[發明專利]一種基于幾何形狀的多通道三維彩色點云配準方法

有效

• 申請號: 201811047904.4
• 申請日: 2018-09-10
• 公開（公告）號: CN109345570B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 安毅;王瑋;王晉豫;宋天寧
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06T7/30
• 分類號: G06T7/30
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 王樹本;徐雪蓮

1.一種基于幾何形狀的多通道三維彩色點云配準方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1、三維彩色點云數據獲取，利用三維激光彩色掃描測距系統在兩個不同的位置分別對同一場景進行掃描，得到兩個三維彩色點云數據P＝{p_i＝(x_i，y_i，z_i，r_i，g_i，b_i)|1≤i≤n}和其中，p_i為三維彩色點云數據P中的彩色點，(x_i，y_i，z_i)為彩色點p_i的坐標，(r_i，g_i，b_i)為彩色點p_i的顏色，n為三維彩色點云數據P中彩色點的個數，i為三維彩色點云數據P中彩色點的序號，為三維彩色點云數據中的彩色點，為彩色點的坐標，為彩色點的顏色，為三維彩色點云數據中彩色點的個數，j為三維彩色點云數據中彩色點的序號；三維彩色點云數據P由點云數據S＝{s_i＝(x_i，y_i，z_i)|1≤i≤n}和圖像數據C＝{c_i＝(r_i，g_i，b_i)|1≤i≤n}兩種模態融合而成，三維彩色點云數據由點云數據和圖像數據兩種模態融合而成；

步驟2、點云數據提取，分別從三維彩色點云數據P和中提取點云數據S＝{s_i＝(x_i，y_i，z_i)|1≤i≤n}和

步驟3、點云形狀分類，利用KD-Tree算法，快速構建點云數據中每一個點的鄰域，計算該鄰域的協方差矩陣，并根據協方差矩陣特征值之間的大小關系，分別將點云數據S和分為點性點、線性點和面性點，具體包括以下子步驟：

(a)、在點云數據S中，利用KD-Tree算法，快速構建給定點s_i＝(x_i，y_i，z_i)的鄰域其中，為鄰點，k為鄰點序號，m為鄰點的個數；

(b)、構建給定點s_i的鄰域N_i的協方差矩陣為，

其中，T為向量轉置符號，求取協方差矩陣M_i的特征值λ₁、λ₂、λ₃，λ₁＜λ₂＜λ₃，以及相應的特征向量v₁、v₂、v₃；

(c)、若協方差矩陣M_i的特征值λ₁≈λ₂≈λ₃，即λ₃/λ₂≤8和λ₂/λ₁≤8，則給定點s_i與其鄰點呈散亂狀分布，將給定點s_i分類為點性點，若協方差矩陣M_i的特征值λ₁≈λ₂＜＜λ₃，即λ₃/λ₂＞8和λ₂/λ₁≤8，則給定點s_i與其鄰點呈直線狀分布，將給定點s_i分類為線性點，若協方差矩陣M_i的特征值λ₁＜＜λ₂≈λ₃，即λ₃/λ₂≤8和λ₂/λ₁＞8，則給定點s_i與其鄰點呈平面狀分布，將給定點s_i分類為面性點；因此，將點云數據S分為點性點數據線性點數據和面性點數據其中，為點性點，i_a為點性點的序號，n_a為點性點的個數，為線性點，i_b為線性點的序號，n_b為線性點的個數，為面性點，i_c為面性點的序號，n_c為面性點的個數，且n_a+n_b+n_c＝n；

(d)、在點云數據中，利用與步驟3子步驟(a)～(c)相同的方法，將點云數據分為點性點數據線性點數據和面性點數據其中，為點性點，j_a為點性點的序號，為點性點的個數，為線性點，j_b為線性點的序號，為線性點的個數，為面性點，j_c為面性點的序號，為面性點的個數，且

步驟4、點性點數據配準，利用迭代最近點ICP算法，配準點性點數據S_a和點性點求取二者之間的旋轉矩陣R_a和平移向量t_a，具體包括以下子步驟：

(a)、對于點性點數據S_a中的每一個點通過KD-Tree算法，找到在點性點中的對應最近點組成對應點對集合

(b)、利用奇異值分解SVD算法，求解使目標函數f(R_a，t_a)最小的旋轉矩陣R_a和平移向量t_a，上述目標函數f(R_a，t_a)按公式(1)進行描述，

(c)、使用旋轉矩陣R_a和平移向量t_a對點性點數據S_a進行坐標變換，得到新的點性點數據S_a，并計算目標函數f(R_a，t_a)；

(d)、若目標函數f(R_a，t_a)小于設定閾值或者迭代次數達到設定次數就停止迭代，獲得最終的旋轉矩陣R_a和平移向量t_a；否則，重復步驟4子步驟(a)～(d)；

步驟5、線性點數據配準，利用迭代最近點ICP算法，配準線性點數據S_b和線性點數據具體配準過程與步驟4子步驟(a)～(d)相同，求取二者之間的旋轉矩陣R_b和平移向量t_b；

步驟6、面性點數據配準，利用迭代最近點ICP算法，配準面性點數據S_c和面性點數據具體配準過程與步驟4子步驟(a)～(d)相同，求取二者之間的旋轉矩陣R_c和平移向量t_c；

步驟7、點云數據配準，利用旋轉矩陣R_a、R_b、R_c和平移向量t_a、t_b、t_c，加權計算點云數據S和之間的旋轉矩陣R和平移向量t，分別按公式(2)和公式(3)進行描述，

步驟8、三維彩色點云數據配準，利用點云數據之間的旋轉矩陣R和平移向量t，對三維彩色點云數據P進行坐標變換，使之變換到與三維彩色點云數據相同的坐標系之下，完成三維彩色點云數據的配準。