一种多传感器点云拼接误差的修正方法
【专利摘要】一种多传感器点云拼接误差的修正方法，是采用激光三维人体扫描仪作为扫描工具，采用空心铝合金圆柱体作为标准物体，基于Matlab软件平台实现，具体包括如下步骤：真实值的确立；扫描数据与真实值的圆函数间关系的确立；建立误差修正模型；应用误差修正模型进行补偿。本发明的作为标准物体的空心圆柱体形状简单且能够确保加工精度,圆柱体与扫描高度等高，可对整个扫描区域的多传感器点云拼接误差进行有效校正；修正参数根据每层的全局误差规律得到，与被测物位置无关，可以对整个扫描区域内任何位置的物体的点云拼接误差进行有效修正，所以非常适合用于激光三维人体扫描仪现场。本发明求出的修正值能够有效降低截面拟合尺寸的误差。
【专利说明】一种多传感器点云拼接误差的修正方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种误差的修正方法。特别是涉及一种应用于激光三维扫描中的多传感器点云拼接误差的修正方法。
【背景技术】
[0002]三维数字化技术把现实物体的信息转化为能够直接被计算机处理的数字信息，通过建立各种3D测量理论和算法对这些信息进行处理和分析，最终重构出空间三维物体的数字化模型。随着数字化技术和计算机技术的飞速发展，三维数字化模型在产品设计与制造、虚拟现实、逆向工程、人体工程学等领域具有重要的应用价值和广阔的发展前景。
[0003]以三维数字化为核心的激光三维扫描系统将被测物转换为点数据的集合，称为点云。随着激光三维扫描技术的快速发展及应用，得到的被测物点云数据的精度问题以及点云的误差分析问题变得尤为重要。激光三维扫描系统中，点云误差可能来源于硬件、软件或被测物等多方面，但是很难确定所有误差来源和每种误差所占比例及具体量值，所以应该综合考虑全局误差。估计扫描系统中全局误差的适当方法是在充分可控的环境中对不同的标准物体进行测量。如果整个系统中的测量误差能够确定，就可以用校正公式对测量结果进行修正。
[0004]文献“Establishing calibration models and error envelopes of a3D wholebody scanning system” (Lin Y C, Wang M J J, Chen T.Proceedings of the5th WSEASinternational conference on Instrumentation, measurement, circuits and systems.World Scientific and Engineering Academy and Society (WSEAS), 2006:129-134)开发的标准物体包括一个钢板平台、一个垂直于钢板的标准支架和5个垂直于支架安装的不同尺寸的块规。用德国Vitronic公司的三维人体扫描仪进行扫描，得到不同支架位置的不同块规安装位置的测量数据。最终根据多组扫描数据建立宽度和深度两个方向的畸变校正模型，并给出了误差包络线，对扫描结果进行修正。文献“A Performanceevaluation test for laser line scanners on CMMs，，(Van Gestel N, Cuypers S, BleysP, et al.0ptics and Lasers in Engineering, 2009，47 (3): 336-342)利用一个平行平板作为标准物体，用夹持在CMMS上的激光扫描器从不同的扫描位置和不同的方向，对标准物体进行扫描。可以从扫描深度、内面角和外面角三个方面分别得到激光扫描器的系统误差和随机误差° 文献“Error compensation for three-dimensional line laser scanningdata” (Xi F, Liu Y, Feng H Y.The International Journal of Advanced ManufacturingTechnology, 2001, 18(3):211-216)把标准球面和标准平板以固定间距组合在一起作为参考物体，固定在平台上，然后用线激光扫描器沿平行于平台的方向进行移动扫描。用多个块规提高平台的一端形成投影角。变换投影角度和扫描深度进行多次采集，然后用最小二乘拟合的方法求出表征误差与扫描深度、投影角度之间关系的经验公式，最后用迭代接近的方法对误差进行补偿。相比而言，国内相关的研究非常少。
[0005]上述的第一种方法虽然可以对人体扫描仪的误差从宽度和深度两方面进行修正，但是使用的标准物体复杂，建立的修正算法不能方便的、快速的进行误差修正。而后两种方法虽然标准物体简单，但是只能建立单独一个线激光扫描器的扫描深度、角度与误差的关系，不能对多个扫描器或传感器之间的误差进行修正。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够有效减小激光三维扫描仪多传感器点云拼接误差影响的多传感器点云拼接误差的修正方法。
[0007]本发明所采用的技术方案是:一种多传感器点云拼接误差的修正方法，是采用激光三维人体扫描仪作为扫描工具，采用空心铝合金圆柱体作为标准物体，基于Matlab软件平台实现，具体包括如下步骤:
