層次化的多片點(diǎn)云剛性配準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及計(jì)算機(jī)圖形中的面向真實(shí)物體的3D建模領(lǐng)域，具體設(shè)及一種用于憑 借=維表面數(shù)據(jù)獲取設(shè)備對真實(shí)物體進(jìn)行3D建模時(shí)層次化的多片點(diǎn)云剛性配準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 所謂多片點(diǎn)云剛性配準(zhǔn)是指通過剛體變換對多片有重疊關(guān)系的點(diǎn)云進(jìn)行位置對 齊的過程。通常該些點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是利用=維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，如=維掃描儀器，采集到的物體 的=維表面數(shù)據(jù)。所謂點(diǎn)云就是由一些離散的=維點(diǎn)組成的集合。對齊的目的是為了將點(diǎn) 云之間有重疊的部分在空間位置上保持一致，該樣才能構(gòu)成一個(gè)完整的物體的表面。多片 點(diǎn)云剛性配準(zhǔn)研究具有重要意義，因?yàn)槔?維獲取設(shè)備對真實(shí)世界的物體建模已經(jīng)被廣 泛應(yīng)用于=維建模的領(lǐng)域中，可W省去大量的手工建模操作并捕獲更多模型的細(xì)節(jié)。無論 是小型的物體或是大型的建筑，甚至整個(gè)城市都可W利用=維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備采集表面的點(diǎn) 云數(shù)據(jù)。該些點(diǎn)云數(shù)據(jù)最初都位于獨(dú)立的局部坐標(biāo)系內(nèi)，對它們進(jìn)行配準(zhǔn)采用統(tǒng)一到全局 的坐標(biāo)系下，因此，配準(zhǔn)是對真實(shí)物體進(jìn)行=維建模時(shí)不可缺少的關(guān)鍵步驟。
[0003] 目前，現(xiàn)存相當(dāng)數(shù)量的各式各樣的點(diǎn)云剛性配準(zhǔn)算法，例如著名的Iterative ClosestPoint(ICP)算法等。然而現(xiàn)存的諸多算法在多片點(diǎn)云配準(zhǔn)時(shí)存在相當(dāng)大的不足。 ICP算法最大的不足在于它只能對兩片點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，而且簡單的利用ICP算法對多片點(diǎn) 云進(jìn)行串行的配準(zhǔn)時(shí)又會產(chǎn)生剛體變換不封閉的問題。多片點(diǎn)云配準(zhǔn)技術(shù)目前還沒有發(fā)展 到如雙片點(diǎn)云配準(zhǔn)技術(shù)那么成熟。該類算法一般首先對點(diǎn)云進(jìn)行兩兩的剛性配準(zhǔn)，然后檢 測剛體變換是否在環(huán)中保持封閉，如果不封閉，則通過微調(diào)使其保持封閉。該類算法雖然復(fù) 雜度低，在點(diǎn)云兩兩剛性配準(zhǔn)的結(jié)果理想的情況，也能得到較好的結(jié)果。隨著點(diǎn)云片數(shù)的增 多，點(diǎn)云初始位置的條件變差，算法魯椿性會下降，最終配準(zhǔn)的結(jié)果可能會有錯(cuò)誤或者陷入 了局部最優(yōu)解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)Χ嗥c(diǎn)云進(jìn)行高精度的剛性配準(zhǔn)并 保證配準(zhǔn)的封閉性、運(yùn)算效率高、對點(diǎn)云初始位置條件依賴性低的多片點(diǎn)云剛性配準(zhǔn)方法。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種層次化的多片點(diǎn)云剛性配準(zhǔn)方法，包括：
[0007] (1)建立表示多片點(diǎn)云之間重疊關(guān)系的連接關(guān)系圖，圖中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一片點(diǎn) 云，每條邊連接兩片有重疊關(guān)系的點(diǎn)云；
[000引 （2)將所述連接關(guān)系圖中每兩片有連接關(guān)系的點(diǎn)云分別進(jìn)行剛性配準(zhǔn)，記錄剛性 配準(zhǔn)后兩片點(diǎn)云之間的剛體變換、重疊面積W及點(diǎn)與點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系；
