[發(fā)明專利]一種三維點(diǎn)云與自由曲面模型的匹配方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010793728.X
• 申請(qǐng)日: 2020-08-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111986219B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁封林;趙文川
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G06T7/13
• 分類號(hào): G06T7/13;G06T7/33;G06T7/66
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1.一種三維點(diǎn)云與自由曲面模型的匹配方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1.1、待配準(zhǔn)源點(diǎn)云P，目標(biāo)點(diǎn)云Q由模型文件轉(zhuǎn)換成pcd格式點(diǎn)云文件，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云，使其擬合平面垂直于Z軸，判斷點(diǎn)云法線方向，旋轉(zhuǎn)至法線方向相同，然后向XOY面投影；其中，點(diǎn)云法線方向與擬合平面法線平行，旋轉(zhuǎn)至Z軸后，Z分量方向可以由所有點(diǎn)的法向量確定：如果多數(shù)法線Z分量為正，則認(rèn)為平面法向量指向Z軸正方向，如果多數(shù)法線Z分量為負(fù)，認(rèn)為平面法向量指向Z軸負(fù)方向；三維視覺(jué)測(cè)量得到的點(diǎn)云，即源點(diǎn)云P，自由曲面模型點(diǎn)云，即目標(biāo)點(diǎn)云Q，目標(biāo)點(diǎn)云Q由模型文件轉(zhuǎn)換成pcd格式點(diǎn)云文件以及適當(dāng)降采樣，并對(duì)源點(diǎn)云P做半徑濾波，去除離群點(diǎn)，將源點(diǎn)云P、目標(biāo)點(diǎn)云Q的質(zhì)心移動(dòng)到原點(diǎn)，由所有的點(diǎn)擬合平面，計(jì)算平面法線；將平面法線旋轉(zhuǎn)至Z軸方向，使擬合平面垂直于Z軸，利用協(xié)方差矩陣計(jì)算所有點(diǎn)的法向量，如果多數(shù)法線Z分量為正，則認(rèn)為平面法向量指向Z軸正方向，如果多數(shù)法線Z分量為負(fù)，認(rèn)為平面法向量指向Z軸負(fù)方向，將兩組點(diǎn)云的平面法向量方向旋轉(zhuǎn)到相同方向；

步驟S1.2、通過(guò)一個(gè)點(diǎn)的鄰域特征判斷該點(diǎn)是不是邊緣點(diǎn)，在投影點(diǎn)中查找所有邊緣點(diǎn)；

步驟S1.3、首先計(jì)算二維邊緣點(diǎn)到質(zhì)心的距離，根據(jù)相鄰邊緣點(diǎn)距離的變化，判斷邊緣點(diǎn)是否為角點(diǎn)，查找所有角點(diǎn)；將源點(diǎn)云P、目標(biāo)點(diǎn)云Q向XOY面投影，即提取點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)，構(gòu)建點(diǎn)云P1、Q1；

步驟S1.4、將待配準(zhǔn)源點(diǎn)云邊緣的一個(gè)角點(diǎn)繞Ｚ軸旋轉(zhuǎn)，使得該角點(diǎn)依次與目標(biāo)點(diǎn)云邊緣的角點(diǎn)匹配，當(dāng)兩組邊緣點(diǎn)的距離方差最小時(shí)，為正確匹配；

初始匹配，查找所有角點(diǎn)，移動(dòng)兩組點(diǎn)云至質(zhì)心重合，在點(diǎn)云Q1中，提取4個(gè)角點(diǎn)q1,q2,q3,q4，然后在點(diǎn)云P1中提取距離質(zhì)心最遠(yuǎn)的一個(gè)點(diǎn)p，作為角點(diǎn)，將角點(diǎn)p繞Ｚ軸旋轉(zhuǎn)4次適當(dāng)角度，使得角點(diǎn)p依次與qi(i=1,2,…,4)匹配，每次旋轉(zhuǎn)后計(jì)算邊緣點(diǎn)云Ep，Eq的距離，該距離定義為其中一組點(diǎn)云的每一個(gè)點(diǎn)到另一組點(diǎn)云中最近點(diǎn)的距離，此處為點(diǎn)云Ep到Eq中最近點(diǎn)的距離，然后計(jì)算所有點(diǎn)的距離的方差：

