基于Kinect的三维重建与动作交互技术研究

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计算机视觉理论及近年来三维扫描技术的发展使三维重建一度成为国内外研究的热点问题。由于立体视觉算法存在计算复杂度高、不精确的缺陷,目前技术成熟的三维重建系统主要基于结构光扫描,但此类系统通常庞大复杂,价格昂贵且不易操作。Kinect深度相机一经推出,便以其低廉的价格、易操作等特性,极大地推动了三维重建技术平民化。另一方面,作为体感设备而发布,Kinect的出现也为动作交互方式提供了可能。本文结合Kinect的三维扫描与动作交互两大功能,首先提出基于Kinect的三维模型重建方案,而后实现三维模型的交互展示平台设计。本文的研究工作和创新点如下:(1)提出了一种基于改进双边滤波的深度图像预处理算法。Kinect并非是精密的测量仪器,本文结合Kinect采集的深度与彩色信息,通过改进双边滤波算法,有效地滤除深度图像噪声及填补深度缺失区域。(2)提出一套基于改进KinectFusion的三维重建方案。主要改进工作有两部分:1)在点云配准过程中,KinectFusion采用的ICP (Iterative Closest Point)迭代方法无法估算相机位姿矩阵平行于场景表面的运动分量,从而得到不理想的点云配准结果。本文通过提取边线特征点作为辅助关系的方法来改进ICP迭代算法,可有效解决此问题。2)纹理映射过程中,KinectFusion系统没有对纹理映射操作做出相应说明。本文通过颜色融合立体的方法为重建模型贴上纹理,从而得到更为直观真实的三维模型。(3)结合Kinect骨骼跟踪功能,对三维模型交互展示平台进行了实现。本文利用Kinect骨骼跟踪获得的人体关节点来识别姿势,并将特定姿势向键盘鼠标事件映射,从而实现对OpenGL渲染的三维模型进行旋转、放大、缩小等操作。通过本文的研究工作,普通用户可以方便快捷地使用个人电脑和Kinect相机对日常用品或场景进行较为精确的三维重建。同时借助本文实现的基于Kinect交互的模型展示平台,用户只需通过身体姿势就可以对平台及模型进行操作。因此该平台拥有良好的交互体验,可以多方位、多角度、多层次地展示物品,在文物展示、医学诊断、商品展示等领域有现实意义。
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