[發明專利]一種基于全等二基線匹配的點云全局配準方法

有效

• 申請號: 202011282691.0
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112396641B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 徐二帥;許志華
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G06T17/00;G06V10/74
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本專利公開了一種基于全等二基線匹配的點云全局配準方法：針對人造場景點云存在的小重疊、高噪聲、高對稱問題帶來的配準精度低的問題，本專利利用場景中廣泛分布的空間三維直線特征，基于采樣一致性框架，通過構建并匹配全等二基線迭代地完成點云全局配準。具體地，配準方法以點云中三維直線作為特征構建基元，首先在基準點云中構建基礎二基線，基礎二基線由兩條空間非平行直線構成，包含顯著且豐富拓撲信息，然后在待配準點云中依據基礎二基線特征描述尋找同名二基線集合，繼而根據全等線對匹配計算點云轉換參數，最后基于采樣一致性框架，迭代搜索最優全等二基線匹配，獲取最優配準參數，完成場景點云高精度配準。

技術領域

本發明涉及空間信息應用技術領域，具體涉及一種基于全等二基線匹配的點云全局配準方法。

背景技術

近年來，激光雷達設備的快速發展使得室內外場景三維點云獲取變得越來越容易，并在室內外導航、虛擬現實和城市三維建模等領域得到了廣泛應用。點云配準作為點云數據處理的重要步驟，是確保三維場景數據完備的一項關鍵技術。盡管，國內外學者針對點云配準做了大量研究，也產生了諸多優秀算法，但現有研究對小重疊、結構相似、復雜動態變化等場景仍缺乏適用性。

點云配準方法可以分為全局配準和精配準兩大類。精配準旨在對全局配準參數進行優化，典型的算法包括最小二乘算法，迭代最近點算法(iterative?closest?point，ICP)及其衍生算法。然而，點云全局配準參數的優劣直接影響精配準效果。通常，全局配準參數失準易使點云精配準陷入局部最優，導致整體配準誤差偏大。因此，全局配準是點云配準中需解決的首要問題。常見的全局配準策略是構建點云局部特征，通過計算多站點云間局部特征間的相似度進行同名特征匹配，并利用優化后的匹配特征計算點云配準參數。該類算法中，具有代表性的局部特征有快速點特征直方圖(fast?point?feature?histograms,FPFH)、Spin?Image等。與局部特征相比，全局特征更具描述性，主要包括平面特征、直線特征等，主要適用于城區、建筑等復雜人造場景?；谌痔卣鞯狞c云配準思想為：首先通過將點云分割獲取平面、直線等全局特征，然后空間一致性或鄰域特征一致性策略在平面、直線等層面上搜索同名特征，最后利用匹配的同名全局特征估計點云配準參數，代表性算法是基于視點描述子的點云配準方法。然而，在人造場景中，獲取的多站點云普遍存在重疊度低、噪聲多、場景相似性高導致同名特征匹配難度大等問題，現有配準方法的自動化水平差，魯棒性低，難以保證人造場景點云配準的精度和效率。

本專利針對小重疊、高噪聲、高對稱的人造場景點云配準問題，設計了一種基于全等二基線匹配的點云全局配準方法。該方法以經過水平校準的點云作為輸入，首先提取多站點云中的三維直線段作為配準的基元，然后通過構建全等二基線的匹配原則確定多站點云間的同名匹配，最后利用匹配的同名全等線段計算點云配準參數。該專利采用最大重疊度原則和最大線結構一致性原則評估點云配準質量，并基于采樣一致性框架迭代優化點云配準參數，可滿足小重疊、高噪聲、高對稱的人造場景點云自動配準需求。

三、發明內容

(一)解決的技術方案

本發明所要解決的技術問題是：針對人造場景中多站點云重疊度小、點云中噪聲多、空間對稱性強導致點云配準精度差、效率慢、自動化水平低的問題，利用場景中豐富的三維直線特征，設計一種基于全等二基線匹配的點云全局配準方法。具體地，輸入原始兩站點云，并提取點云中的三維直線特征；在基準點云中尋找兩條空間上幾何拓撲關系顯著的直線段，組成基礎二基線；然后在待匹配點云中按一致性約束規則尋找多組與基礎二基線具有相同幾何拓撲關系的二基線，記為候選同名全等二基線；進而根據候選全等二基線匹配計算點云配準參數，基于最大重疊度原則與最大結構一致性原則評價轉換參數質量；為了保證基礎二基線來自點云重疊區域，上述參數求解過程基于采樣一致性尋優框架，迭代二基線創建、匹配、轉換與評價過程，確定最優全等二基線匹配，獲取最優配準參數，完成場景點云高精度配準。

(二)技術方案