點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計算機技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，三維重建技術(shù)在計算機輔助幾何設(shè)計、計算機圖形 學(xué)、計算機動畫、醫(yī)學(xué)圖像處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。影響三維重建技術(shù)的基礎(chǔ)而核心問 題是如何準(zhǔn)確、快速獲取場景、物體等目標(biāo)對象的空間位置信息。具體地，在獲取目標(biāo)對象 的空間位置信息時，通常會使用激光雷達等掃描設(shè)備在不同姿態(tài)下對目標(biāo)對象進行多次掃 描。點云數(shù)據(jù)即是通過掃描設(shè)備掃描到的目標(biāo)對象表面離散點的空間坐標(biāo)。由于受目標(biāo)對 象大小、環(huán)境以及測量器具等因素的限制，掃描設(shè)備在每次掃描時可能只能測量到目標(biāo)對 象的一個側(cè)面。因此，為獲得目標(biāo)對象的完整數(shù)據(jù)信息，需要控制掃描設(shè)備以不同姿態(tài)對目 標(biāo)對象行多次掃描。其中，每次掃描可以得到一幀點云數(shù)據(jù)，將不同幀點云數(shù)據(jù)進行匹配和 拼接，以統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中的過程為點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。
[0003] 相關(guān)技術(shù)在進行點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)時，通常通過如下兩種方式實現(xiàn)：
[0004] 第一種方式為ICP(IterativeClosestPoint，迭代最近點法）。具體地，該種方 式的實現(xiàn)過程為：獲取相鄰的每兩幀點云數(shù)據(jù)；確定相鄰的每兩幀點云數(shù)據(jù)中的所有匹配 點；根據(jù)相鄰的每兩幀點云數(shù)據(jù)的所有匹配點，對ICP目標(biāo)函數(shù)進行迭代計算，得到相鄰的 每兩幀點云數(shù)據(jù)之間的姿態(tài)變換參數(shù)。根據(jù)各幀點云數(shù)據(jù)和相鄰的每兩幀點云數(shù)據(jù)之間的 姿態(tài)變換參數(shù)，對各幀點云數(shù)據(jù)進行累積，得到目標(biāo)配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)。
[0005] 第二種方式為NDT(NormalDistributionTransformation，正態(tài)分布變換法）。具 體地，該種方式的實現(xiàn)過程為：獲取相鄰的每兩幀點云數(shù)據(jù)；使用指定尺寸的立方單元格 劃分相鄰的每兩幀點云數(shù)據(jù)中的第二幀點云數(shù)據(jù)，并確定每個立方單元格中包括的第二幀 點云數(shù)據(jù)中各個空間點的正態(tài)分布函數(shù)；根據(jù)相鄰的每兩幀點云數(shù)據(jù)中第一幀點云數(shù)據(jù)中 各個空間點在立方單元格中的位置及正態(tài)分布函數(shù)優(yōu)化NDT目標(biāo)函數(shù)，將得到NDT目標(biāo)函 數(shù)的最大值時的姿態(tài)變換參數(shù)作為相鄰的兩幀點云數(shù)據(jù)之間的姿態(tài)變換參數(shù)。根據(jù)相鄰的 每兩幀點云數(shù)據(jù)之間的姿態(tài)變換參數(shù)對各幀點云數(shù)據(jù)進行累積，得到目標(biāo)配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)。
[0006] 在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)至少存在以下問題：
[0007] 相關(guān)技術(shù)在進行點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)時，會根據(jù)各幀點云數(shù)據(jù)及相鄰的每兩幀點云數(shù) 據(jù)之間的姿態(tài)變換參數(shù)，對各幀點云數(shù)據(jù)進行累積，而在配準(zhǔn)相鄰的每兩幀點云數(shù)據(jù)時，可 能會由于存在噪聲數(shù)據(jù)等原因而出現(xiàn)配準(zhǔn)誤差問題，此時，在對一個點云序列中的各幀點 云數(shù)據(jù)進行累積時，誤差會被進一步放大，容易出現(xiàn)誤差累計的情況，導(dǎo)致配準(zhǔn)結(jié)果不準(zhǔn) 確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決相關(guān)技術(shù)的問題，本發(fā)明實施例提供了一種點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)方法及裝 置。所述技術(shù)方案如下：
[0009] 第一方面，提供了一種點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)方法，所述方法包括：
[0010] 對相鄰的每兩幀點云數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)，得到相鄰的每兩幀點云數(shù)據(jù)之間的目標(biāo)姿態(tài) 變換參數(shù)；
[0011] 根據(jù)每個目標(biāo)姿態(tài)變換參數(shù)，對各幀點云數(shù)據(jù)進行累積，得到初始配準(zhǔn)點云數(shù) 據(jù)；
[0012] 從所述初始配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)中，提取配準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)，所述配準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)為配準(zhǔn)度高 的數(shù)據(jù)；
