[發明專利]一種基于點云的表面弱紋理衛星三維重建方法

在審

• 申請號: 202110874322.9
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113706591A
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 易建軍;張回;曾飛;丁洪凱;蘇林;范體軍
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G06T17/00;G06K9/00
• 代理公司: 上海翼勝專利商標事務所(普通合伙) 31218
• 代理人: 翟羽

本申請公開了一種基于點云的表面弱紋理衛星三維重建方法。該基于點云的表面弱紋理衛星三維重建方法包括點云獲取與預處理步驟、幀間點云配準與關鍵幀選取步驟、回環檢測與后端位姿優化步驟以及模型表面重建步驟。本發明通過利用處理后的點云進行位姿估計，依據位姿結果篩選出關鍵幀點云，并進行位姿優化，最后配準融合點云并完成模型表面重建，能夠實現在衛星表面弱紋理以及光照條件較差的情況下的衛星三維重建，為衛星的部件識別與抓捕提供了良好的基礎。

技術領域

本發明涉及三維重建技術領域，尤其涉及一種基于點云的表面弱紋理衛星三維重建方法。

背景技術

在空間中，對衛星進行部件識別與抓捕之前，需要對衛星進行三維重建。然而由于在空間中光照條件差、衛星表面紋理弱等因素影響，無法使用基于圖像的視覺三維重建方案對衛星進行重建。

發明內容

發明的目的在于，提供一種基于點云的表面弱紋理衛星三維重建方法，用于解決目前無法使用基于圖像的視覺三維重建方案對衛星進行重建的技術問題。

為了實現上述目的，本發明其中一實施例中提供一種基于點云的表面弱紋理衛星三維重建方法，包括以下步驟：

點云獲取與預處理步驟，獲取衛星的單幀點云，并對點云預處理；

幀間點云配準與關鍵幀選取步驟，對點云進行FPFH特征粗配準與ICP精配準獲取衛星的精確位姿，然后篩選關鍵幀；所述FPFH特征粗配準為將點云特征以統一的方式放入到直方圖中，得到粗配準位姿；所述ICP精配準為以所述粗配準位姿作為初始位姿，迭代獲得精配準位姿；

回環檢測與后端位姿優化步驟，基于選取的關鍵幀進行位姿圖更新與回環檢測，所述回環檢測是在歷史關鍵幀中尋找出與當前關鍵幀位置上不相鄰但相近的幀；判斷是否出現回環，當出現回環時對位姿圖優化，當位姿圖優化結束后以及在未出現回環時，判斷幀間點云配準是否結束；當幀間點云配準未結束時，返回所述點云獲取與預處理步驟獲取下一幀點云；當幀間點云配準結束時，進行位姿圖優化；以及

模型表面重建步驟，當位姿圖優化結束后，進行FPFH表面重建，完成衛星三維建模。

進一步地，所述點云獲取與預處理步驟中的對點云預處理步驟包括：對于每幀點云，首先根據衛星所在的空間位置，利用空間三維坐標值篩選來將背景去除，得到只有衛星的點云；然后對衛星的點云依次進行離群點去除、體素濾波降采樣，并計算對應的法向量，完成點云的預處理。

進一步地，所述幀間點云配準與關鍵幀選取步驟包括：

點云數據處理步驟，定義一個固定的局部坐標系，先獲取的單幀點云為目標點云，后獲取的點云為源點云；

FPFH特征粗配準步驟，在所述局部坐標系中提取源點云和目標點云的FPFH特征，將源點云的FPFH特征進行匹配和位姿調整，并結合至目標點云的FPFH特征形成對應特征點對，所述對應特征點對迭代更新后將所述對應特征點對的位置重合，形成衛星的點快速特征直方圖作為粗配準最終位姿；

ICP精配準步驟，在所述局部坐標系中，以所述粗配準最終位姿作為初始位姿，通過識別所述初始位姿中的衛星邊緣幀作為歷史關鍵幀，以歷史關鍵幀所在平面為基準面對所述源點云進行坐標變換，通過迭代計算預設迭代次數或者使得所述源點云的點與所述基準面的距離小于距離閾值后，形成衛星的精確位姿作為精配準位姿；以及

篩選關鍵幀步驟，基于所述衛星的精確位姿篩選衛星邊緣幀作為當前關鍵幀。

進一步地，所述FPFH特征粗配準步驟中包括FPFH特征提取步驟，所述FPFH特征描述了點的局部幾何特性，使用一個33維度的特征向量來描述；計算FPFH特征分為兩步：

a)定義一個固定的局部坐標系，然后利用以下公式計算云點中每個查詢點p和它的鄰域點之間的一系列α,φ,θ特征值，將這些特征值以統一的方式放入到直方圖中，得到簡化的點特征直方圖；