專利名稱：基于多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于反求工程領(lǐng)域中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合技術(shù)，具體涉及到一種基于多坐標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接方法。
背景技術(shù)：
研究與實(shí)現(xiàn)的是在反求工程中的數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括點(diǎn)云的處理，三維空間識(shí)別，多視點(diǎn)云的拼接，點(diǎn)云的優(yōu)化處理等，這一部分的處理決定了三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度與質(zhì)量。CAD模型建立的前提就是具備完整的高質(zhì)量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性和精度很大程度上決定了 CAD模型所能達(dá)到的數(shù)據(jù)質(zhì)量。常規(guī)三維檢測(cè)與轉(zhuǎn)換過(guò)程中得到的只是單個(gè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完整數(shù)據(jù)模型需要多幅點(diǎn)云的拼接和處理，其精度也主要依賴于三維點(diǎn) 云的拼接系統(tǒng)這一環(huán)節(jié)的處理。三維點(diǎn)云拼接與處理不僅僅是承上啟下的作用，而且直接決定了三維重構(gòu)的成功與質(zhì)量，因此，這一部分的處理在反求工程中是非常關(guān)鍵和重要的一部分。反求工程三維檢測(cè)中，常需要把物體表面分成多個(gè)局部相互重疊的子區(qū)域，從多個(gè)角度獲取零件不同方位的表面信息，以完成對(duì)整個(gè)物體模型的測(cè)量。從各個(gè)視覺(jué)分塊測(cè)量得到多個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)云，稱為多視點(diǎn)云。由于在測(cè)量不同的區(qū)域時(shí)，都是在測(cè)量位置對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系下進(jìn)行的，多次測(cè)量所對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系是不一致的，必須把各次測(cè)量對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系，并消除兩次測(cè)量間的重疊部分，以得到被測(cè)物體表面的完整數(shù)據(jù)，此處理過(guò)程即為多視點(diǎn)云的拼接。根據(jù)獲得的多視角點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以采取直接點(diǎn)集配準(zhǔn)的方法，拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)。多視標(biāo)簽定位點(diǎn)云拼接方法一般包括點(diǎn)位法、固定球法、平面法等。目前這些方法采用的原理都是一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的多視點(diǎn)云拼接算法，即基于三基準(zhǔn)點(diǎn)的拼合算法。具體做法是根據(jù)每個(gè)測(cè)量位置至少可以看見(jiàn)三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的原則，在待測(cè)物體相對(duì)平坦的表面以及標(biāo)定平板上貼一些大小合適的測(cè)量專用標(biāo)簽，這樣在每塊測(cè)量數(shù)據(jù)中，分別測(cè)量指定的三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，記為A、B、C?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的布置原則是①基準(zhǔn)點(diǎn)必須是在兩次測(cè)量中都可以測(cè)到的點(diǎn)指定的基準(zhǔn)點(diǎn)既可以是人工設(shè)定的，也可以是測(cè)量對(duì)象固有的，但必須是能夠在測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)集中準(zhǔn)確識(shí)別、匹配和定位的點(diǎn)伽、B、C三點(diǎn)不能共線，應(yīng)避免Λ ABC成為狹長(zhǎng)三角形，其包圍面積應(yīng)盡可能大，以減少測(cè)量誤差對(duì)變換的影響。分別以兩次測(cè)量所得基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值建立坐標(biāo)系，通過(guò)坐標(biāo)平移和旋轉(zhuǎn)變換，就實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)系統(tǒng)一。理論上說(shuō)，只要知道兩塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)就可進(jìn)行拼接，但在實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接中，由于存在測(cè)量誤差，兩塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的標(biāo)志點(diǎn)的相對(duì)位置不可能完全一致，因此得到的變換矩陣將導(dǎo)致被變換物體變形。