[0009] (3)W步驟（2)計(jì)算得到每兩片點(diǎn)云之間的重疊面積為權(quán)重，提取出所述連接關(guān) 系圖中的最大生成樹，再W此最大生成樹為基準(zhǔn)，根據(jù)最大化重疊面積和最短化環(huán)路長度 的原則，提取出所述連接關(guān)系圖中的所有獨(dú)立的環(huán)；
[0010] (4)根據(jù)步驟似得到每兩片點(diǎn)云之間的剛體變換和點(diǎn)與點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算步 驟（3)中提取的每個(gè)獨(dú)立的環(huán)的閉合程度；
[0011] (5)對步驟（3)提取的每個(gè)獨(dú)立的環(huán)依次進(jìn)行封閉操作W優(yōu)化各片點(diǎn)云的剛體變 換，使優(yōu)化后的各片點(diǎn)云之間的相對剛體變換滿足剛體變換的一致性；
[0012] (6)對優(yōu)化后的所有點(diǎn)云進(jìn)行全局的配準(zhǔn)誤差擴(kuò)散操作W完成剛性配準(zhǔn)。
[0013] 本發(fā)明的層次化的多片點(diǎn)云剛性配準(zhǔn)方法中：
[0014] 作為優(yōu)選，步驟（3)中，最大化重疊面積和最短化環(huán)路長度的原則為；提取獨(dú)立的 環(huán)時(shí)，按權(quán)重從大到小開始逐條加邊，每加一條邊提取出一個(gè)路徑長度最短的環(huán)。
[0015] 作為優(yōu)選，步驟（4)中，計(jì)算獨(dú)立的環(huán)閉合程度的方式為最小化W下函數(shù)：
[0016]
[001引其中，和是該函數(shù)自變量，分別表示作用于該環(huán)中第t和第t+1片點(diǎn)云的 剛體變換；
[0019] L表示該環(huán)中點(diǎn)云的片數(shù)；
[0020] Nt是步驟（2)計(jì)算得到的第t和第t+1片點(diǎn)云之間的對應(yīng)點(diǎn)數(shù)目；
[0021] 和是步驟（2)計(jì)算得到的分別位于第t和第t+1片點(diǎn)云中的一組對應(yīng)點(diǎn)，其 中i為所有對應(yīng)點(diǎn)的索引號；
[002引t是步驟（2)計(jì)算得到的第t片點(diǎn)云相對于第t+1片點(diǎn)云的剛體變換；
[002引 斬-1是iM勺逆變換；
[0024] 璋表示第t片點(diǎn)云中的點(diǎn)34經(jīng)過剛體變換ll^后的結(jié)果，耗表示第t+l片點(diǎn)云中 的點(diǎn)y;?經(jīng)過剛體變換爲(wèi)-1后的結(jié)果。
[00對 Ed。,ur準(zhǔn)越小表示該環(huán)閉合程度越高。
[0026] 步驟（5)中，對每個(gè)獨(dú)立的環(huán)依次進(jìn)行封閉操作的順序由每個(gè)獨(dú)立的環(huán)的閉合程 度高低來確定，閉合程度高的環(huán)優(yōu)先封閉。
[0027] 作為優(yōu)選，一個(gè)獨(dú)立的環(huán)被進(jìn)行了封閉操作后，先將該獨(dú)立的環(huán)融合為一個(gè)整體 的新點(diǎn)云，并更新所述連接關(guān)系圖，然后將該新點(diǎn)云進(jìn)行剛性配準(zhǔn)，并計(jì)算與新點(diǎn)云相關(guān)的 新環(huán)的閉合程度。
[002引步驟（5)中，對步驟（3)提取的每個(gè)獨(dú)立的環(huán)依次進(jìn)行封閉操作的順序由步驟（4) 計(jì)算得到的環(huán)的閉合程度的高低來確定，閉合程度高的環(huán)優(yōu)先封閉；在此過程中，當(dāng)一個(gè)環(huán) 被進(jìn)行了封閉操作后，先將該環(huán)融合為一個(gè)整體的"點(diǎn)云組"（即新點(diǎn)云）并更新所述連接 關(guān)系圖，然后根據(jù)步驟（2)的方法將該新點(diǎn)云與其他有連接關(guān)系的點(diǎn)云進(jìn)行剛性配準(zhǔn)并計(jì) 算所述連接關(guān)系圖中產(chǎn)生的與新點(diǎn)云相關(guān)的新環(huán)的閉合程度；之后才對下一個(gè)閉合程度最 高環(huán)（既包括原有的環(huán)也包括新環(huán)）進(jìn)行封閉操作，直至封閉所w獨(dú)立的環(huán)。
[0029] 步驟（5)中，對每個(gè)獨(dú)立的環(huán)進(jìn)行封閉操作的方法直接利用了步驟（4)得到的優(yōu) 化結(jié)果，即將步驟（4)計(jì)算該環(huán)閉合程度時(shí)得到的最優(yōu)變量二{知巧 =1作用于該環(huán)中對 應(yīng)的每片點(diǎn)云上。
[0030] 作為優(yōu)選，步驟化）中，所述全局配準(zhǔn)誤差擴(kuò)散操作的方法是最小化W下函數(shù)表 達(dá)式：
