一种基于三维栅格地图的物体整体识别方法技术

本发明专利技术是一种基于三维栅格地图的物体整体识别方法，对于空间中的物体进行扫描，根据所得的扫描点云信息，建立对应物体的三维栅格地图，此三维栅格地图称为物体所嵌入空间的外蕴信息，根据物体的外蕴信息诱导出物体各点曲率与度量等信息所表示的内蕴特征，再把内蕴特征的曲率信息单值化到常曲率标准空间内，针对单值化后的内蕴特征，进行特征分析与建模，相似的物体具有相似的特征，本发明专利技术提出了一种物体的整体性识别方法，本方法可以应用于机器人的环境识别、机器人的路径规划与自主运动，为机器人在实际环境中的游戏应用、机器人清洁等方面提供支撑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及流形、共形变换、单值化定理、模式识别与Fourier变换、Walsh变换等离散正交变换技术，特别是机器人对复杂环境的物体建模与识别的方法，应用于机器人的环境识别与自主运动方面。
技术介绍
随着近些年工业机器人的发展，带动了服务机器人行业的逐渐掘起，同时从2014年开始的智能硬件领域也开始突起，根据国际机器人联盟的统计，2015年服务机器人销售额将达85亿美元，并且保持较高的20％～30％增长率，在智能硬件领域，据艾瑞研究，2014年全球智能硬件装机量达到60亿台，预计2017年将超过140亿台。在市场高速发展的背后，问题同样明显，一方面市场的潜力还远未挖掘出来，另一方面，机器人及智能硬件进入服务行业也存在着一些技术难点，特别是三维物体的特征建模与识别技术，例如机器人进入实际的家庭环境中，进行物体识别与安全性地自主移动等，目前来看都还有一定的技术难点。在二维平面图像识别方面，虽有一定的技术积累与应用，但其从原始信息采集层面就丢失了不少关键信息，对最终的识别效率及应用方面都有不少限制，而另一方面基于真实生活世界的三维物体与环境识别正兴起，且近些年来，在技术层面也有了一些突破：庞加莱(Poincaré)于1904年提出的曲率单值化猜想，给物体识别带来了一线曙光，可以让具有复杂拓扑的物体微分同胚到正则空间内；上世纪七、八十年代哈密尔顿(Richard Hamilton)的工作、本世纪最初的几年里佩雷尔曼(Grigoriy Perelman)的工作彻底从理论上证明了庞加莱猜想，并且进一步证明此微分同胚是可以保形的，其计算复杂度上来讲是指数级收敛，非常高效。专利技术目的本专利技术的主要目的就是解决基于三维栅格地图的物体识别及相似性判断与相似程度度量的问题，它提供一种切实可行的方法，同时也为其他实际应用提供技术支撑。可以但不限于应用在面向家庭的机器人游戏及机器人清洁方面。技术方案本专利技术的目的是这样实现的：通过相关设备及算法，例如三维激光雷达、双目摄像头等，已经获取了实际环境的三维点云信息，其包括以下步骤：(1)由物体的点云信息构建物体的三维栅格地图时，对点云数据做中间处理，这些中间处理环节包括但不限于插值优化、平滑优化、扫描点过滤等，(2)由物体的三维栅格地图，根据Delaunay算法或其他算法构建物体的三角剖分网格图，(3)计算物体的三角剖分网格图的欧拉示性数，并确定共形变换时单值化的曲率及所嵌背景几何，(4)由Circle Packing、离散Ricci流方法，迭代计算，把物体的三角剖分网格图共形映射到常曲率的标准正则空间内：球面几何、欧氏几何、双曲几何，(5)根据曲率及度量等信息，把物体表面的所有的点，拉回嵌入到标准正则空间内，(6)在标准正则空间内，对于物体的每一个点，(β，θ)表示其在相应空间中的位置，根据度量信息所得该点的面积畸变因子为d，则该点的信息表示为f(xβ，θ，d)，再按向量分解方法，把f(xβ，θ，d)分解离散化投影到标准维度上，由此得到共形矩阵，共形矩阵的维数这里取如下值8，但不限于此值，共形矩阵维数越大就会对物体刻画得越细，共形矩阵记为：(7)在物体特征建模时，考虑到计算的方便，我们求取f(x)的特征矩阵F(x)，：方法一、通过二维Fourier变换求取F(x)，令变换算子根据快速二维Fourier变换计算得，方法二，通过Walsh变换求取F(x)，令变换算子根据快速二维Walsh Hadama变换算得，上述公式中的8x8矩阵，是8维的Walsh