目前還有很多方法是采用三點(diǎn)定位組合變換。ICP方法可以多次迭代求取，進(jìn)一步滿足精度的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。P. Bsel和D. McKay等人在文獻(xiàn)“A method for registration of3-D shapes”中提出了 ICP算法(Iterative Closet Point Algorithm),它是首先找到與對(duì)象點(diǎn)集中的每一個(gè)點(diǎn)在參考點(diǎn)集中的一個(gè)距離最近的點(diǎn)，建立一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)映射關(guān)系，然后使用最小二乘法計(jì)算最優(yōu)坐標(biāo)變換。但實(shí)際應(yīng)用中，很多情況下都缺乏明確對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此尋找點(diǎn)集每個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的映射關(guān)系是比較困難的，使得計(jì)算速度跟不上，實(shí)際應(yīng)用起來(lái)很不方便。Besl和Mckay 1992年提出了快速最近點(diǎn)迭代ICP算法，迭代地最小化兩個(gè)點(diǎn)集之間的平均距離，可以較好地解決6個(gè)自由度的數(shù)據(jù)點(diǎn)和模型匹配的問(wèn)題，不過(guò)速度也比較慢，本身不能保證收斂到全局(甚至局部)最小值，并且需要為算法提供一個(gè)合理的剛體變換的初始猜測(cè)。國(guó)內(nèi)目前也已經(jīng)在開(kāi)展點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法的研究，并初步取得一些成果。例如，東南大學(xué)達(dá)飛鵬等人，在文獻(xiàn)“三維掃描系統(tǒng)中點(diǎn)云拼接用標(biāo)志點(diǎn)匹配方法”中，提出了一種能夠?qū)c(diǎn)云拼接標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行快速匹配的方法。采用動(dòng)態(tài)分層處理和預(yù)估處理。標(biāo)志點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)方式采用線性鏈表，同時(shí)采用數(shù)組存儲(chǔ)必要的信息，具有明顯的計(jì)算效率。浙江大學(xué)方慧等人，在文獻(xiàn)“三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取用的基準(zhǔn)體及點(diǎn)云合成方法”中，提供了一種利用基準(zhǔn)體來(lái)確定轉(zhuǎn)臺(tái)的中心轉(zhuǎn)軸，根據(jù)計(jì)算得到的中心轉(zhuǎn)軸拼接局部三維點(diǎn)云，并合成為完整的三維點(diǎn)云圖像的方法。為了避免在實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接中，由于兩塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的標(biāo)志點(diǎn)的相對(duì)位置不完全一致，致使得到的變換矩陣引起被變換物體變形，并針對(duì)實(shí)際測(cè)量情況，以提高運(yùn)算速度，達(dá)到實(shí)用要求為目的，本發(fā)明提供了一種基于多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種運(yùn)算速度較快，拼接精度較高的多視點(diǎn)云拼接時(shí)多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別的運(yùn)算方法。一種基于多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法，包括如下步驟
步驟I:首先讀入兩塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)置目標(biāo)圖與待拼接圖，初始化點(diǎn)云拼接數(shù)據(jù)；
步驟2 :根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)的空間幾何關(guān)系采取特征搜索與識(shí)別算法，由程序自動(dòng)找出對(duì)應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)對(duì)，若標(biāo)志點(diǎn)對(duì)大于3對(duì)，則將其分別存入矩陣A、B，否則不能進(jìn)行拼接，如果搜索過(guò)程結(jié)束后仍然沒(méi)有解，那么適宜采用遞歸的方法進(jìn)行搜索，從外到內(nèi)開(kāi)展搜索，在搜索并識(shí)別出標(biāo)志特征點(diǎn)后結(jié)束；
權(quán)利要求
