專利名稱：一種基于重心歐氏距離的點(diǎn)云精確配準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、測繪學(xué)及逆向工程技術(shù)等領(lǐng)域，特別涉及到多測站點(diǎn)云配準(zhǔn)問題，具體地說涉及一種基于重心歐氏距離的點(diǎn)云精確配準(zhǔn)方法。
背景技術(shù)：
在物體三維重建的數(shù)據(jù)獲取階段需使用三維激光掃描儀對物體進(jìn)行全方位掃描，但是，由于物體的復(fù)雜性，不可能一次性掃描得到物體的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要分站掃描，這就面臨著多測站點(diǎn)云配準(zhǔn)問題。多站點(diǎn)云的配準(zhǔn)就是將所有測站點(diǎn)云坐標(biāo)系規(guī)劃到同一個公共的坐標(biāo)系下的過程。多測站點(diǎn)云配準(zhǔn)可轉(zhuǎn)換為相鄰兩站間的兩兩配準(zhǔn)問題，目前基于點(diǎn)云的配準(zhǔn)方法可以分為兩類公共點(diǎn)法和ICP算法。公共點(diǎn)法要求相鄰兩站間至少有3對人工標(biāo)志或特征點(diǎn)，利用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，該方法精度高且可靠，但是該方法需要單獨(dú)掃描每個標(biāo)志并識別中心，記錄點(diǎn)號進(jìn)行配準(zhǔn)，為半自動方法；ICP (Iterative Closest Point)算法是20世紀(jì)九十年代被提出的著名算法，該算法首先假設(shè)得到一個初始姿態(tài)變換參數(shù)，從一站點(diǎn)云中選取一定數(shù)量的點(diǎn)，并在另一個點(diǎn)云中選取這些點(diǎn)的鄰近點(diǎn)作為對應(yīng)點(diǎn)，以點(diǎn)對間的距離最小化為條件進(jìn)行迭代計(jì)算，直至滿足收斂條件為止，但I(xiàn)CP算法在實(shí)際應(yīng)用中存在易受異常值干擾、運(yùn)算速度慢等不足。因此如何有效、快速、精確的自動配準(zhǔn)點(diǎn)云，是目前物體三維重建過程中亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種高效、準(zhǔn)確的基于重心歐氏距離的點(diǎn)云精確配準(zhǔn)方法。技術(shù)方案為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的一種基于重心歐氏距離的點(diǎn)云精確配準(zhǔn)方法包括如下步驟(I)對于參考點(diǎn)云P和配準(zhǔn)點(diǎn)云M，基于離散點(diǎn)特征求出確定初始姿態(tài)變換參數(shù)(R0, t0), R0為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，t0為平移參數(shù)；(2)根據(jù)初始姿態(tài)變換參數(shù)(Rtl, t0)將配準(zhǔn)點(diǎn)云M中的點(diǎn)全部轉(zhuǎn)換到P坐標(biāo)系下進(jìn)行粗配準(zhǔn)，粗配準(zhǔn)方程為P=R0M+t0 ；(3)在點(diǎn)云P中搜索與點(diǎn)云M中的點(diǎn)Mi (i=l, 2，…，m)對應(yīng)的點(diǎn)Pj (j=l, 2，…，η)，基于點(diǎn)P」與點(diǎn)Mi的歐氏距離最小值篩選，得到有效點(diǎn)集(PS，MS)；(4)求出各有效點(diǎn)集的重心PSe和MSe，以及各點(diǎn)集中所有點(diǎn)相對于其重心的歐氏距離庫F1D和MD
權(quán)利要求
1.一種基于重心歐氏距離的點(diǎn)云精確配準(zhǔn)方法，其特征在于包括如下步驟 (1)對于參考點(diǎn)云P和配準(zhǔn)點(diǎn)云M，基于離散點(diǎn)特征求出確定初始姿態(tài)變換參數(shù)(R0, t0), R0為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，t0為平移參數(shù)； (2)根據(jù)初始姿態(tài)變換參數(shù)(Rtl,t0)將配準(zhǔn)點(diǎn)云M中的點(diǎn)全部轉(zhuǎn)換到P坐標(biāo)系下進(jìn)行粗配準(zhǔn)，粗配準(zhǔn)方程為 P=RoM+t0 ； (3)在點(diǎn)云P中搜索與點(diǎn)云M中的點(diǎn)Mi(i=l, 2，…，m)對應(yīng)的點(diǎn)Pj (j=l, 2，…，η)，基于點(diǎn)P」與點(diǎn)Mi的歐氏距離最小值篩選，得到有效點(diǎn)集(PS，MS)； (4)求出各有效點(diǎn)集的重心PSe和MSg,以及各點(diǎn)集中所有點(diǎn)相對于其重心的歐氏距離庫PD和MD I hIs =~y j\s,, '‘ htiI h MSr =MS;, h n /=1 (KPSi, PSG) = I PSi-PSc I, (i=l,2, ...