[0008]I)真实值的确立:将空心铝合金圆柱体作为标准物体，放置于激光三维人体扫描仪扫描范围中心区域，进行5次以上的扫描，每一次扫描都得到分层显示的点云数据，根据每一次扫描结果确定作为该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标，并根据空心铝合金圆柱体的加工半径和该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标求得作为该次扫描的真实值的圆函数，从而得到5次以上的扫描的真实值的圆函数；
[0009]2)扫描数据与真实值的圆函数间关系的确立:将每一次扫描得到的扫描数据的每一层向该次扫描的真实值的圆函数进行平移刚性变换，得到该次扫描的每一层X方向和y方向的平移变换参数；
[0010]3)建立误差修正模型:将每一次扫描的每一层X方向和y方向的平移变换参数与该层竖直坐标Zw —同保存,构成每一次扫描的整个扫描范围内的误差修正模型,对5次以上扫描的修正模型的相对应层的平移变换参数求取平均值，作为最终误差修正模型中的该层的修正值；
[0011]4)应用误差修正模型进行补偿:对每层扫描数据进行如下操作:读取该层扫描数据的竖直坐标zw，在误差修正模型中寻找最接近的竖直坐标Zw值，读取该竖直坐标Zw对应的修正值，利用修正值对扫描数据进行平移变换，得到修正后的坐标，与该层扫描数据的竖直坐标Zw —并保存。
[0012]步骤I)中所述的确定作为真实值的圆函数的圆心坐标，是对每一次扫描得到的点云数据的每一层分别经过拟合求得圆心坐标，再对该次扫描数据求得的所有层的圆心坐标求取平均值，该平均值就是该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标。
[0013]步骤I)中所述的根据空心铝合金圆柱体的加工半径和该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标求得作为该次扫描的真实值的圆函数，是将空心铝合金圆柱体的加工半径和该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标代入如下公式，求得该次扫描的真实值的圆函数，
[0014]x2+y2-2ax-2by+a2+b2-r2=0
[0015]式中，X为该层点云的横坐标，y为该层点云的纵坐标，a为圆心坐标的横坐标，b为圆心坐标的纵坐标，r为空心铝合金圆柱体的加工半径。
[0016]步骤2)中所述的X方向和y方向的平移变换参数，是利用Matlab的nlinfit函数求出，所求出的结果即为X方向和y方向的平移变换参数。
[0017]步骤3)中所述的该层竖直坐#ZW，是在三维人体扫描仪中自上而下逐层扫描且每层数据互相无干扰，在5次以上的扫描中相同层的数据有相同的竖直坐标Zw。[0018]本发明的一种多传感器点云拼接误差的修正方法，设计出的作为标准物体的空心圆柱体形状简单且能够确保加工精度，圆柱体与扫描高度等高，可对整个扫描区域的多传感器点云拼接误差进行有效校正；修正参数根据每层的全局误差规律得到，与被测物位置无关，可以对整个扫描区域内任何位置的物体的点云拼接误差进行有效修正，所以非常适合用于激光三维人体扫描仪现场；提出平移刚性变换的方法来求扫描数据和真实值之间的修正值，平移变换不会改变像素之间的关系，只是改变点云的位置，所以能够快速、有效的求得扫描数据和真实值之间的变换关系，即修正值。定量分析，本发明求出的修正值能够有效降低截面拟合尺寸的误差；本发明的修正方法可以使任意形状的多传感器点云间的拼接更加光顺、平滑。
【具体实施方式】
[0019]下面结合实施例对本发明的一种多传感器点云拼接误差的修正方法做出详细说明。
[0020]本发明的一种多传感器点云拼接误差的修正方法，米用激光三维人体扫描仪作为扫描工具，采用空心铝合金圆柱体作为标准物体，基于Matlab软件平台实现。其中激光三维人体扫描仪可以采用采用专利号为200510013085.8所给出的激光三维人体扫描仪或德国的VitusSmart XXL三维人体扫描仪。
[0021]本发明的一种多传感器点云拼接误差的修正方法包括如下步骤:
[0022]I)真实值的确立:
[0023]估计扫描系统中全局误差的一种适当方法是在充分可控的环境中对标准物体进行扫描，建立标准物体与扫描数据之间的误差关系。所以需要通过确立标准物体来确立真实值。标准物体需满足以下要求:由于误差补偿必须在扫描仪调试现场使用，因此标准物体既要容易加工且精度高，又要方便运输和安装调整；根据标准物体建立的补偿方法需要能够对整个扫描范围内位于任何位置物体的扫描结果都可补偿；由于系统误差不会随着被测物的形状而发生变化，所以需要标准物体的形状便于拟合和计算。
