張永濤　趙立宏　郭會(huì)娟

Kinect原本是微軟公司開發(fā)的Xbox360主機(jī)的周邊外設(shè)，主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)的人機(jī)交互工程，也有相關(guān)研究人員將其成功應(yīng)用于三維重建系統(tǒng)。但目前利用Kinect實(shí)現(xiàn)三維重建大多數(shù)是基于單個(gè)Kinect傳感器的應(yīng)用，多Kinect傳感器聯(lián)合實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜環(huán)境的三維重建技術(shù)日益顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，多傳感器坐標(biāo)系標(biāo)定和配準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)是第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，本文研究了兩個(gè)Kinect傳感器定標(biāo)和配準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)過程，為實(shí)現(xiàn)后續(xù)的多傳感器聯(lián)合大型復(fù)雜環(huán)境三維重構(gòu)做了基礎(chǔ)研究。本文主要分為兩步：1）同一臺(tái)計(jì)算機(jī)分別對(duì)兩個(gè)傳感器的啟用并獲取兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系標(biāo)定；2）采用迭代就近點(diǎn)法ICP（Iterative Closest Point）對(duì)兩個(gè)傳感器的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。本文采用的定標(biāo)和配準(zhǔn)方法簡(jiǎn)單快捷，并且能夠準(zhǔn)確的對(duì)復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行定標(biāo)且配準(zhǔn)結(jié)果比較理想。

【關(guān)鍵詞】Kinect 多傳感器標(biāo)定 三維重建 圖像配準(zhǔn)

隨著信息技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維重建也在工業(yè)測(cè)量、航空航天、逆向工程、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展與應(yīng)用，并將應(yīng)用于越來越復(fù)雜的領(lǐng)域。Kinect傳感器是一種RGB-D傳感器，在獲得環(huán)境顏色值（RGB）還可獲得深度值（depth）。并且作為一種價(jià)格相對(duì)低廉的深度傳感器，在構(gòu)建多傳感器復(fù)合三維重構(gòu)系統(tǒng)中有較大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大型工件與復(fù)雜環(huán)境的三維建模，單個(gè)傳感器的掃描重建速度嚴(yán)重限制了三維重建的效率，多傳感器聯(lián)合掃描重建將成為大型復(fù)雜工件與環(huán)境三維重建的一個(gè)新的發(fā)展方向，本文研究了基于雙Kinect傳感器在復(fù)雜環(huán)境下的坐標(biāo)系標(biāo)定和圖像配準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下坐標(biāo)系的快速準(zhǔn)確標(biāo)定以及獲得比較理想的圖像配準(zhǔn)結(jié)果。

1 Kinect坐標(biāo)系標(biāo)定現(xiàn)狀

確定一個(gè)傳感器的參數(shù)，稱為傳感器標(biāo)定。標(biāo)定目的在于確定傳感器的圖像坐標(biāo)系與物體在空間中的三維參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系，即圖像間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的匹配關(guān)系，以及傳感器自身的內(nèi)部參數(shù)和不同圖像間的傳感器的外部參數(shù)。目前關(guān)于Kinect坐標(biāo)系標(biāo)定的方法常用的一般為定標(biāo)物定標(biāo)，對(duì)Kinect深度傳感器定標(biāo)時(shí)，使用棋盤格作為定標(biāo)物定標(biāo)，棋盤格如圖1所示。

Kinect深度傳感器定標(biāo)的主要步驟如下：

（1）準(zhǔn)備棋盤格標(biāo)定板，連接深度傳感器。

（2）前后轉(zhuǎn)動(dòng)棋盤格標(biāo)定板，使用Kinect傳感器掃描棋盤格定標(biāo)板在各個(gè)位置的圖像，并進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。至少在不同平面內(nèi)掃描3幅棋盤格在不同方位的圖像，圖2為某次掃描中的一個(gè)位置上所獲得的圖像。

（3）利用Camera Calibration Toolbox，運(yùn)行calib命令對(duì)Kinect傳感器拍攝的圖片定標(biāo)，將定標(biāo)結(jié)果文件存儲(chǔ)為Calib_Results_Kinect.mat，完成對(duì)Kinect傳感器的定標(biāo)。

