層次化的多片點云剛性配準方法技術

本發明專利技術公開了一種層次化的多片點云剛性配準方法，包括以下步驟：(1)根據多片點云之間的重疊關系構建連接關系圖；(2)將每兩片有連接關系的點云分別進行剛性配準；(3)提取點云連接關系圖中獨立的環；(4)根據點云剛性配準結果計算每個獨立的環的閉合程度；(5)根據每個獨立的環閉合程度的高低確定先后順序，依次對每個獨立的環進行封閉操作；(6)對所述連接關系圖進行全局誤差擴散。本發明專利技術能對多片點云進行剛性配準并保證點云之間剛體變換的封閉性，具有配準誤差小，運算效率高和對點云初始位置條件依賴性低的優點。

【技術實現步驟摘要】
層次化的多片點云剛性配準方法
本專利技術涉及計算機圖形中的面向真實物體的3D建模領域，具體涉及一種用于憑借三維表面數據獲取設備對真實物體進行3D建模時層次化的多片點云剛性配準方法。
技術介紹
所謂多片點云剛性配準是指通過剛體變換對多片有重疊關系的點云進行位置對齊的過程。通常這些點云數據都是利用三維數據獲取設備，如三維掃描儀器，采集到的物體的三維表面數據。所謂點云就是由一些離散的三維點組成的集合。對齊的目的是為了將點云之間有重疊的部分在空間位置上保持一致，這樣才能構成一個完整的物體的表面。多片點云剛性配準研究具有重要意義，因為利用三維獲取設備對真實世界的物體建模已經被廣泛應用于三維建模的領域中，可以省去大量的手工建模操作并捕獲更多模型的細節。無論是小型的物體或是大型的建筑，甚至整個城市都可以利用三維數據獲取設備采集表面的點云數據。這些點云數據最初都位于獨立的局部坐標系內，對它們進行配準采用統一到全局的坐標系下，因此，配準是對真實物體進行三維建模時不可缺少的關鍵步驟。目前，現存相當數量的各式各樣的點云剛性配準算法，例如著名的IterativeClosestPoint(ICP)算法等。然而現存的諸多算法在多片點云配準時存在相當大的不足。ICP算法最大的不足在于它只能對兩片點云進行配準，而且簡單的利用ICP算法對多片點云進行串行的配準時又會產生剛體變換不封閉的問題。多片點云配準技術目前還沒有發展到如雙片點云配準技術那么成熟。該類算法一般首先對點云進行兩兩的剛性配準，然后檢測剛體變換是否在環中保持封閉，如果不封閉，則通過微調使其保持封閉。該類算法雖然復雜度低，在點云兩兩剛性配準的結果理想的情況，也能得到較好的結果。隨著點云片數的增多，點云初始位置的條件變差，算法魯棒性會下降，最終配準的結果可能會有錯誤或者陷入了局部最優解。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是提供一種能夠對多片點云進行高精度的剛性配準并保證配準的封閉性、運算效率高、對點云初始位置條件依賴性低的多片點云剛性配準方法。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案為：一種層次化的多片點云剛性配準方法，包括：(1)建立表示多片點云之間重疊關系的連接關系圖，圖中的每個節點表示一片點云，每條邊連接兩片有重疊關系的點云；(2)將所述連接關系圖中每兩片有連接關系的點云分別進行剛性配準，記錄剛性配準后兩片點云之間的剛體變換、重疊面積以及點與點的對應關系；(3)以步驟(2)計算得到每兩片點云之間的重疊面積為權重，提取出所述連接關系圖中的最大生成樹，再以此最大生成樹為基準，根據最大化重疊面積和最短化環路長度的原則，提取出所述連接關系圖中的所有獨立的環；(4)根據步驟(2)得到每兩片點云之間的剛體變換和點與點的對應關系，計算步驟(3)中提取的每個獨立的環的閉合程度；(5)對步驟(3)提取的每個獨立的環依次進行封閉操作以優化各片點云的剛體變換，使優化后的各片點云之間的相對剛體變換滿足剛體變換的一致性；(6)對優化后的所有點云進行全局的配準誤差擴散操作以完成剛性配準。