基于并行級(jí)聯(lián)em-icp的三維物體點(diǎn)云配準(zhǔn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可提高配準(zhǔn)效率和精確度的基于并行級(jí)聯(lián)EM-ICP的三維物體點(diǎn)云配準(zhǔn)方法，按如下步驟進(jìn)行：在CUDA架構(gòu)上，基于離散曲率估計(jì)和SIFT算法提取三維物體掃描數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)云；利用kd-tree快速搜索三維物體特征點(diǎn)云的鄰域，并以不同的鄰域半徑建立不同規(guī)模的特征點(diǎn)云；按照特征點(diǎn)云規(guī)模遞增的順序依次進(jìn)行EM-ICP配準(zhǔn)，逐級(jí)優(yōu)化配準(zhǔn)結(jié)果，形成級(jí)聯(lián)的EM-ICP配準(zhǔn)；利用CUBLAS加速向量與矩陣間的運(yùn)算并利用CUDAkernel函數(shù)加速矩陣元素間的運(yùn)算。
【專利說(shuō)明】基于并行級(jí)聯(lián)EM-1 CP的三維物體點(diǎn)云配準(zhǔn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三維圖形處理技術(shù)，尤其是一種可提高配準(zhǔn)效率和精確度的基于 并行級(jí)聯(lián)EM-ICP的三維物體點(diǎn)云配準(zhǔn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，基于激光掃描的三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和數(shù)字幾何處理基礎(chǔ)理論漸趨成熟。 在激光掃描獲得物體三維數(shù)據(jù)過(guò)程中，由于受掃描角度的限制，每次掃描只能獲得物體的 部分表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此需要在多個(gè)角度進(jìn)行多次掃描，并對(duì)多次掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)融合， 才能得到完整的、單一的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。于是配準(zhǔn)算法的時(shí)間復(fù)雜度和配準(zhǔn)精度成為決定 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確性的關(guān)鍵。同時(shí)，隨著點(diǎn)云數(shù)據(jù)規(guī)模的擴(kuò)大和配準(zhǔn)精度要求的提高，傳統(tǒng)的串 行配準(zhǔn)算法計(jì)算效率顯然不能滿足實(shí)時(shí)性的要求。
[0003] 以往點(diǎn)云配準(zhǔn)通常采用迭代最近點(diǎn)（Iterative Closest Point, ICP)算法，即通 過(guò)迭代計(jì)算使兩待配準(zhǔn)點(diǎn)云上對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的距離均方差取得最小值，從而實(shí)現(xiàn)待配準(zhǔn)點(diǎn)云匹 配。ICP算法的不足之處是對(duì)初始對(duì)齊敏感，故通常采用主元分析等方法進(jìn)行初始配準(zhǔn)，即 粗對(duì)齊，再以初始配準(zhǔn)結(jié)果為條件進(jìn)行ICP配準(zhǔn)，即精確對(duì)齊。2002年Granger等將最大期 望算法（Expectation Maximization algorithm，EM)應(yīng)用到 ICP 算法中，提出了 EM-ICP 算 法，避免了初始配準(zhǔn)的步驟。由于ICP和ΕΜ-ICP算法均含有大規(guī)模矩陣運(yùn)算，串行的配準(zhǔn)工 作效率較低。2008 年 Choi 等基于統(tǒng)一計(jì)算架構(gòu)（Compute Unified Device Architecture, CUDA)對(duì)ICP算法進(jìn)行了并行加速，取得對(duì)深度圖像配準(zhǔn)的實(shí)時(shí)效果，配準(zhǔn)效率較高，但由 于顯存空間的限制，只能對(duì)規(guī)模較大的點(diǎn)云模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的隨機(jī)采樣簡(jiǎn)化，存在局部配準(zhǔn) 的缺陷，影響了配準(zhǔn)精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種可提高配準(zhǔn)效率和 精確度的基于并行級(jí)聯(lián)EM-ICP的三維物體點(diǎn)云配準(zhǔn)方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于并行級(jí)聯(lián)EM-ICP的三維物體點(diǎn)云配準(zhǔn)方法， 其特征在于按照如下步驟進(jìn)行： a. 