2 雙Kinect傳感器定標(biāo)方法設(shè)計(jì)

3.1 圖像的配準(zhǔn)

圖像配準(zhǔn)是將不同時(shí)間、不同傳感器或不同條件下（如光照、氣候、位置角度等）獲取的兩幅或者多幅圖像進(jìn)行匹配和疊加的過程。本文選用迭代就近點(diǎn)法ICP（Iterative Closest Point），即基于自由形態(tài)曲面的配準(zhǔn)方法。以點(diǎn)集對(duì)點(diǎn)集（PSTPS）配準(zhǔn)方法為基礎(chǔ)，闡述了一種曲面擬合算法，該算法是基于四元數(shù)的點(diǎn)集到點(diǎn)集配準(zhǔn)方法。從測(cè)量點(diǎn)集中確定其對(duì)應(yīng)的就近點(diǎn)點(diǎn)集后，運(yùn)用Faugera和Hebert提出的方法計(jì)算新的就近點(diǎn)點(diǎn)集。用該方法進(jìn)行迭代計(jì)算，直到殘差平方和所構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)值不變，結(jié)束迭代過程。

3.2 ICP算法

ICP算法是最常用的數(shù)據(jù)精確配準(zhǔn)方法， 該算法在每次的迭代過程中， 對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)云中每一點(diǎn)， 在模型點(diǎn)云中尋找歐式距離最近點(diǎn)作為對(duì)應(yīng)點(diǎn)，在雙Kinect傳感器采集圖像基礎(chǔ)上，以其中第一個(gè)Kinect傳感器采集的圖像作為模型點(diǎn)云，以第二個(gè)Kinect傳感器采集到的圖像作為數(shù)據(jù)點(diǎn)云， 通過這組對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)使得目標(biāo)函數(shù)最小化：

Rm=min‖Qi?RmPi+tm‖2

從而得出最優(yōu)的配準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)矩陣Rm與配準(zhǔn)平移向量tm。

3.3 雙Kinect傳感器圖像的配準(zhǔn)過程

將上述得出的配準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)矩陣Rm與配準(zhǔn)平移向量tm作用于數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)和平移，得出新的數(shù)據(jù)點(diǎn)云并進(jìn)入下次迭代過程之中，最后轉(zhuǎn)化到模型數(shù)據(jù)點(diǎn)云參考系中，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)Kinect傳感器采集的圖像之間的配準(zhǔn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證雙Kinect傳感器定標(biāo)完成后兩個(gè)傳感器所采集的圖像配準(zhǔn)結(jié)果，在Intel（R）Core（TM）i5-3230M CPU @2.6GHz 主頻 4.00GB內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上應(yīng)用PCL（Point Cloud Library）開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3.1為配準(zhǔn)前第一個(gè)（左）Kinect傳感器采集的模型點(diǎn)云圖像，圖3.2為配準(zhǔn)前第二個(gè)（右）Kinect傳感器采集的點(diǎn)云圖像。圖3.1和圖3.2的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過ICP算法的配準(zhǔn)處理后，輸出圖像如圖3.3和圖3.4所示，其中圖3.3為配準(zhǔn)處理后輸出圖形，而圖3.4是在圖3.3的基礎(chǔ)上為顯示配準(zhǔn)后的三維效果手動(dòng)旋轉(zhuǎn)某一角度后所得圖像，由配準(zhǔn)后圖像可知配準(zhǔn)結(jié)果相對(duì)較為理想，達(dá)到了預(yù)期目的。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)兩個(gè)Kinect傳感器經(jīng)過棋格盤定標(biāo)后，可以實(shí)現(xiàn)雙Kinect傳感器采集圖像并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)傳感器所采集圖像的配準(zhǔn)，為將來多傳感器的標(biāo)定和配準(zhǔn)打下基礎(chǔ)。并為大型工件與復(fù)雜環(huán)境的三維重構(gòu)提供了一種新的路徑，即采用雙傳感器或多傳感器聯(lián)合實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的三維重構(gòu)。

（通訊作者：郭會(huì)娟）

參考文獻(xiàn)

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作者單位

1.南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 湖南省衡陽(yáng)市 421001

2.黃河科技學(xué)院工學(xué)院 河南省鄭州市 450000endprint