[發明專利]三維掃描系統中點云拼接用邊界特征點配準方法

有效

• 申請號: 201410208338.6
• 申請日: 2014-05-16
• 公開（公告）號: CN103955939B
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 王勇;唐靖;饒勤菲
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G01B21/20
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 穆祥維

1.三維掃描系統中點云拼接用邊界特征點配準方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

(1)、用三維掃描儀從不同視角掃描實物模型的輪廓，獲得多視角三維采樣點數據；

(2)、針對不同視角下同一實物模型的兩塊三維采樣點數據，通過運用點云重心距離特征的邊界檢測方法分別提取兩塊三維采樣點數據的邊界特征點；其中，所述邊界檢測方法如下：

首先將Z軸上代表點云高度信息的數值轉化為0—255之間的灰度值作為點云的質量屬性，記為H；其次通過K近鄰搜索找到當前點P(X_i,Y_i,Z_i)的K個最近鄰，K＝16；最后計算K個最近鄰組成的點群的重心坐標(X,Y,Z)，通過最大類間差法獲得閾值δ；計算點P到點群重心的歐式距離，如果點P到點群重心的歐式距離大于閾值δ，則認為點P是邊緣點；反之，點P不是邊緣點；

其中K個最近鄰組成的點群的重心坐標(X,Y,Z)公式如下：

Z＝H_i

點P到點群重心的歐式距離公式如下：

(3)、在提取的兩塊邊界特征點中，固定其中一塊為參考點集，另一塊為目標點集，利用K-D樹方法加速搜索獲得對應最近點對，并根據單位四元數法計算使得對應最近點對平均距離最小的剛體變換，該剛體變換為旋轉矩陣R和平移矩陣T；其中，所述單位四元數法，具體步驟如下：

假設目標點集X＝{x_i|x_i∈R³,i＝1,2,...m}，參考點集Y＝{y_j|y_j∈R³,j＝1,2,...m}，目標點集X與參考點集Y中的點一一對應，m為點云數據量；

1)分別求目標點集X和參考點集Y的重心；

2)構造協方差矩陣；

其中:(y_i-μ_Y)^T為矩陣(y_i-μ_Y)的轉置；

3)根據協方差矩陣構造4×4對稱矩陣；

其中:tr∑_X,Y是矩陣∑_X,Y的跡，設A_i,j＝(∑_X,Y-∑_X,Y^T)_i,j,Δ＝[A₂₃,A₂₁,A₁₂]^T，I₃為3×3單位矩陣，A_i,j為(∑_X,Y-∑_X,Y^T)_i,j構造的矩陣；

4)計算4×4對稱矩陣Q(∑_X,Y)的特征值和特征向量，最大特征值對應的特征向量即為單位四元數[q₀,q₁,q₂,q₃]^T；旋轉向量為q^R＝[q₀,q₁,q₂,q₃]^T；

5)計算旋轉矩陣

6)計算平移矩陣

T(q^R)＝[q₄,q₅,q₆]^T＝μ_X-R(q^R)μ_Y；

(4)、利用旋轉矩陣R和平移矩陣T對目標點集進行坐標變換，得到新的目標點集，根據迭代終止條件判斷新的目標點集與參考點集的距離是否小于給定的閾值來實現點云配準；

(5)、以此基于點云重心距離特征的邊界提取方法來改進ICP算法能夠快速進行點云配準，獲得精確配準效果；

所述迭代終止判斷條件具體步驟如下：

若新的變換點集與參考點集的歐式平均距離小于給定的閾值λ，則停止迭代，反之則將新的點集作為初始值繼續進行迭代，直到滿足目標函數的要求為止；其中目標函數為:

其中:n為點云數據量，m_i為待配準的參考點云，R為旋轉矩陣，T為平移矩陣，S_i為目標點云，i＝1,2...n。