一种三维点云的快速配准方法
【专利摘要】一种三维点云的快速配准方法，包括：获得三维参考点云A和待配准点云B;建立点云A的投影坐标系，并对其进行透视投影，得到二维点云A’；基于三角剖分算法，将点云A’剖分成若干个三角形；在所述投影坐标系中，对点云B进行透视投影，得到二维点云B’；判断点云B’中的点是否落入所述三角形中，以此判别得到若干个落入点0■’计算出落入点o与其所在三角形三个顶点之间的插值系数；根据插值系数和三角插值算法，计算出落入点o在点云A中的对应点点q的坐标值，以得到点q与落入点o在点云B中的对应点点p所构成的点对〈qn，pn>，n^1;计算出点对<qn,pn>的最小刚体变换值T;基于变换值T，更新待配准点云B中各点的坐标值。
【专利说明】一种三维点云的快速配准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机视觉与模式识别【技术领域】，具体来说，涉及一种三维点云的快 速配准方法。
【背景技术】
[0002] 三维图像采集设备一次只能得到物体一个侧面的三维数据，为了得到物体的整体 三维数据，需要从多个角度获取三维数据，并对这些三维数据进行配准。常规的点云配准过 程为：先通过采样，提取不同视角的三维数据，然后，基于一些算法，如迭代最近点（ICP)算 法等，通过计算，建立起点云间点与点之间的联系，最后，基于这些联系，通过对某一初始位 置的三维数据，进行逐层迭代，最终建立起完整的三维图像模型。
[0003] 传统的ICP算法是通过将待配准点云中的点逐个与参考点云中的每一个点进行 距离长短的比较，以寻找最近点，从而建立起点云间点与点的联系，这种计算方式计算速 度太慢，效率太低，而且也存在较大的误差匹配的问题，因此，之后，许多研究者在其基础 之上，提出了很多改进方式，例如，《Image Vision Compute》1992年第10期第3卷发表 的 ''Object modelling by registration of multiple range images"一文中，提出运 用法矢方向的距离来代替点到点距离作为匹配的评价函数，这样两个视图中的点无需一一 对应，但这种方法要求解非线性最小二乘问题，计算效率仍然较低；又如，《International Journal of Computer Vision》1994年第 12期第 13卷发表的〃Iterative point matching for registration of free-form curves and surfaces^一文中，提出一种通过修改KD树 来加快搜索最近点的方法，然而，建立类似KD树之类的空间检索结构需要消耗额外的空间 和时间，故只能在事先的预处理中进行，因此，仅适用于静态三维点云，而不适合动态三维 点云采集过程；再如，CN 103150747A中公开了一种基于拓扑特征的点云配准算法，其通过 提取点云的拓扑特征点（边界特征点和突出特征点）作为配准元素选择，建立点云间的联 系，然而，同样存在配准效率低，无法满足对连续获得的三维点云进行快速、即时配准的要 求。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提出一种三维点云的快速配准方法，其可以实现三维 点云的动态实时、快速配准，配准效率高。
[0005] 实现本发明所提供的配准方法的第一种具体技术方案如下： 一种三维点云的快速配准方法，包括以下步骤： (1) 获得三维参考点云A和待配准点云B ; (2) 建立参考点云A的投影坐标系，将参考点云A投影到二维平面上，得到二维点云A' ； (3) 基于Delaunay三角剖分算法,将点云A'剖分成若干个三角形，形成Delaunay三角 网； (4) 在参考点云A的投影坐标系中，将待配准点云B投影到所述二维平面上，得到二维 点云B' ； (5) 判断点云B'中的点是否落入所述三角形中，以此判别得到若干个落入点ο ; (6) 基于三角插值算法，计算出落入点〇与其所在三角形三个顶点之间的插值系数； (7) 利用所述插值系数，对所述三个顶点所对应的参考点云Α中的三个点进行坐标值 的插值计算，得到所述落入点〇在参考点云A中的对应点点q的坐标值；所述点q与所述落 入点〇在待配准点云B中的对应点点p构成点对<q n, ρη>, η彡1 ; (8) 计算出点对<qn，ρη>的最小刚体变换值Τ ; (9) 基于所述最小刚体变换值Τ，更新待配准点云Β中各点的坐标值，以使待配准点云 Β与参考点云Α相配准。
[0006] 其中，所述步骤（6)中，计算插值系数时，所采用的计算公式如下：
【权利要求】