Hadama变换矩阵，不同的维数，所对应的Walsh Hadama变换矩阵是不相同的，其中：(8)在物体特征建模时，考虑到计算的方便，我们求取特征矩阵F(x)的特征谱P(x)，：方法一、根据快速二维Fourier变换求出的特征矩阵F(x)，我们有，通过求模运算，特征谱元素P(x)[i][j]＝|F(x)[i][j]|＝|Fi+1，j+1|，i，j∈[0，7]方法二、根据快速二维Walsh Hadama变换求出的特征矩阵F(x)，我们有，(9)在物体特征相似性度量系统中，我们设定阈值deg reethreshold，另一个物体y的影响矩阵根据以上步骤使用二维Walsh Hadama变换方法，求取对应的特征谱P(y)，并比对相应的特征谱，记向量P(x)与向量P(y)之间的夹角为∠(P(x)，P(y))≤deg reethreshold，计算 如果cos∠(P(x)，P(y))≥cos(deg reethreshold)，就表示物体x与物体y在实际环境中是相似的，(10)在物体特征相似性度量系统中，对两个相似的物体x与物体y，如果：考虑到i∈[1，n]，λi有等于零的情况，我们取令，则我们定义物体x到物体y的相似比为λ(11)在物体特征相似性度量系统中，按照上一步骤中的相似比进行归一化，令对两个相似的物体x与物体y，根据它们的特征矩阵F(x)与F(y)来考察其平移不变性、旋转不变性与镜像对称性，方法一、根据快速Fourier变换，令当时p＝1则F(x)与F(y)有垂直镜像的关系；q＝1则F(x)与F(y)有水平镜像的关系；u＞0则F(x)与F(y)有循环上移——平移的关系；l＞0则F(x)与F(y)有循环左移——平移的关系；当时p＝1，q＝0则F(x)与F(y)有左旋π/2的关系；p＝0，q＝1则F(x)与F(y)有右旋π/2的关系；方法二、根据快速二维Walsh Hadama变换，令：D＝diag(1，-1，-1，1，-1，1，1，-1)当时p＝1则F(x)与F(y)有垂直镜像的关系；q＝1则F(x)与F(y)有水平镜像的关系；u＞0则F(x)与F(y)有循环上移——平移的关系；l＞0则F(x)与F(y)有循环左移——平移的关系；当时p＝1，q＝0则F(x)与F(y)有左旋π/2的关系；p＝0，q＝1则F(x)与F(y)有右旋π/2的关系；(12)经过物体特征相似性度量系统，我们能成功的度量出相似物体的相似比、平移性、旋转性、对称性。本专利技术所使用的系统组成如下：栅格地图表示系统、三角剖分度量系统、单值化度量系统、共形特征计算系统、相似性判断系统、相似比度量系统、不变性度量系统。这些组成系统是按照功能设置的软件系统，各子系统具体功能如下：*栅格地图表示系统：在已有物体的扫描点云数据后，建立对应的物体栅格地图表示，*三角剖分度量系统：根据物体的栅格地图表示，计算物体的三角剖分网格表示，*单值曲率度量系统：迭代计算，把三角剖分网格共形变换到常曲率的标准空间内，*共形特征计算系统：在标准空间内把三角剖分点离散化得共形矩阵，再计算其特征矩阵与特征谱，*相似性判断系统：分析比对特征谱向量，判断物体的相似性，*相似比度量系统：对相似的物体计算其相似比，*不变性度量系统：对相似的物体计算其旋转性、平移性、对称性。附图说明：图1是本专利技术方法所用系统组成图图2汽车示意图图3一种栅格地图图4一种三角剖分网格图图5常曲率球面度量图图6Circle Packing示意图图7球面嵌入点图8(a)栅格地图，(b)向量分解示意图，(c)向量分解结果图示图9(a)是偏航面与俯仰角的离散化，(b)是离散化后的矩阵图10三角剖分网格逼近曲面具体实施方式下面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三维栅格地图的物体整体识别方法，该方法是通过扫描物体表面以获得其三维点云信息，从而确定由三维栅格所表示的物体的外蕴特征，进而计算出由Gauss曲率、度量等信息所表示的物体的内蕴特征，内蕴特征再通过曲率单值化方法共形变换到常曲率标准空间，最后经过离散映射计算得出物体的标准特征，相同标准特征的物体之间或者镜像对称——称之为镜像对称性，或者循环移位——称之为平移不变性，或者旋转对称——称之为旋转不变性，该方法中的三维栅格地图如下定义：将环境空间抽象为三维直角坐标系O：xyz下的栅格空间，空间的全集为Ω，Ω内的每个元素称为体元，用cx，y，z表示，(x，y，z)即为该体元的三维坐标，每个体元是一个边长为μ的正方体，正方体的每条边都与空间坐标轴平行，根据实际环境有无物体占据，来确定或概率意义上确定相应体元的占空值，基于此形成的地图称为三维栅格地图，μ称为三维栅格地图的分辨率。