，h)， d (MSi, MSg) = I MSi-MSc |，(i=l, 2，…，h)， 式中，Cl(PSilPSc) ^d(MSilMSc)分別表示點(diǎn)集PS與MS中點(diǎn)i與重心的歐氏距離，形成歐氏距離庫H)和MD ； (5)對集合MD中的第i個歐氏距離MDi(i=l，2，...，h)在集合PD中搜索最小歐式距離PDj(j=l,2,…，h)，求得滿足一定距離閾值下的h對同名點(diǎn)(MSi, PSj)，h表示有效點(diǎn)集的數(shù)目，或者歐氏距離庫H)或MD的數(shù)目； (6)利用同名點(diǎn)(MSi,PSj)求點(diǎn)云坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù),進(jìn)行點(diǎn)云的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云精確配準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于重心歐氏距離的點(diǎn)云精確配準(zhǔn)方法，其特征在于所述步驟(5)中當(dāng)PDj-MDi彡2 α?xí)r，所述PDj與MDi是對應(yīng)的歐氏距離，對應(yīng)的(MSi, PSj)即為同名點(diǎn)，若PD^MDi > 2α，剔除當(dāng)前的第i個歐氏距離MDi和點(diǎn)PSi,回到步驟(4)并搜索下一個歐氏距離，α表示點(diǎn)云的點(diǎn)間距。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種基于重心歐氏距離的點(diǎn)云精確配準(zhǔn)方法，其特征在于對所述步驟(5)求得的同名點(diǎn)進(jìn)行危險(xiǎn)球判定并區(qū)分同名點(diǎn) 在點(diǎn)集MS或PS中，以重心ο為球心，某一歐氏距離MDi為半徑畫一個球體，球體上存在χ(χ彡2)個點(diǎn)qx(x=l, 2，“·χ時,定義為危險(xiǎn)球；從已求出的同名點(diǎn)中選出兩個點(diǎn)Dk(k=l, 2,計(jì)算qx與兩個同名點(diǎn)Dk和球心ο的歐氏距離dqxy (y=l，2，3)，在空間中分別以ο和兩個Dk為球心，以對應(yīng)的歐氏距離Clqxy為半徑做球，獲得相交且唯一的點(diǎn)qx，同理對另一點(diǎn)集唯一確定點(diǎn)V x，獲得區(qū)分同名點(diǎn)(qx，q, x); 再回到所述步驟(4 )迭代計(jì)算，直到獲得無危險(xiǎn)球的同名點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于重心歐氏距離的點(diǎn)云精確配準(zhǔn)方法，其特征在于所述步驟(I)中確定初始姿態(tài)變換參數(shù)(Rtl, t0)的具體步驟是 建立變換方程=Pi=R0M^t0, (i=l, 2，...，m)， 式中，Pi為參考點(diǎn)云P中的一點(diǎn)，Mi為配準(zhǔn)點(diǎn)云M中的一點(diǎn)，R0為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，t0為平移參數(shù)，m為選擇的公共點(diǎn)數(shù)為，m(m ^ 3), 采用線性最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)(Rtl,、)，基于點(diǎn)對空間歐氏距離誤差定義為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于重心歐氏距離的點(diǎn)云精確配準(zhǔn)方法，該方法通過計(jì)算點(diǎn)云重疊部分有效點(diǎn)集的重心以及各點(diǎn)集中所有點(diǎn)相對于其重心的歐氏距離，進(jìn)行最優(yōu)化篩選，并求解全局同名點(diǎn)，通過危險(xiǎn)球判定得到穩(wěn)定的全局同名點(diǎn)，進(jìn)而求得點(diǎn)云坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩測站點(diǎn)云的精配準(zhǔn)。本發(fā)明應(yīng)用重心歐氏距離來配準(zhǔn)點(diǎn)云，由于重心歐式距離具有唯一性及數(shù)量有限性等特點(diǎn)，提高了點(diǎn)云配準(zhǔn)速度及精度；通過危險(xiǎn)球的判斷解決了相等歐氏距離區(qū)分問題，避免點(diǎn)云匹配模糊；通過點(diǎn)間距作為判斷同名歐氏距離的誤差限，使配準(zhǔn)更加精確；本發(fā)明通過不斷剔除點(diǎn)云中的誤差點(diǎn)，達(dá)到不受異常值干擾的目的；先粗配準(zhǔn)后精配準(zhǔn)的循序漸進(jìn)過程使點(diǎn)云配準(zhǔn)更加容易。
文檔編號G06T7/00GK102779345SQ20121022938
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者岳建平, 甄宗坤, 董杰 申請人:河海大學(xué)