[0013] 以所述配準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)為參考，再次對各幀點云數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)，得到目標(biāo)配準(zhǔn)點云 數(shù)據(jù)。
[0014] 結(jié)合第一方面，在第一方面的第一種可能的實現(xiàn)方式中，所述對相鄰的每兩幀點 云數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)之前，還包括：
[0015] 濾除掃描設(shè)備掃描到的每幀點云數(shù)據(jù)中的第一噪聲數(shù)據(jù)，得到各幀點云數(shù)據(jù)，所 述第一噪聲數(shù)據(jù)為與坐標(biāo)原點之間的距離在第一預(yù)設(shè)數(shù)值范圍外的點云數(shù)據(jù)，所述坐標(biāo)原 點為所述掃描設(shè)備所在位置處的坐標(biāo)。
[0016] 結(jié)合第一方面，在第一方面的第二種可能的實現(xiàn)方式中，所述對相鄰的每兩幀點 云數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)之前，還包括：
[0017] 對于掃描設(shè)備掃描到的任一幀點云數(shù)據(jù)，計算所述點云數(shù)據(jù)中每個空間點第二預(yù) 設(shè)范圍內(nèi)的所有鄰域點與所述每個空間點之間的平均距離；
[0018] 根據(jù)每個空間點對應(yīng)的平均距離確定第一高斯分布函數(shù)，其中，第一高斯分布函 數(shù)的均值為第一數(shù)值，方差為第二數(shù)值；
[0019] 對于所述點云數(shù)據(jù)中的任一空間點，當(dāng)所述空間點對應(yīng)的平均距離與所述第一數(shù) 值之間的差值大于所述第二數(shù)值時，將所述空間點作為一個第二噪聲數(shù)據(jù)；
[0020] 濾除所述掃描設(shè)備掃描到的每幀點云數(shù)據(jù)中的所有第二噪聲數(shù)據(jù)，得到各幀點云 數(shù)據(jù)。
[0021] 結(jié)合第一方面，在第一方面的第三種可能的實現(xiàn)方式中，所述對相鄰的每兩幀點 云數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)，得到相鄰的每兩幀點云數(shù)據(jù)之間的目標(biāo)姿態(tài)變換參數(shù)，包括：
[0022] 對于任一組相鄰的兩幀點云數(shù)據(jù)，使用ICP對所述相鄰的兩幀點云數(shù)據(jù)進行配 準(zhǔn)，得到所述相鄰的兩幀點云數(shù)據(jù)之間的第一姿態(tài)變換參數(shù)；
[0023] 根據(jù)所述第一姿態(tài)變換參數(shù)將所述相鄰的兩幀點云數(shù)據(jù)中的第一幀點云數(shù)據(jù)拼 接至第二幀點云數(shù)據(jù)，得到第一配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)；
[0024] 使用NDT對所述第一配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)和所述第二幀點云數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)，得到所述第 一配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)與所述第二幀點云數(shù)據(jù)之間的第二姿態(tài)變換參數(shù)，將所述第二姿態(tài)變換參 數(shù)作為所述相鄰的兩幀點云數(shù)據(jù)之間的目標(biāo)姿態(tài)變換參數(shù)。
[0025] 結(jié)合第一方面的第三種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第四種可能的實現(xiàn)方式 中，所述對于任一組相鄰的兩幀點云數(shù)據(jù)，使用迭代最近點法ICP對所述相鄰的兩幀點云 數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)，得到所述相鄰的兩幀點云數(shù)據(jù)之間的第一姿態(tài)變換參數(shù)，包括：
[0026] 對于任一組相鄰的兩幀點云數(shù)據(jù)，確定所述相鄰的兩幀點云數(shù)據(jù)中第一幀點云數(shù) 據(jù)和第二幀點云數(shù)據(jù)之間的所有匹配點對；
[0027] 使用所述第一幀點云數(shù)據(jù)和第二幀點云數(shù)據(jù)之間的所有匹配點對，對ICP目標(biāo)函 數(shù)進行迭代計算，以最小化所述ICP目標(biāo)函數(shù)的值，將得到所述ICP目標(biāo)函數(shù)的最小值時的 姿態(tài)變換參數(shù)作為第一初始姿態(tài)變換參數(shù)；
[0028] 根據(jù)所述第一初始姿態(tài)變換參數(shù)，將所述相鄰的兩幀點云數(shù)據(jù)中的第一幀點云數(shù) 據(jù)拼接至第二幀點云數(shù)據(jù)，得到第一初始配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)；
[0029] 確定所述第一初始配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)與所述第二幀點云數(shù)據(jù)之間的所有匹配點對；
[0030] 從所述第一初始配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)與所述第二幀點云數(shù)據(jù)之間的所有匹配點對中，篩 選出匹配點對之間的距離不大于第一指定數(shù)值的部分匹配點對；
[0031] 使用所述部分匹配點對，對所述ICP目標(biāo)函數(shù)進行迭代計算，以最小化所述ICP目 標(biāo)函數(shù)的值，將得到所述ICP的目標(biāo)函數(shù)的最小值時的姿態(tài)變換參數(shù)作為第二初始姿態(tài)變 換參數(shù)，并繼續(xù)進行篩選部分匹配點的過程及最小化所述ICP目標(biāo)函數(shù)的值的過程，直至 所述第一指定數(shù)值不大于第一預(yù)設(shè)閾值時，將迭代得到的姿態(tài)變換參數(shù)作為第一姿態(tài)變換 參數(shù)。