，

式中，std為計(jì)算方差，為計(jì)算兩點(diǎn)的距離，為距離最近的點(diǎn)，在4次旋轉(zhuǎn)中，角點(diǎn)p旋轉(zhuǎn)至q3時(shí)，兩組邊緣點(diǎn)云的距離方差最小，認(rèn)為角點(diǎn)p與角點(diǎn)q3互為對(duì)應(yīng)角點(diǎn)，得到旋轉(zhuǎn)角度θ，將源點(diǎn)云P繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度θ，源點(diǎn)云Ｐ、目標(biāo)點(diǎn)云Q已完成了粗匹配，還需要進(jìn)一步提高匹配精度；

4次旋轉(zhuǎn)最近點(diǎn)距離的方差最小，從而得到旋轉(zhuǎn)角度θ；由于點(diǎn)云擬合平面是垂直于Z軸的，所以點(diǎn)云P需要繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度θ，以此完成粗匹配；

步驟S1.5、通過(guò)優(yōu)化兩組點(diǎn)云之間的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣，迭代至目標(biāo)函數(shù)收斂，匹配完成，計(jì)算所有點(diǎn)的誤差得到整體誤差，用均方根誤差描述。

2.如權(quán)利要求1所述的三維點(diǎn)云與自由曲面模型的匹配方法，其特征在于，步驟S1.2包括：

在二維投影點(diǎn)中，生成訪問(wèn)點(diǎn)指向鄰域點(diǎn)的向量，由相鄰向量之間的夾角確定該訪問(wèn)點(diǎn)是否為邊緣點(diǎn)；通過(guò)半徑查找鄰域點(diǎn)，半徑r1的選擇可根據(jù)點(diǎn)云的稀疏程度確定；也可按照K-近鄰查找，查找點(diǎn)必須分布在訪問(wèn)點(diǎn)的周圍，數(shù)量足夠多。

3.如權(quán)利要求2所述的三維點(diǎn)云與自由曲面模型的匹配方法，其特征在于：

若點(diǎn)云內(nèi)部不存在邊界，邊緣提取采用邊緣增長(zhǎng)的策略，具體為：首先查找距離質(zhì)心最遠(yuǎn)的一點(diǎn)，則該點(diǎn)必然是邊緣點(diǎn)；然后在該點(diǎn)的鄰域內(nèi)查找相鄰的邊緣點(diǎn)，則連續(xù)的邊緣點(diǎn)都能夠檢測(cè)到。

4.如權(quán)利要求1所述的三維點(diǎn)云與自由曲面模型的匹配方法，其特征在于，步驟S1.3包括：

為方便計(jì)算角點(diǎn)的位置，將邊緣點(diǎn)按順時(shí)針或逆時(shí)針的順序排列，在連續(xù)的一段邊緣線里，邊緣點(diǎn)與質(zhì)心點(diǎn)的距離出現(xiàn)了極大值，則可認(rèn)為該極值點(diǎn)為角點(diǎn)出現(xiàn)的位置。

5.如權(quán)利要求1所述的三維點(diǎn)云與自由曲面模型的匹配方法，其特征在于，步驟S1.4包括：

如果旋轉(zhuǎn)后的位置與其他角點(diǎn)旋轉(zhuǎn)后的位置特征差別較小，這是因角點(diǎn)提取的不準(zhǔn)確導(dǎo)致的角度偏差引起的，為提高初始匹配的精度，采用ICP算法優(yōu)化旋轉(zhuǎn)后的邊緣匹配結(jié)果，能夠提高方差的精度。

6.如權(quán)利要求1所述的三維點(diǎn)云與自由曲面模型的匹配方法，其特征在于，步驟S1.5包括：

目標(biāo)函數(shù)為：

，

式中，pi為待配準(zhǔn)源點(diǎn)云P中任一點(diǎn)，R、T為兩組點(diǎn)云之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，為計(jì)算點(diǎn)到平面的距離，該平面由目標(biāo)點(diǎn)云Q中距離點(diǎn)最近的點(diǎn)和鄰域所確定的法向量求得，為計(jì)算與目標(biāo)點(diǎn)云Q中鄰域點(diǎn)的質(zhì)心的距離，為鄰域質(zhì)心點(diǎn)。