[發明專利]一種基于三維傳感器的點云拼接方法、系統和存儲介質

在審

• 申請號: 202310091888.3
• 申請日: 2023-02-10
• 公開（公告）號: CN116310250A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 許宸瑋;陳安;田青華;周才健;應再恩;周柔剛;盛錦華;周衛華
• 申請（專利權）人: 杭州匯萃智能科技有限公司;嘉興逸君辰科技有限公司
• 主分類號: G06T19/20
• 分類號: G06T19/20
• 代理公司: 杭州華知專利事務所(普通合伙) 33235
• 代理人: 張德寶

本申請提供了一種基于三維傳感器的點云拼接方法、系統和存儲介質。本申請通過采用底座有多個印有光學標志圓的凸臺，底座平面上有多個不共面斜面的三維標定件進行點云拼接標定，提升了標定效率并且能精確完整的拼接兩幅點云；根據光學標志圓心點數據融合平面信息計算得到粗配準參數，再利用雙目標損失函數對旋轉矩陣與平移向量分別優化得到精配準參數，通過非剛體坐標最佳轉換核構建轉換誤差補償函數，對點云轉換誤差進行優化。本方法有效降低矩陣病態性，提高粗標定算法的魯棒性，提升點云拼接標定精度，解決現有點云拼接方法標定效率低、配準標定方法魯棒性差以及非嚴格剛體變換導致變形誤差的技術問題，滿足工業復雜場景中的三維測量需求。

技術領域

本申請屬于三維測量技術領域，更具體的，涉及一種基于三維傳感器的點云拼接方法、系統和存儲介質。

背景技術

三維測量技術已廣泛應用于工業檢測、逆向工程領域，是保障產品質量的重要手段。常見的三維傳感器有線激光掃描儀、結構光、雙目視覺等。然而，由于單個傳感器的數據視圖有限，在面對工業環境中的復雜測量場景時，常有目標物體遮擋、尺寸過大，導致點云缺失和不完整等問題，因此必須進行點云拼接以滿足測量需求。

點云拼接的原理是計算源點云和目標點云間的轉換關系，將兩點云融合到同一個坐標系下顯示。常見的點云拼接方法為利用特征匹配點粗配準以及精配準。

粗配準是利用兩傳感器測量獲取到同一特征點，將數據點集進行矩陣運算得到傳感器間剛體變換矩陣。其中，特征點一般以測量背景中的視覺特征或依賴于光學標定板獲得，前者得到的視覺特征點數量較少無法均勻覆蓋整個測量空間域，而后者利用光學標定板的過程繁瑣，效率較低。

最小迭代方法與梯度下降迭代是精配準中較成熟的方法之一，能精準的拼接兩幅點云，但前提是必須提供較準確的初始剛體變換參數，否則容易陷入局部最優解。同時，傳統方法匹配點為了便于定位通常為規律的點陣列形式，因此數據行列間相關系數較高，導致標定矩陣病態性嚴重，矩陣病態性高代表抗擾動能力差，而在實際工業場景中容易有環境噪聲或傳感器自身等的隨機誤差，若只提取特征匹配點集進行配準，容易得到較差的初始配準參數，導致陷入局部最優。目前常見的精配準優化方法中較多以單一目標函數作為優化對象，然而轉換矩陣中包含旋轉及平移多個參數，以目前的方法很難評價優化解在全局的優劣性，導致拼接精度的不確定性提高。

目前在計算機視覺應用中，普遍用小孔成像模型來簡化相機成像過程，理想假設里，我們定義光心點(模型中的小孔)作為三維坐標原點以光軸和成像平面建立三維坐標系，光軸被定義為穿過所有透鏡曲率半徑的直線。然而在實際情況中，光軸因加工誤差會產生偏移，而光心也會因為透鏡組種類、安裝位移、標定后位移而有改變。因此在三維成像中，盡管標定了畸變參數，也不可避免的產生三維成像誤差，導致即使兩款相同三維傳感器，上述光軸、光心偏移產生的成像誤差分布也不完全相同，因此只依賴于剛體變換是無法精確的將兩點云統一到同一坐標系下，最終使點云拼接后全局邊界誤差增大、精度降低。

發明內容

有鑒于此，本申請提供了一種基于三維傳感器的點云拼接方法、系統和存儲介質，解決現有點云拼接方法標定效率低、配準標定方法魯棒性差以及非嚴格剛體變換導致變形誤差的技術問題。

本申請的具體技術方案如下：

本申請第一方面提供一種基于三維傳感器的點云拼接方法，包括如下步驟：

布置三維標定件，獲取和匹配三維標定件的表面點云及特征圖像數據，其中，三維標定件的底座有多個印有光學標志圓的凸臺，在底座平面上有多個不共面的斜面；

根據光學標志圓心點數據融合平面信息計算得到粗配準參數，再利用雙目標損失函數對旋轉矩陣與平移向量分別優化得到精配準參數；

根據最佳轉換中心核構建轉換誤差補償函數，將源點云中所有數據點進行迭代補償，輸出精確的融合后點云。

進一步的，獲取和匹配三維標定件的表面點云及特征圖像數據具體為：