本方法中的物体整体特征量、相似性、相似比、镜像对称性、平移不变性、旋转不变性按如下步骤给出：(1)通过相关的设备及算法，包括但不限于三维激光雷达、双目视觉传感器及其他算法等，扫描物体表面，获得物体的三维点云信息并建立与实际物体对应的三维栅格地图，(2)在栅格地图上建立物体表面的一个三角剖分网格图M，(3)在三角剖分网格图上逐个分析每个角点的Gauss曲率Ki，并由∑Ki＝2π·χ(M)计算M的欧拉示性数χ(M)：如果χ(M)＞0，则M的亏格g(M)＝0且可单值化共形变换到标准正则球面空间S2；如果χ(M)＝0，则M的亏格g(M)＝1且可单值化共形变换到标准正则欧氏空间E2；如果χ(M)＜0，则M的亏格g(M)＞1且可单值化共形变换到标准正则双曲空间H2，当亏格g(M)＞0时，也可以把相应的环柄，在三角剖分网格中割开，在割痕面上补齐三角剖分网格，形成单连通的三角剖分网格图，进而可以统一转化为单值化共形变换到球面空间S2的问题，(4)采用Thurston的Circle Packing度量方法及离散Ricci流等方法，迭代计算三角剖分网格图上每个角点的Gauss曲率Ki、度量及畸变因子，使其共形收敛到给定曲率值(5)把所有的角点嵌入到标准空间内，每一点记作f(xβ，θ，d)，其中(β，θ)表示该点在标准空间中的位置，d表示该点的面积畸变因子，例如在球面空间中，β∈[0，π]表示该点的天顶角，θ∈[0，2π)表示该点的偏航角，(6)在标准空间内计算M的点云矩阵，如下所示：(7)根据点云矩阵f(M)，提炼出共形矩阵，首先，对θ离散到有限的值域上[δ1，δ2，...，δs]，s∈N，其次，在每个δ内，把β离散到有限的值域上[η1，η2，...，ηn]，n∈N，例如：某球面空间中的点当δi≤θk≤δi+1，i∈[1，s‑1]，k∈[1，s]，则把分解投影到偏航面δi与偏航面δi+1上，然后再分别把偏航面δi与偏航面δi+1内的分量，再分别分解投影到ηj与ηj+1两个天顶角上，离散化后得到共形矩阵，(8)根据共形矩阵f(M)，提炼出其特征矩阵F(M)，是一种变换，可以是但不限于二维Fourier变换、二维Walsh变换等，(9)根据特征矩阵F(M)，计算出其特征谱P(M)，针对上一步骤中的变换，其特征谱分别是相应变换的功率谱，特征谱即为物体M的整体特征。(10)特征谱比对，共形矩阵f(x)对应的特征谱为P(x)，共形矩阵f(y)对应的特征谱为P(y)，我们定义一阈值角度deg reethreshold，若向量P(x)与向量P(y)之间的夹角∠(P(x)，P(y))≤deg reethreshold，或者cos∠(P(x)，P(y))≥cos(deg reethreshold)，就表示f(x)与f(y)是相似的，也就是物体x与物体y在实际空间中是相似的，利用向量运算法则，我们可以计算：与cos(deg reethreshold)比较后，我们既可得出相似性，相似的向量P(x)与向量P(y)是同向的，他们之间的转化因子即为相似比，(11)物体的不变性，对于n×s阶矩阵f(x)，考察f(y)所表示的实际物体，都归一化之后，如果：f(y)[i][j]＝f(x)[(i+u)％n][(j+l)％s]对使得等式成立，则称物体f(x)与f(y)具有平移不变性；如果矩阵f(y)[i][j]＝f(x)[j][s‑1‑i]对使得等式成立，则称物体f(x)左旋之后等同f(y)，称它们具有旋转不变性；如果矩阵f(y)[i][j]＝f(x)[n‑1‑j][i]对使得等式成立，则称物体f(x)右旋之后等同f(y)，称它们具有旋转不变性；如果对使得三个等式中有一个成立，则称物体f(x)与f(y)具有镜像对称性；通过对特征矩阵F(x)与F(y)的计算，即可确定其镜像对称性、平移不变性及旋转不变性。(12)对实...