在CUDA架構(gòu)上，基于離散曲率估計(jì)和SIFT算法提取三維物體掃描數(shù)據(jù)的特征點(diǎn) 云； b. 利用kd-tree快速搜索三維物體特征點(diǎn)云的鄰域，并以不同的鄰域半徑建立不同 規(guī)模的特征點(diǎn)云； c. 按照特征點(diǎn)云規(guī)模遞增的順序依次進(jìn)行EM-ICP配準(zhǔn)，逐級(jí)優(yōu)化配準(zhǔn)結(jié)果，形成級(jí) 聯(lián)的EM-ICP配準(zhǔn)； d. 利用CUBLAS加速向量與矩陣間的運(yùn)算并利用CUDA kernel函數(shù)加速矩陣元素間的 運(yùn)算。[0006]所述a步驟如下：三維高斯模糊函數(shù)G(X，y;Z :cJ)的高斯差分為

【權(quán)利要求】
1. 一種基于并行級(jí)聯(lián)EM-ICP的三維物體點(diǎn)云配準(zhǔn)方法，其特征在于按照如下步驟進(jìn) 行： a. 在CUDA架構(gòu)上，基于離散曲率估計(jì)和SIFT算法提取三維物體掃描數(shù)據(jù)的特征點(diǎn) 云； b. 利用kd-tree快速搜索三維物體特征點(diǎn)云的鄰域，并以不同的鄰域半徑建立不同 規(guī)模的特征點(diǎn)云； c. 按照特征點(diǎn)云規(guī)模遞增的順序依次進(jìn)行EM-ICP配準(zhǔn)，逐級(jí)優(yōu)化配準(zhǔn)結(jié)果，形成級(jí) 聯(lián)的EM-ICP配準(zhǔn)； d. 利用CUBLAS加速向量與矩陣間的運(yùn)算、并利用CUDA kernel函數(shù)加速矩陣元素間 的運(yùn)算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于并行級(jí)聯(lián)EM-ICP的三維物體點(diǎn)云配準(zhǔn)方法， 其特征在于所述a步驟如下：三維高斯模糊函數(shù)
彳高斯差分為
以任意點(diǎn)云模型上的點(diǎn)i
勺球 心，通過(guò)kd-tree查找指定半徑內(nèi)的鄰域點(diǎn)，對(duì)鄰域內(nèi)所有點(diǎn)的高斯曲率進(jìn)行高斯加權(quán)平 均運(yùn)算，距離球心越近的點(diǎn)權(quán)重越大，以加權(quán)和的結(jié)果對(duì)球心點(diǎn)的高斯曲率重新賦值；為每 一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行多次不同鄰域半徑的高斯模糊，形成不同的高斯尺度空間，相鄰尺度空間兩兩 做差，得到每個(gè)點(diǎn)的高斯
；生成高斯差后，將當(dāng)前點(diǎn)高斯差與鄰域內(nèi)點(diǎn)進(jìn)行 比較，當(dāng)其高斯差在鄰域內(nèi)以及相鄰前后兩高斯尺度空間鄰域內(nèi)為極值時(shí)，視K-為特征點(diǎn)， 所有提取的特征點(diǎn)構(gòu)成特征點(diǎn)云。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述基于并行級(jí)聯(lián)EM-ICP的三維物體點(diǎn)云配準(zhǔn)方法，其特征在于所 述b步驟如下：通過(guò)調(diào)整kd-tree查找的鄰域半徑及對(duì)高斯曲率進(jìn)行高斯加權(quán)平均運(yùn)算的 參數(shù)初始值，多次分別提取數(shù)目不同的特征點(diǎn)，由此形成不同規(guī)模的特征點(diǎn)云。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述基于并行級(jí)聯(lián)EM-ICP的三維物體點(diǎn)云配準(zhǔn)方法，其特征在于 所述c步驟如下：對(duì)于待配準(zhǔn)物體Z和7,對(duì)于所建立的不同規(guī)模的特征點(diǎn)云，按照規(guī)模遞 增的順序分別記：
f先針對(duì)特征點(diǎn)云石和乃以 和為初始條件進(jìn)行第一輪EM-ICP配準(zhǔn)，將配準(zhǔn)結(jié)果記）
f 表示第一次EM-ICP配準(zhǔn)的最優(yōu)結(jié)果·
* ~為初始條件再對(duì)更大規(guī)模的特征點(diǎn) 云；和&進(jìn)行第二輪EM-ICP配準(zhǔn)，將配準(zhǔn)結(jié)果記.
&進(jìn)行，在對(duì)
特征點(diǎn)云石和進(jìn)行最后一輪EM-ICP配準(zhǔn)后，即得到最終的配準(zhǔn)結(jié) 以 及相應(yīng)的配準(zhǔn)精度。
【文檔編號(hào)】G06T15/00GK104112289SQ201410042333
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月29日
【發(fā)明者】孫曉鵬, 王璐 申請(qǐng)人:遼寧師范大學(xué)