基于kinect三维人体重建中配准算法的研究与实现

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准确的烧伤程度评估,对烧伤患者的治疗有着十分重要的影响。烧伤程度评价的主要依据是体表烧伤区域的面积,为了准确地对烧伤区域的面积进行计算,需要实现完整的三维人体表面重建。基于此,本课题研究的目标是实现基于三维人体重建的烧伤自动评估系统,该系统主要由数据获取,三维点云数据配准,烧伤区域提取、烧伤区域面积计算四个部分组成。本文主要研究其中的人体三维点云数据配准部分。针对传统的三维人体扫描方法和配准技术,不能较好的应用于本文所研究的系统的情况,本文提出了基于深度和彩色图像的人体三维点云数据配准算法,同时采用了低成本的Kinect作为人体扫描设备,降低了对实验设备的要求。本文首先对目前国内外已有的三维配准算法作了细致的学习研究,对三维配准的关键性技术与步骤作出了相关的阐述。然后根据本文提出的人体三维点云配准算法流程,按照数据获取、粗配准、精配准、模型优化的顺序阐述本文所作出的工作。在数据获取和预处理阶段,本文首先通过Kinect设备获得不同视角下人体RGB图和深度图,将其转化为点云数据,并详细介绍了洗牌算法、体素化网格两种均匀降采样方法和基于统计分析、双边滤波两种消噪算法。在粗配准阶段,本文详细介绍了基于人工交互四点算法,基于点特征直方图描述子和基于RGB图像和深度图像三种粗配准方法,本文实验采用基于RGB和深度图像的粗配准方法。该算法引入了SIFT(scale-invariant feature transform)特征描述子的二维特征点信息,实现了点云粗配准运算的降维处理,提高了配准的效率。同时,采用随机采样一致性(random sample consensus RANSAC)算法对匹配的特征点对进行提纯,为后续的点云精配准阶段提供了良好的初始位置。在精配准阶段,本文在研究现有的配准算法的基础上,对传统的ICP配准算法作出了改进。改进策略主要包括基于包围盒划定搜索空间,降采样,匹配点赋权,错误匹配点剔除,基于Kd-tree的搜索加速等。在模型优化阶段,本文采用基于距离阈值的方法对背景信息进行剔除,采用基于模板匹配的方法对目标物体的白色边缘进行剔除,并且对模型的累积误差进行优化。最后,针对本文介绍的技术路线,设计了人体三维点云数据配准的实验方案,证明了算法的可行性和有效性。实验结果表明,该算法在人体正面与侧面曲率变化大,重叠区域小的情况下能够比较准确地完成人体点云的配准。
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