[發明專利]一種基于均值漂移的不同精度三維點云數據的融合方法

有效

• 申請號: 201210496833.2
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN103106632A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 李文龍;李啟東;尹周平;熊有倫
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00;G06T5/00;G01B11/24
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李佑宏

技術領域

本發明屬于曲面數字化三維形貌檢測數據處理的領域，高精度點云數據一般通過三坐標測量機或機床在線接觸式檢測獲取，低精度點云一般指激光掃描儀或柔性關節臂獲取的三維點云數據。

背景技術

隨著制造工業的日益發展，產品形狀不斷復雜化，其開發設計面臨諸多困難和挑戰，尤其，產品外形建模技術面臨著更多挑戰。以航空葉片、螺旋槳等為代表的復雜曲面零件獲得廣泛了的應用，對實際加工質量檢測也提出了更高的要求，使得復雜曲面的數字化檢測獲得了長足的發展。曲面數字化檢測的目的是為了反映實際被測對象和其CAD模型的偏差，主要的過程包括實際被測曲面點云的獲取，測量點云與CAD模型的尋位，曲面誤差的計算和評估以及測量結果不確定度分析。考慮到復雜曲面的特征不明顯，以及點云質量和數量對曲面尋位算法和形狀誤差評估結果的影響，故對測量得到的點不但要求精度足夠高，點云數量也要足夠多，才能準確反映自由曲面的形狀特征信息。通常情況下，接觸式測頭的測量精度比光學測頭的測量精度高一個數量級，但接觸式測頭逐點采集點云數據的效率比較低，所以考慮采用多傳感器組合測量的方法，通過數據融合技術實現被測曲面點云的獲取和處理，既利用了接觸式檢測的高精度，又發揮了光學檢測的高效率，實現了測量點云數據精度和效率的平衡。

通過接觸式測量(三坐標測量機或機床在線原位檢測)獲取復雜曲面(如航空葉片曲面)的點云數據，檢測精度高，單點測量精度可達幾微米以內，可評估復雜曲面的局部誤差，但點云規模最多只能達到數百點，用以反映復雜曲面的整體形貌比較有限，無法通過這些高精度點云數據進行曲面的再設計。為克服接觸式測量的不足，非接觸式測量隨之應運而生，其主要基于光學、磁學、聲學等領域中的基本原理，將給定的物理模擬量合理轉換為樣件表面的坐標點。非接觸式測量方法大大地提高了測量效率，某些光學測量機可以在數秒內得到數萬點，如英國3D?SCANNER公司的激光掃描儀、德國Breuckmann公司的StereoSCAN便攜式設備等，使得測量過程中大大減少人為規劃，在整個樣件表面快速采集大量數據點同時減少了測量人員的工作，可得到包含復雜曲面更多的海量數據。但非接觸式測量盡管可以采用標定的方法來提高測量精度，但由于被測對象表面存在粗糙度、波紋等表面缺陷和測量系統本身分辨率、采樣誤差、電噪聲等的影響，數據采樣過程中不可避免地混入不合理的噪聲點或孤立點，其測量精度往往只能達到幾十微米左右，其中的一部分精度主要是由于漂移誤差引起的。接觸式測量獲取的點云精度較高，點云規模較少，而非接觸式測量獲取的點云雖然精度較低，含噪聲點等缺陷，卻能反映復雜曲面的整體形貌。因此，利用高精度點云實現低精度點云的漂移，提高低精度點云的精度等級具有重要的意義，也是檢測數據處理的重要環節之一，以確保加工質量的準確評估。

對于低精度點云的漂移，通常采用的方法是針對高精度點云每個樣點搜索低精度點云中最近的一個點，計算這兩點之間的距離，然后計算所有距離的平均值，作為低精度點云所有點的漂移矢量的大小，從而實現低精度點云的漂移。該方法易于實現，但上述漂移矢量的大小并不能真實反映低精度點云和高精度點云之間的漂移誤差，使低精度點云某些區域存在過漂移或欠漂移，提升的精度有限。事實上，對低精度點云每個樣點的漂移誤差同等對待，無法真實反映低精度點云不同區域漂移的差異性。

針對高低精度點云數據融合的缺陷，可利用高精度點云建立低精度點云不同區域的誤差劃分，劃分過程通過密度聚類實現，進而利用低精度點云的拓撲結構信息建立每個樣點的漂移矢量，并借助信息熵模型優化選取高斯權重后，對每個樣點進行漂移，漂移過程中自然實現低精度點云小幅度噪聲的過濾。

在信息論中，熵是系統無序程度的度量，可用于度量已知數據所包含的有效信息量。熵作為系統不確定性的度量，其值越大，系統的不確定性就越大，不足以反映系統內在的信息；反之，熵值越小，系統的不確定性越小，足以反映系統的內在信息。故在高斯權重的優化選取過程中，通過法矢信息提出了法矢差異性密度的核估計，建立起信息熵模型，通過最小熵原理優化選取高斯權重的重要參數，確定合適的漂移矢量，從而保證低精度點云的合理漂移。

發明內容

本發明的目的在于提出一種兩種不同精度下的三維點云數據的融合方法，通過接觸式測量獲取的高精度點云，再利用高精度點云分析低精度點云各點的誤差，基于均值漂移的原理，對低精度點云進行漂移，以去除低精度點云的漂移誤差，并在漂移過程中實現低精度點云小幅度噪聲的光順。

實現本發明的目的所采用的具體技術方案如下：