1. 一种三维点云的快速配准方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 获得三维参考点云A和待配准点云B ; (2) 建立参考点云A的投影坐标系，将参考点云A投影到二维平面上，得到二维点云A' ； (3) 基于Delaunay三角剖分算法,将点云A'剖分成若干个三角形，形成Delaunay三角 网； (4) 在参考点云A的投影坐标系中，将待配准点云B投影到所述二维平面上，得到二维 点云B' ； (5) 判断点云B'中的点是否落入所述三角形中，以此判别得到若干个落入点〇 ; (6) 基于三角插值算法，计算出落入点〇与其所在三角形三个顶点之间的插值系数； (7) 利用所述插值系数，对所述三个顶点所对应的参考点云A中的三个点进行坐标值 的插值计算，得到所述落入点〇在参考点云A中的对应点点q的坐标值；所述点q与所述落 入点〇在待配准点云B中的对应点点p构成点对<q n, ρη>, η彡1 ; (8) 计算出点对<qn，ρη>的最小刚体变换值Τ ; (9) 基于所述最小刚体变换值Τ，更新待配准点云Β中各点的坐标值，以使待配准点云 Β与参考点云Α相配准。
2. 如权利要求1所述的一种三维点云的快速配准方法，其特征在于，所述步骤（6)中， 计算插值系数时，所采用的计算公式如下：
式中，（X(i，y〇)为所述落入点〇的坐标值；(χι，yi)、（χ2, y2)和（? y3)分别为所述落入点 0所在三角形三个顶点的坐标值；U、v、w为所述落入点〇依次对应（Xp y)、（x2, y2)、（x3, y3) 三个顶点的插值系数。
3. 如权利要求1或2所述的一种三维点云的快速配准方法，其特征在于，所述步骤（7) 中，插值计算点q的坐标值时，所采用的计算公式如下：
式中，久，Yd ZJ、（X2, Y2, Z2)和（X3, Y3, Z3)依次为所述（Xl，yi)、（x2, y2)、（x3, y3)三个顶 点所对应的参考点云A中的三个点的坐标值；(X，Y, Z)为所述落入点o在参考点云A中的 对应点点q的坐标值。
4. 如权利要求1所述的一种三维点云的快速配准方法，其特征在于，所述参考点云A和 待配准点云B为相互间有重叠部分的三维点云数据。
5. -种三维点云的快速配准方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 获得三维参考点云A和待配准点云B ;所述参考点云A中的点均带有同侧法向方向 值； (2) 建立参考点云A的投影坐标系，将参考点云A投影到二维平面上，得到二维点云A' ； (3) 基于Delaunay三角剖分算法,将点云A'剖分成若干个三角形，形成Delaunay三角 网； (4) 在参考点云A的投影坐标系中，将待配准点云B投影到所述二维平面上，得到二维 点云B' ； (5) 判断点云B'中的点是否落入所述三角形中，以此判别得到若干个落入点〇 ; (6) 基于三角插值算法，计算出落入点〇与其所在三角形三个顶点之间的插值系数； (7) 利用所述插值系数，分别对所述三个顶点所对应的参考点云A中的三个点进行坐 标值和法向方向值的插值计算，得到所述落入点〇在参考点云A中的对应点点q的坐标值 和法向方向值； (8) 基于所述点q的坐标值和法向方向值，确定出所述落入点〇在参考点云A中对应点 点q所处的平面S，以最终得到所述落入点〇在待配准点云B中的对应点点p与所述平面S 所构成点-面对<Pn，Sn>，η彡1 ; (9) 计算出点-面对<pn，Sn>的最小刚体变换值Τ ; (10) 基于所述最小刚体变换值Τ，更新待配准点云Β中各点的坐标值，以使待配准点云 Β与参考点云Α相配准。
6. 如权利要求5所述的一种三维点云的快速配准方法，其特征在于，所述步骤（6)中， 计算插值系数时，所采用的计算公式如下：
式中，（X(i，y〇)为所述落入点〇的坐标值；(χι，yi)、（χ2, y2)和（? y3)分别为所述落入点 0所在三角形三个顶点的坐标值；U、v、w为所述落入点〇依次对应（Xp y)、（x2, y2)、（x3, y3) 三个顶点的插值系数。
7. 如权利要求5或6所述的一种三维点云的快速配准方法，其特征在于，所述步骤（7) 中，插值计算点q的坐标值时，所采用的计算公式如下：
式中，久，Yd ZJ、（X2, Y2, Z2)和（X3, Y3, Z3)依次为所述（Xl，yi)、（x2, y2)、（x3, y3)三个顶 点所对应的参考点云A中的三个点的坐标值；(X，Y, Z)为所述落入点o在参考点云A中的 对应点点q的坐标值。
8. 如权利要求5或6或7所述的一种三维点云的快速配准方法，其特征在于，所述步骤 (7)中，插值计算点q的法向方向值时，所采用的计算公式如下：
式中
和
依次为所述（xP y)、（x2, y2)、（? h)三个顶点所对应的参考点云A 中的三个点的法向方向值
为所述落入点0在参考点云A中的对应点点q的法向方向值。
9. 如权利要求5所述的一种三维点云的快速配准方法，其特征在于，所述参考点云A和 待配准点云B为相互间有重叠部分的三维点云数据。
【文档编号】G06T15/00GK104217458SQ201410414462
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】刘晖 申请人:长沙中科院文化创意与科技产业研究院, 刘晖