[0031]
[003引其中，和是該函數(shù)的自變量，分別表示作用于所述連接關(guān)系圖中有連接關(guān) 系的第a和第0片點(diǎn)云的剛體變換；
[0034] P表示所述連接關(guān)系圖中有連接關(guān)系的點(diǎn)云的對數(shù)；
[0035]N,是經(jīng)過步驟（5)之后得到的更新的第a和第P片點(diǎn)云之間的對應(yīng)點(diǎn)數(shù)目；
[0036] Xf和yf是經(jīng)過步驟妨之后得到的更新的第a和第P片點(diǎn)云之間的一組對應(yīng) 點(diǎn)，分別位于第a和第P片點(diǎn)云中；
[0037] 是經(jīng)過步驟（5)之后得到的更新的第a相對于第P片點(diǎn)云的剛體變換；
[00測 V過是知,3的逆變換；
[0039]祥表示第a片點(diǎn)云中的點(diǎn)xf經(jīng)過剛體變換iD。,0后的結(jié)果，矜表示第0片點(diǎn) 云中的點(diǎn)yf經(jīng)過剛體變挨J后的結(jié)果；
[0040] 得到最優(yōu)變量$二{為后，將相應(yīng)的剛體變換作用于所述連接關(guān)系圖中對 應(yīng)的點(diǎn)云上即完成全局誤差擴(kuò)散操作；其中，M表示所述連接關(guān)系圖中的點(diǎn)云的總片數(shù)。
[0041] 步驟（6)是對步驟（4)所用方法應(yīng)用于多個(gè)環(huán)的一個(gè)推廣。
[0042] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在W下方面：
[0043] (1)本發(fā)明通過對多片點(diǎn)云構(gòu)造連接關(guān)系圖，先對有連接（重疊）關(guān)系的點(diǎn)云兩兩 進(jìn)行剛體配準(zhǔn)，再提取連接關(guān)系圖中的環(huán)并按封閉程度高低依次對每個(gè)環(huán)進(jìn)行封閉操作， 最后實(shí)現(xiàn)對整個(gè)連接關(guān)系圖的全局的配準(zhǔn)誤差擴(kuò)散，能夠保證點(diǎn)云之間剛體變換的封閉 性，能夠快速實(shí)現(xiàn)具有大數(shù)據(jù)量的多片點(diǎn)云配準(zhǔn)并且對點(diǎn)云的初始位置的依賴性低；
[0044] (2)對單個(gè)環(huán)的封閉操作和對整個(gè)連接關(guān)系圖的配準(zhǔn)誤差擴(kuò)散操作都直接利用了 點(diǎn)云之間兩兩剛性配準(zhǔn)的結(jié)果，避免了大量的迭代的全局最近點(diǎn)查詢，極大的提升了算法 的效率，并且兩種操作的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)都是同時(shí)考慮了剛體變換的誤差和點(diǎn)云之間的配準(zhǔn) 誤差，具有配準(zhǔn)誤差小、運(yùn)算效率高、計(jì)算資源占用少的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0045] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的基本流程示意圖；
[0046] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例獨(dú)立的環(huán)提取示意圖；
[0047] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的雙片點(diǎn)云配準(zhǔn)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 如圖1所示，本實(shí)施例層次化的多片點(diǎn)云配準(zhǔn)方法的實(shí)施步驟如下：
[0049] 步驟（1);
[0化0] 建立表示多片點(diǎn)云之間重疊關(guān)系的連接關(guān)系圖，圖中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一片點(diǎn)云， 每條邊連接兩片有重疊關(guān)系的點(diǎn)云。
[005U步驟（2);
[0052] 將所述連接關(guān)系圖中每兩片有連接關(guān)系的點(diǎn)云分別進(jìn)行剛性配準(zhǔn)，記錄剛性配準(zhǔn) 后兩片點(diǎn)云之間的剛體變換，重疊面積W及點(diǎn)與點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系。
[005引步驟（3);
[0化4] W步驟（2)計(jì)算得到每兩片點(diǎn)云之間的重疊面積為權(quán)重，提取出所述連接關(guān)系圖 中的最大生成樹，再W此樹為