圖形的配準(zhǔn)，該配準(zhǔn)能夠從這兩種類(lèi)型的方法中采用部分定位約束。
[0045]具體地，甚至可以將少量的目標(biāo)貼附到一個(gè)對(duì)象上并且維持一個(gè)高的精確度水平。這些目標(biāo)可以是攝影測(cè)量目標(biāo)、圓形后向反射或簡(jiǎn)單反射、繪圖目標(biāo)、或者在圖像中可以被準(zhǔn)確地檢測(cè)和定位的任何其他類(lèi)型。
[0046]—個(gè)示意性示例是圓柱形的或近似為圓柱形的對(duì)象(如人體的軀干、手臂或腿)的情況。將理解的是，身體部分不一定是恒定剛性的。然而，通過(guò)要求這個(gè)人在掃描的過(guò)程中不移動(dòng)，可以在短時(shí)間段內(nèi)(例如，在該3D掃描的過(guò)程中)使該身體部分是剛性的。然后，該身體部分在該建模方法的持續(xù)時(shí)間被認(rèn)為是剛性的。
[0047]除了一些自由度(如沿著該近似圓柱軸的平移或圍繞這個(gè)軸的旋轉(zhuǎn))之外，應(yīng)用一種基于幾何圖形的配準(zhǔn)方法用于一個(gè)近似于圓柱形的對(duì)象(如一個(gè)身體部分)的建模將是準(zhǔn)確的。然后，可以沿著該對(duì)象的長(zhǎng)度貼附一個(gè)目標(biāo)或僅僅極少數(shù)的目標(biāo)。一般地，一個(gè)可識(shí)別目標(biāo)圖案應(yīng)該包括至少三個(gè)存在于同一幅圖像中的未對(duì)準(zhǔn)的固定目標(biāo)。如果在該對(duì)象上僅僅使用了幾個(gè)目標(biāo)，在該圖像中的目標(biāo)的數(shù)目可能會(huì)低于識(shí)別和可靠地計(jì)算一個(gè)6D0F空間關(guān)系所需要的數(shù)目。然而，通過(guò)將從該表面幾何圖形和這些目標(biāo)的位置這兩者中提取的信息進(jìn)行組合，可以在一個(gè)單一的公共坐標(biāo)系中計(jì)算每個(gè)3D框架的空間關(guān)系。
[0048]當(dāng)使用一個(gè)外部定位設(shè)備時(shí)，該外部定位設(shè)備的一些定位參數(shù)被人熟知于承受可靠性問(wèn)題。例如，一個(gè)慣性測(cè)量系統(tǒng)將為這些旋轉(zhuǎn)參數(shù)而非這些平移參數(shù)提供更好的測(cè)量值。從這些目標(biāo)的位置提取的信息可以允許計(jì)算該空間關(guān)系。
[0049]該姿態(tài)也可以使用從定位設(shè)備、一些目標(biāo)和該對(duì)象的幾何圖形的組合中檢索出來(lái)的信息進(jìn)行計(jì)算。[0050]基于幾何圖形的配準(zhǔn)算法通常是迭代的。當(dāng)在一個(gè)在線3D建模過(guò)程中應(yīng)用時(shí)，這些算法將會(huì)實(shí)時(shí)地、迅速地收斂于該優(yōu)雅傳感器姿態(tài)。從至少一個(gè)目標(biāo)或者從由一個(gè)外部定位設(shè)備提供的姿態(tài)來(lái)設(shè)置約束或初始化該姿態(tài)對(duì)于掃描過(guò)程中的快速對(duì)準(zhǔn)和一個(gè)中斷或相當(dāng)大的位移之后的掃描恢復(fù)而言將是有益的。
用ICP的基于幾何圖形的配準(zhǔn)的基本法則
[0051]用于精密對(duì)準(zhǔn)的迭代最近點(diǎn)(ICP)算法可以將一個(gè)點(diǎn)集合與一個(gè)表面模型對(duì)準(zhǔn)。在多數(shù)情況下，在一個(gè)單一的框架中捕捉這些有待對(duì)準(zhǔn)的3D點(diǎn)集合。這個(gè)表面模型可以由先前捕捉的一個(gè)單一的3D點(diǎn)集合建造。在這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)圖像框架被對(duì)準(zhǔn)，這被稱(chēng)為成對(duì)配準(zhǔn)。當(dāng)前框架也可以與一個(gè)表面模型對(duì)準(zhǔn)，該表面模型由若干觀測(cè)的框架建造，這些框架在當(dāng)前的3D點(diǎn)集合(也就是當(dāng)前框架)之前被捕捉?？梢詫?dāng)前框架與由若干框架建造的一個(gè)表面模型對(duì)準(zhǔn)。的確，當(dāng)前框架和該表面模型之間的重疊將會(huì)更大，并且這將會(huì)產(chǎn)生該空間關(guān)系的一個(gè)更好的估計(jì)。例如，在這些框架的捕捉過(guò)程中，該表面模型將會(huì)被在線累積。在這種情況下，該ICP也將會(huì)被在線應(yīng)用。