[0024]具体是:为了减小随机误差影响，将空心铝合金圆柱体作为标准物体，放置于激光三维人体扫描仪扫描范围中心区域，进行5次以上的扫描，每一次扫描都得到分层显示的点云数据，根据每一次扫描结果确定作为该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标，所述的确定作为真实值的圆函数的圆心坐标，是对每一次扫描得到的点云数据的每一层分别经过拟合求得圆心坐标，再对该次扫描数据求得的所有层的圆心坐标求取平均值，该平均值就是该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标(a，b)。再并根据空心铝合金圆柱体的加工半径和该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标求得作为该次扫描的真实值的圆函数，具体是将空心铝合金圆柱体的加工半径和该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标代入如下公式，求得该次扫描的真实值的圆函数，
[0025]x2+y2-2ax-2bu+a2+b2-r2=0
[0026]式中，X为该层点云的横坐标，y为该层点云的纵坐标，a为圆心坐标的横坐标，b为圆心坐标的纵坐标，r为空心铝合金圆柱体的加工半径。从而得到5次以上的扫描的真实值的圆函数；
[0027]2)扫描数据与真实值的圆函数间关系的确立:[0028]将每一次扫描得到的扫描数据的每一层向该次扫描的真实值的圆函数进行平移刚性变换，得到该次扫描的每一层X方向和I方向的平移变换参数，所述的X方向和I方向的平移变换参数，是利用Matlab的nlinfit函数求出，所求出的结果即为x方向和y方向的平移变换参数。
[0029]常用空间变换中的刚体变换是一种典型的线性变换，即只有物体的位置(平移变换)和朝向(旋转变换)发生改变，而不对像素间的相对空间关系作任何改变。将单个CCD的单层测量结果作为整体向作为真实值的圆函数做刚性变换，可以得到平移和旋转参数。假设旋转的角度为M，X方向平移量为D1,y方向平移量为D2，这样变换后能够最接近作为真实
值的圆函数，存在误差的扫描数据用
【权利要求】
1.一种多传感器点云拼接误差的修正方法，其特征在于，采用激光三维人体扫描仪作为扫描工具，采用空心铝合金圆柱体作为标准物体，基于Matlab软件平台实现，具体包括如下步骤: 1)真实值的确立:将空心铝合金圆柱体作为标准物体，放置于激光三维人体扫描仪扫描范围中心区域，进行5次以上的扫描，每一次扫描都得到分层显示的点云数据，根据每一次扫描结果确定作为该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标，并根据空心铝合金圆柱体的加工半径和该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标求得作为该次扫描的真实值的圆函数，从而得到5次以上的扫描的真实值的圆函数； 2)扫描数据与真实值的圆函数间关系的确立:将每一次扫描得到的扫描数据的每一层向该次扫描的真实值的圆函数进行平移刚性变换，得到该次扫描的每一层X方向和y方向的平移变换参数； 3)建立误差修正模型:将每一次扫描的每一层X方向和y方向的平移变换参数与该层竖直坐标Zw —同保存,构成每一次扫描的整个扫描范围内的误差修正模型，对5次以上扫描的修正模型的相对应层的平移变换参数求取平均值，作为最终误差修正模型中的该层的修正值； 4)应用误差修正模型进行补偿:对每层扫描数据进行如下操作:读取该层扫描数据的竖直坐标Zw，在误差修正模型中寻找最接近的竖直坐标Zw值，读取该竖直坐标Zw对应的修正值，利用修正值对扫描数据进行平移变换，得到修正后的坐标，与该层扫描数据的竖直坐标Zw —并保存。
2.根据权利要求1所述的一种多传感器点云拼接误差的修正方法，其特征在于，步骤I)中所述的确定作为真实值的圆函数的圆心坐标，是对每一次扫描得到的点云数据的每一层分别经过拟合求得圆心坐标，再对该次扫描数据求得的所有层的圆心坐标求取平均值，该平均值就是该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标。
3.根据权利要求1所述的一种多传感器点云拼接误差的修正方法，其特征在于，步骤1)中所述的根据空心铝合金圆柱体的加工半径和该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标求得作为该次扫描的真实值的圆函数，是将空心铝合金圆柱体的加工半径和该次扫描的真实值的圆函数的圆心坐标代入如下公式，求得该次扫描的真实值的圆函数，
x2+y2-2ax~2by+a2+b2-r2 = O 式中，X为该层点云的横坐标，y为该层点云的纵坐标，a为圆心坐标的横坐标，b为圆心坐标的纵坐标，r为空心铝合金圆柱体的加工半径。
4.根据权利要求1所述的一种多传感器点云拼接误差的修正方法，其特征在于，步骤2)中所述的X方向和y方向的平移变换参数,是利用Matlab的nlinfit函数求出，所求出的结果即为X方向和y方向的平移变换参数。
5.根据权利要求1所述的一种多传感器点云拼接误差的修正方法，其特征在于，步骤3)中所述的该层竖直坐标Zw，是在三维人体扫描仪中自上而下逐层扫描且每层数据互相无干扰，在5次以上的扫描中相同层的数据有相同的竖直坐标Zw。
【文档编号】G01B11/24GK103808277SQ201310724678
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】葛宝臻, 杨玉杰, 田庆国, 魏耀林 申请人:天津大学