【技术特征摘要】
1.一种基于三维栅格地图的物体整体识别方法，该方法是通过扫描物体表面以获得其三维点云信息，从而确定由三维栅格所表示的物体的外蕴特征，进而计算出由Gauss曲率、度量等信息所表示的物体的内蕴特征，内蕴特征再通过曲率单值化方法共形变换到常曲率标准空间，最后经过离散映射计算得出物体的标准特征，相同标准特征的物体之间或者镜像对称——称之为镜像对称性，或者循环移位——称之为平移不变性，或者旋转对称——称之为旋转不变性，该方法中的三维栅格地图如下定义：将环境空间抽象为三维直角坐标系O：xyz下的栅格空间，空间的全集为Ω，Ω内的每个元素称为体元，用cx，y，z表示，(x，y，z)即为该体元的三维坐标，每个体元是一个边长为μ的正方体，正方体的每条边都与空间坐标轴平行，根据实际环境有无物体占据，来确定或概率意义上确定相应体元的占空值，基于此形成的地图称为三维栅格地图，μ称为三维栅格地图的分辨率。本方法中的物体整体特征量、相似性、相似比、镜像对称性、平移不变性、旋转不变性按如下步骤给出：(1)通过相关的设备及算法，包括但不限于三维激光雷达、双目视觉传感器及其他算法等，扫描物体表面，获得物体的三维点云信息并建立与实际物体对应的三维栅格地图，(2)在栅格地图上建立物体表面的一个三角剖分网格图M，(3)在三角剖分网格图上逐个分析每个角点的Gauss曲率Ki，并由∑Ki＝2π·χ(M)计算M的欧拉示性数χ(M)：如果χ(M)＞0，则M的亏格g(M)＝0且可单值化共形变换到标准正则球面空间S2；如果χ(M)＝0，则M的亏格g(M)＝1且可单值化共形变换到标准正则欧氏空间E2；如果χ(M)＜0，则M的亏格g(M)＞1且可单值化共形变换到标准正则双曲空间H2，当亏格g(M)＞0时，也可以把相应的环柄，在三角剖分网格中割开，在割痕面上补齐三角剖分网格，形成单连通的三角剖分网格图，进而可以统一转化为单值化共形变换到球面空间S2的问题，(4)采用Thurston的Circle Packing度量方法及离散Ricci流等方法，迭代计算三角剖分网格图上每个角点的Gauss曲率Ki、度量及畸变因子，使其共形收敛到给定曲率值(5)把所有的角点嵌入到标准空间内，每一点记作f(xβ，θ，d)，其中(β，θ)表示该点在标准空间中的位置，d表示该点的面积畸变因子，例如在球面空间中，β∈[0，π]表示该点的天顶角，θ∈[0，2π)表示该点的偏航角，(6)在标准空间内计算M的点云矩阵，如下所示：(7)根据点云矩阵f(M)，提炼出共形矩阵，首先，对θ离散到有限的值域上[δ1，δ2，...，δs]，s∈N，其次，在每个δ内，把β离散到有限的值域上[η1，η2，...，ηn]，n∈N，例如：某球面空间中的点当δi≤θk≤δi+1，i∈[1，s-1]，k∈[1，s]，则把分解投影到偏航面δi与偏航面δi+1上，然后再分别把偏航面δi与偏航面δi+1内的分量，再分别分解投影到ηj与ηj+1两个天顶角上，离散化后得到共形矩阵，(8)根据共形矩阵f(M)，提炼出其特征矩阵F(M)，是一种变换，可以是但不限于二维Fourier变换、二维Walsh变换等，(9)根据特征矩阵F(M)，计算出其特征谱P(M)，针对上一步骤中的变换，其特征谱分别是相应变换的功率谱，特征谱即为物体M的整体特征。(10)特征谱比对，共形矩阵f(x)对应的特征谱为P(x)，共形矩阵f(y)对应的特征谱为P(y)，我们定义一阈值角度deg reethreshold，若向量P...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红军，
申请(专利权)人：王红军，
类型：发明
国别省市：广东;44