[0052]存在許多ICP變體，但是對(duì)于在當(dāng)前框架中的每個(gè)控制點(diǎn)而言，該基本原理首先在于在該表面模型上確定它的最近點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)是被選擇用于配準(zhǔn)的點(diǎn)。這些點(diǎn)在此被稱(chēng)為3D點(diǎn)。在該表面模型上,該最近點(diǎn)被假定為對(duì)應(yīng)點(diǎn)。然后,計(jì)算將該3D點(diǎn)集合與該表面模型進(jìn)行最佳對(duì)準(zhǔn)的剛性變換。最后，該變換被應(yīng)用于這些點(diǎn)并且重復(fù)該過(guò)程直到收斂。被最小化的函數(shù)是:
【權(quán)利要求】
1.一種獲得用于3D傳感器的優(yōu)雅姿態(tài)的方法，該傳感器用于對(duì)象的表面幾何圖形的在線3D建模，所述姿態(tài)包含六個(gè)自由度(DOF)，這六個(gè)自由度包括三個(gè)平移參數(shù)和三個(gè)定向參數(shù)，該方法包括: 提供所述3d傳感器，所述3d傳感器被適配成用于從一個(gè)視點(diǎn)捕捉所述對(duì)象的所述表面的多個(gè)3d點(diǎn)測(cè)量值； 提供所述表面的至少一部分的一個(gè)幾何模型； 用所述3d傳感器觀測(cè)所述對(duì)象的所述表面的一部分； 通過(guò)定位設(shè)備姿態(tài)測(cè)量、預(yù)測(cè)姿態(tài)追蹤和目標(biāo)觀測(cè)中的至少一個(gè)為所述3d傳感器測(cè)量一種初始化姿態(tài)； 使用所述初始化姿態(tài)在所述幾何模型中找到所述3d點(diǎn)測(cè)量值的一個(gè)最佳擬合安排； 使用所述最佳擬合安排為所述3d傳感器生成所述優(yōu)雅姿態(tài)； 其中，所述定位設(shè)備姿態(tài)測(cè)量包括: 提供一個(gè)定位設(shè)備； 使用所述定位設(shè)備測(cè)量指示所述3d傳感器相對(duì)于該幾何模型的一種設(shè)備姿態(tài)的傳感器位置信息； 其中，所述預(yù)測(cè)姿態(tài)追蹤包括: 從所述3d點(diǎn)測(cè)量值的所述捕捉的一個(gè)前一實(shí)例中檢索一個(gè)先前追蹤姿態(tài)； 將一個(gè)預(yù)測(cè)姿態(tài)分配給所述初始化姿態(tài)，所述預(yù)測(cè)姿態(tài)使用所述先前追蹤姿態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)； 其中，所述 目標(biāo)觀測(cè)包括: 在所述對(duì)象上提供至少一個(gè)目標(biāo)； 為所述對(duì)象提供一個(gè)目標(biāo)模型，所述目標(biāo)模型包括先前觀測(cè)的多個(gè)目標(biāo)； 所述觀測(cè)所述表面包括觀測(cè)至少一個(gè)當(dāng)前觀測(cè)的目標(biāo)； 使用所述目標(biāo)模型將所述當(dāng)前觀測(cè)的目標(biāo)與一個(gè)相應(yīng)的先前觀測(cè)的目標(biāo)相匹配；通過(guò)為所述額外的初始化參數(shù)賦予一個(gè)值為所述初始化姿態(tài)生成至少一個(gè)額外的初始化參數(shù)； 從所述匹配的目標(biāo)、所述額外的初始化參數(shù)和所述目標(biāo)模型中獲得所述初始化姿態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于獲得優(yōu)雅姿態(tài)的方法，進(jìn)一步包括:如果所述初始化姿態(tài)包括少于所述六個(gè)自由度，為所述初始化姿態(tài)生成多個(gè)缺失的初始化參數(shù)，其中，所述生成多個(gè)缺失的初始化參數(shù)包括為所述缺失的初始化參數(shù)賦予一個(gè)值。