本專利技術的層次化的多片點云剛性配準方法中：作為優選，步驟(3)中，最大化重疊面積和最短化環路長度的原則為：提取獨立的環時，按權重從大到小開始逐條加邊，每加一條邊提取出一個路徑長度最短的環。作為優選，步驟(4)中，計算獨立的環閉合程度的方式為最小化以下函數：其中，和是該函數自變量，分別表示作用于該環中第t和第t+1片點云的剛體變換；L表示該環中點云的片數；Nt是步驟(2)計算得到的第t和第t+1片點云之間的對應點數目；和是步驟(2)計算得到的分別位于第t和第t+1片點云中的一組對應點，其中i為所有對應點的索引號；ψt是步驟(2)計算得到的第t片點云相對于第t+1片點云的剛體變換；是ψt的逆變換；表示第t片點云中的點經過剛體變換ψt后的結果，表示第t+1片點云中的點經過剛體變換后的結果。Eclosure值越小表示該環閉合程度越高。步驟(5)中，對每個獨立的環依次進行封閉操作的順序由每個獨立的環的閉合程度高低來確定，閉合程度高的環優先封閉。作為優選，一個獨立的環被進行了封閉操作后，先將該獨立的環融合為一個整體的新點云，并更新所述連接關系圖，然后將該新點云進行剛性配準，并計算與新點云相關的新環的閉合程度。步驟(5)中，對步驟(3)提取的每個獨立的環依次進行封閉操作的順序由步驟(4)計算得到的環的閉合程度的高低來確定，閉合程度高的環優先封閉；在此過程中，當一個環被進行了封閉操作后，先將該環融合為一個整體的“點云組”(即新點云)并更新所述連接關系圖，然后根據步驟(2)的方法將該新點云與其他有連接關系的點云進行剛性配準并計算所述連接關系圖中產生的與新點云相關的新環的閉合程度；之后才對下一個閉合程度最高環(既包括原有的環也包括新環)進行封閉操作，直至封閉所以獨立的環。步驟(5)中，對每個獨立的環進行封閉操作的方法直接利用了步驟(4)得到的優化結果，即將步驟(4)計算該環閉合程度時得到的最優變量作用于該環中對應的每片點云上；其中，表示作用于該環中第t片點云的剛體變換；L表示該環中點云的片數。作為優選，步驟(6)中，所述全局配準誤差擴散操作的方法是最小化以下函數表達式：其中，和是該函數的自變量，分別表示作用于所述連接關系圖中有連接關系的第α和第β片點云的剛體變換；P表示所述連接關系圖中有連接關系的點云的對數；Nμ是經過步驟(5)之后得到的更新的第α和第β片點云之間的對應點數目；和是經過步驟(5)之后得到的更新的第α和第β片點云之間的一組對應點，分別位于第α和第β片點云中；ψα，β是經過步驟(5)之后得到的更新的第α相對于第β片點云的剛體變換；是ψα，β的逆變換；表示第α片點云中的點經過剛體變換ψα，β后的結果，表示第β片點云中的點經過剛體變換后的結果；得到最優變量后，將相應的剛體變換作用于所述連接關系圖中對應的點云上即完成全局誤差擴散操作；其中，表示作用于第m片點云的剛體變換，M表示所述連接關系圖中的點云的總片數。步驟(6)是對步驟(4)所用方法應用于多個環的一個推廣。與現有技術相比，本專利技術的有益效果體現在以下方面：(1)本專利技術通過對多片點云構造連接關系圖，先對有連接(重疊)關系的點云兩兩進行剛體配準，再提取連接關系圖中的環并按封閉程度高低依次對每個環進行封閉操作，最后實現對整個連接關系圖的全局的配準誤差擴散，能夠保證點云之間剛體變換的封閉性，能夠快速實現具有大數據量的多片點云配準并且對點云的初始位置的依賴性低；(2)對單個環的封閉操作和對整個連接關系圖的配準誤差擴散操作都直接利用了點云之間兩兩剛性配準的結果，避免了大量的迭代的全局最近點查詢，極大的提升了算法的效率，并且兩種操作的優化目標函數都是同時考慮了剛體變換的誤差和點云之間的配準誤差，具有配準誤差小、運算效率高、計算資源占用少的優點。