1.一種基于多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法，其特征在于包括如下步驟 步驟I:首先讀入兩塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)置目標(biāo)圖與待拼接圖，初始化點(diǎn)云拼接數(shù)據(jù)； 步驟2 :根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)的空間幾何關(guān)系采取特征搜索與識(shí)別算法，由程序自動(dòng)找出對(duì)應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)對(duì)，若標(biāo)志點(diǎn)對(duì)大于3對(duì)，則將其分別存入矩陣A、B，否則不能進(jìn)行拼接，如果搜索過(guò)程結(jié)束后仍然沒(méi)有解，那么適宜采用遞歸的方法進(jìn)行搜索，從外到內(nèi)開(kāi)展搜索，在搜索并識(shí)別出標(biāo)志特征點(diǎn)后結(jié)束；aIl a2l aM ,^li hi -hi I ^ Φ ±5aSI]β η α2 a^s LPinhn L h hi hi -,。 令^ + + + U可縛線性方程亂AXs=IalCi=LJ) ^ . hJ' .—' 4= ι —ιΓ 令三維變換矩陣T3d= [J1 J2 J3 Al，則有AT3d=B ；假設(shè) X/滿足 I I AJCjHj I I2= min | | AX1Hi | |2 (i=l，2，3，4)， 則稱Xi1為方程組AXi=匕的最小二乘解，此方程組的最小二乘通解為 X1=A+B1+ (I=A+A) V, nC1 ； 方程組中長(zhǎng)度最小的解即為Xi=A+IDi,是唯一解，可稱作極小二乘解其中A+是A的廣義逆，將求出的極小二乘解合并可求得T3d= [Z1 J2 J3 14]，并能夠使得最小二乘目標(biāo)函數(shù)最小，即T3d= A+ B ； 步驟3 :根據(jù)T3d= A+B，求出T3d，其中，； 步驟4 :將一塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)T3d坐標(biāo)變換，加入另一塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，3D坐標(biāo)變換矩陣1U iIa hi : iW可甬132 ,2J ilM褒示.從變換功縫上貨，Ti!}可分為4個(gè)子矩 hi hi %3 *_____________Λ__ M % ' iM.陣-.其φ，Lc in i=廣主比5IH- ■切幾兩變ft:L1JI hi [i41 i42 i43]產(chǎn)生平移變換；[ 14 24 34]產(chǎn)生投影變換；[ 44]產(chǎn)生整體比例變換；由于采用的坐標(biāo)變換是剛性變換，故有[ 14 tu 34Γ=
r, [ 44] = [1 0]，若點(diǎn)P在第一塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的坐標(biāo)為A=C^i,J^1,Z1, D，則在第二塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的坐標(biāo)為々2= (Ζ2，72，Α，I)，則兩者關(guān)系可表不為PlT3D=P2 ; 步驟5 :若拼接未完，轉(zhuǎn)為第一步，拼接完成消除重疊點(diǎn)，拼接結(jié)束。
2.如權(quán)利要求I所述的基于多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法，其特征在于所述步驟2中的標(biāo)志點(diǎn)為4個(gè)或4個(gè)以上,標(biāo)志點(diǎn)對(duì)越多,拼接精度越高。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法，在實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接中，由于存在測(cè)量誤差，兩塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的標(biāo)志點(diǎn)的相對(duì)位置不可能完全一致，因此得到的變換矩陣將導(dǎo)致被變換物體變形。為求得最佳的拼接效果，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)巨大散亂的特點(diǎn)，為了提高靈活性和精度，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云拼接的自動(dòng)化，考慮在輸入標(biāo)志點(diǎn)首先控制在一定精度范圍的前提下，應(yīng)取盡可能多的標(biāo)志點(diǎn)作為標(biāo)志點(diǎn)群，在前面自動(dòng)搜索識(shí)別算法的基礎(chǔ)上，自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)特征群目標(biāo)函數(shù)最小二乘拼接的算法，通過(guò)三維空間中的多個(gè)點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換矩陣，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，拼接精度也比較高。
文檔編號(hào)G06F17/16GK102831101SQ20121026583
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月30日
發(fā)明者余東滿, 史增芳, 李曉靜, 楊峰, 蘇靜, 高志華, 張玉華, 王笛, 戶燕會(huì), 孫育竹 申請(qǐng)人:河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院