3.如權(quán)利要求2所述的用于獲得優(yōu)雅姿態(tài)的方法，其中，所述生成多個(gè)缺失的初始化參數(shù)包括對(duì)所述初始化姿態(tài)的一個(gè)參數(shù)空間進(jìn)行采樣，以及所述找到所述最佳擬合安排包括使用每個(gè)采樣的初始化參數(shù)和選擇一個(gè)收斂的最佳擬合安排。
4.如權(quán)利要求1所述的用于獲得優(yōu)雅姿態(tài)的方法，其中，所述優(yōu)雅姿態(tài)包括所述初始化姿態(tài)的至少一個(gè)參數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的用于獲得優(yōu)雅姿態(tài)的方法，其中，所述找到一個(gè)最佳擬合安排包括對(duì)多個(gè)幾何表面點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)，從而找到所述最佳擬合安排。
6.如權(quán)利要求1所述的用于獲得優(yōu)雅姿態(tài)的方法，其中，所述初始化姿態(tài)包括由所述定位設(shè)備姿態(tài)測(cè)量所測(cè)量的至少一個(gè)參數(shù)和由所述目標(biāo)觀測(cè)所測(cè)量的至少一個(gè)參數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的用于獲得優(yōu)雅姿態(tài)的方法，其中，所述目標(biāo)是被貼附到所述對(duì)象的所述表面上、被貼附到所述對(duì)象的一個(gè)休戚相關(guān)的環(huán)境中、在所述對(duì)象的所述表面上被創(chuàng)建、在所述對(duì)象的所述休戚相關(guān)的環(huán)境中被創(chuàng)建、所述對(duì)象的一個(gè)獨(dú)特的形狀特征的一部分和所述對(duì)象的所述休戚相關(guān)的環(huán)境的一個(gè)獨(dú)特的形狀特征的一部分中的至少一個(gè)。
8.如權(quán)利要求1所述的用于獲得優(yōu)雅姿態(tài)的方法，其中，所述目標(biāo)是攝影測(cè)量目標(biāo)、后向反射目標(biāo)、編碼目標(biāo)、圓形目標(biāo)、簡(jiǎn)單反射目標(biāo)、繪圖標(biāo)記和獨(dú)特的形狀特征中的至少一個(gè)。
9.如權(quán)利要求1所述的用于獲得優(yōu)雅姿態(tài)的方法，其中，所述定位設(shè)備是被引用的機(jī)械設(shè)備、光學(xué)追蹤設(shè)備、電磁系統(tǒng)、聲學(xué)系統(tǒng)和慣性系統(tǒng)中的至少一種。
10.如權(quán)利要求1所述的用于獲得優(yōu)雅姿態(tài)的方法，其中，所述從所述匹配的目標(biāo)和所述目標(biāo)模型中獲得所述初始化姿態(tài)包括為所述目標(biāo)獲得一條表面法線。
11.如權(quán)利要求1所述的用于獲得優(yōu)雅姿態(tài)的方法，其中，所述目標(biāo)中的兩個(gè)是當(dāng)前觀測(cè)的目標(biāo)，所述目標(biāo)觀測(cè)進(jìn)一步包括在所述目標(biāo)模型中對(duì)所述當(dāng)前觀測(cè)的目標(biāo)之間的距離與先前觀測(cè)的目標(biāo)之間的距離進(jìn)行比較，從而為所述匹配消除候選位點(diǎn)。
12.如權(quán)利要求1所述的用于獲得優(yōu)雅姿態(tài)的方法，其中，所述目標(biāo)觀測(cè)進(jìn)一步包括在所述目標(biāo)模型中基于一些所述當(dāng)前觀測(cè)的目標(biāo)為所述匹配選擇一個(gè)候選位點(diǎn)；其中，所述匹配包括在所述目標(biāo)模型中用相同數(shù)量的先前觀測(cè)的目標(biāo)在每個(gè)所述候選位點(diǎn)處為所述匹配順序地測(cè)試所述當(dāng)前觀測(cè)的目標(biāo)，以及所述找到所述最佳擬合安排包括使用每個(gè)測(cè)試的匹配和選擇一個(gè)收斂的最佳擬合安排。
【文檔編號(hào)】G01B21/20GK103649680SQ201280023545
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月7日
【發(fā)明者】P·赫伯特, 德拉甘·圖比克, O·吉尼亞克, 埃里克·圣-皮埃爾, F·羅謝特, A·卡雷特 申請(qǐng)人:形創(chuàng)有限公司