[0032] 結(jié)合第一方面的第三種可能的實現(xiàn)方式或第一方面的第四種可能的實現(xiàn)方式，在 第一方面的第五種可能的實現(xiàn)方式中，所述使用NDT對所述第一配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)和所述第二 幀點云數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)，得到所述第一配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)與所述第二幀點云數(shù)據(jù)之間的第二姿態(tài) 變換參數(shù)，包括：
[0033] 使用第一尺寸的立方單元格劃分所述第二幀點云數(shù)據(jù)；
[0034] 對于任一第一尺寸的立方單元格，確定所述第一尺寸的立方單元格中空間點的第 二高斯分布函數(shù)；
[0035] 根據(jù)所述第一尺寸、所述第一尺寸的立方單元格中空間點的第二高斯分布函數(shù)及 所述第一配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)中各個空間點在所述第一尺寸的立方單元格中的位置，對NDT目標(biāo) 函數(shù)進行迭代計算，將得到NDT目標(biāo)函數(shù)的最大值時的姿態(tài)變換參數(shù)作為第三初始姿態(tài)變 換參數(shù)；
[0036] 根據(jù)所述第三初始姿態(tài)變換參數(shù)，將所述第一配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)拼接至所述第二幀點 云數(shù)據(jù)，得到第二配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)；
[0037] 縮小所述第一尺寸的立方單元格的尺寸，并繼續(xù)進行最大化NDT目標(biāo)函數(shù)值的過 程，直至所述第一尺寸的立方單元格的邊長不大于第二預(yù)設(shè)閾值時，將迭代得到的姿態(tài)變 換參數(shù)作為第二姿態(tài)變換參數(shù)。
[0038] 結(jié)合第一方面，在第一方面的第六種可能的實現(xiàn)方式中，所述從所述初始配準(zhǔn)點 云數(shù)據(jù)中，提取配準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)，包括：
[0039] 使用第二尺寸的立方單元格劃分所述初始配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)；
[0040] 確定所有第二尺寸的立方單元格的數(shù)據(jù)矩陣，其中，每個數(shù)據(jù)矩陣中的一行元素 表示一個空間點的三維坐標(biāo)，每個數(shù)據(jù)矩陣的行數(shù)與每個第二尺寸的立方單元格中包括的 初始配準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)的空間點數(shù)量相同；
[0041] 根據(jù)每個第二尺寸的立方單元格的數(shù)據(jù)矩陣，計算每個第二尺寸的立方單元格的 協(xié)方差矩陣；
[0042] 對每個協(xié)方差矩陣進行特征值分解，得到每個協(xié)方差矩陣的三個特征值及對應(yīng)特 征向量；
[0043] 當(dāng)任一協(xié)方差矩陣的三個特征值中的任兩個特征值與第三個特征值之間的差值 超過第三預(yù)設(shè)閾值時，將所述協(xié)方差矩陣對應(yīng)的第二尺寸的立方單元格所包括的空間點作 為一個配準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)。
[0044] 結(jié)合第一方面的第六種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第七種可能的實現(xiàn)方式 中，所述對每個協(xié)方差矩陣進行特征值分解，得到每個協(xié)方差矩陣的三個特征值及對應(yīng)特 征向量之后，還包括：
[0045] 統(tǒng)計各個第二尺寸的立方單元格的平面法向量中同一法向量的出現(xiàn)次數(shù)；
[0046] 根據(jù)所述出現(xiàn)次數(shù)確定三個主方向，所述三個主方向兩兩垂直；
[0047] 當(dāng)任一第二尺寸的立方單元格的平面的法向量與任一主方向之間的角度不大于 第四預(yù)設(shè)閾值時，將所述第二尺寸的立方單元格所包括的空間點作為所述主方向上的一個 配準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)。
[0048] 結(jié)合第一方面的第七種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第八種可能的實現(xiàn)方式 中，所述方法還包括：
[0049] 對于提取到的任一主方向上的各個配準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)，確定各個空間點所在平面與坐 標(biāo)原點之間的距離；
[0050] 根據(jù)每個空間點所在平面與坐標(biāo)原點之間的距離，將所述主方向上的配準(zhǔn)參考數(shù) 據(jù)劃分為多個不相交的子集；
[0051] 對每個子集中的空間點進行平面擬合，得到每個子集對應(yīng)的擬合平面；
[0052] 將所述主方向的配準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)中的各個空間點投影到對應(yīng)的擬合平面上，將所述 擬合平面上的投影點作為配準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)。
[0053] 結(jié)合第一方面的第六種可能的實現(xiàn)方式至第一方面的第八種可能的實現(xiàn)方式中 的任一種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第九種可能的實現(xiàn)方式中，所述以所述配準(zhǔn)參考 數(shù)據(jù)為參考，