附圖說明圖1為本專利技術實施例的基本流程示意圖；圖2為本專利技術實施例獨立的環提取示意圖；圖3為本專利技術實施例的雙片點云配準示意圖。具體實施方式如圖1所示，本實施例層次化的多片點云配準方法的實施步驟如下：步驟(1)：建立表示多片點云之間重疊關系的連接關系圖，圖中的每個節點表示一片點云，每條邊連接兩片有重疊關系的點云。步驟(2)：將所述連接關系圖中每兩本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種層次化的多片點云剛性配準方法，其特征在于，包括：(1)建立表示多片點云之間重疊關系的連接關系圖，圖中的每個節點表示一片點云，每條邊連接兩片有重疊關系的點云；(2)將所述連接關系圖中每兩片有連接關系的點云分別進行剛性配準，記錄剛性配準后兩片點云之間的剛體變換、重疊面積以及點與點的對應關系；(3)以步驟(2)計算得到每兩片點云之間的重疊面積為權重，提取出所述連接關系圖中的最大生成樹，再以此最大生成樹為基準，根據最大化重疊面積和最短化環路長度的原則，提取出所述連接關系圖中的所有獨立的環；(4)根據步驟(2)得到每兩片點云之間的剛體變換和點與點的對應關系，計算步驟(3)中提取的每個獨立的環的閉合程度；(5)對步驟(3)提取的每個獨立的環依次進行封閉操作以優化各片點云的剛體變換，使優化后的各片點云之間的相對剛體變換滿足剛體變換的一致性；(6)對優化后的所有點云進行全局的配準誤差擴散操作以完成剛性配準。

【技術特征摘要】
1.一種層次化的多片點云剛性配準方法，其特征在于，包括：(1)建立表示多片點云之間重疊關系的連接關系圖，圖中的每個節點表示一片點云，每條邊連接兩片有重疊關系的點云；(2)將所述連接關系圖中每兩片有連接關系的點云分別進行剛性配準，記錄剛性配準后兩片點云之間的剛體變換、重疊面積以及點與點的對應關系；(3)以步驟(2)計算得到每兩片點云之間的重疊面積為權重，提取出所述連接關系圖中的最大生成樹，再以此最大生成樹為基準，根據最大化重疊面積和最短化環路長度的原則，提取出所述連接關系圖中的所有獨立的環；(4)根據步驟(2)得到每兩片點云之間的剛體變換和點與點的對應關系，計算步驟(3)中提取的每個獨立的環的閉合程度；(5)對步驟(3)提取的每個獨立的環依次進行封閉操作以優化各片點云的剛體變換，使優化后的各片點云之間的相對剛體變換滿足剛體變換的一致性；對每個獨立的環依次進行封閉操作的順序由每個獨立的環的閉合程度高低來確定，閉合程度高的環優先封閉；一個獨立的環被進行了封閉操作后，先將該獨立的環融合為一個整體的新點云，并更新所述連接關系圖，然后將該新點云進行剛性配準，并計算與新點云相關的新環的閉合程度；(6)對優化后的所有點云進行全局的配準誤差擴散操作以完成剛性配準。2.根據權利要求1所述的層次化的多片點云剛性配準方法，其特征在于，步驟(3)中，最大化重疊面積和最短化環路長度的原則為：提取獨立的環時，按權重從大到小開始逐條加邊，每加一條邊提取出一個路徑長度最短的環。3.根據權利要求1所述的層次化的多片點云剛性配準方法，其特征在于，步驟(4)中，計算獨立的環閉合程度的方式為最小化以下函數：其中，和是該函數自變量，分別表示作用于該環中第t和第t+1片點...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馮結青，唐逸之，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33