专利名称：基于控制网的海量点云快速配准方法
技术领域：
本发明涉及测绘学、计算数学、计算机图形学及视觉技术领域的一种海量点云数据快速配准方法。在虚拟现实、数字城市、古建筑保护、点云数据处理、3D重建领域具有重要的应用价值。
背景技术：
利用三维激光扫描仪采集目标物体完整的形状信息须采用多站多视点扫描，然后将多站点云数据配准到同一坐标系中。因此，配准技术是三维扫描技术的关键技术之一，配准结果的好坏直接影响到后续的数据处理和三维建模的精度。点云的配准可分为基于特征的配准和无特征的配准无特征的配准就是直接利用原始数据进行配准，比较有代表性的就是ICP算法。1992年，计算机视觉研究者Besl和Mckay介绍了一种高层次的基于自由形态曲面的配准方法，也称为迭代最近点法ICP(Iterative Closest Point)。基于特征的配准是利用特征重名点进行配准，比较有代表性的方法是利用特征重名点计算出六个参数，即三个角度转换量Φ、ω、K，三个坐标平移量ΔΧ、ΔΥ、ΔΖ，按最小
二乘法原理平差求解。在实际应用中，采集的多视点云数据之间并不存在完全意义上的对应点，因此探讨基于特征的配准方法。
发明内容
本发明针对多视点散乱点云提出基于控制网的特征配准方法，配准算法采用基于控制网和球面靶标的方法，该方法能够将所有数据转换到所需的控制网坐标系下，能够满足诸如数字城市建设的特定需求，并采用基于M-估计的稳健标靶球定位方法拟合球靶标中心点，提高了配准模型的精度和效率。步骤一首先在目标周围设置控制网，建立统一坐标系；步骤二 利用扫描仪和全站仪分别采集球标靶公共点坐标，以此作为控制点来获取坐标系旋转和平移参数实现点云数据配准。球标靶为一个立体模型，布设方便，可在任意方向拟合提取其球心坐标；步骤三控制网下球体坐标的获取；步骤四采用基于M-估计的稳健球标靶定位方法拟合球靶标扫描仪坐标系下的坐标；步骤五利用全站仪实测的球标靶坐标(X，Y，Ζ)和标靶在当前扫描仪坐标系下的坐标(χ，y，Ζ)，将所有点云配准到控制网坐标系内。
图1全站仪测球心坐标
图2点云配准流程3配准前点云图4配准结果图5稳健球面拟合结果图
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明进一步说明。1方法概述针对多视点散乱点云数据提出基于控制网的特征配准方法，配准算法采用基于控制网和球面靶标的方法，首先在目标周围设置控制网，建立统一坐标系；然后利用扫描仪和全站仪分别采集球标靶公共点坐标，最终实现所有点云配准到控制网坐标系内。图二给出了整个点云配准算法的流程图。2数据采集2. 1控制网坐标系下球靶标坐标利用全站仪在球体水平方向及垂直方向瞄准球标靶的边缘，测出水平方位角Al，A2和天顶距Al、A2，取平均得到A和Z ；据此测出测站到表面中心的距离S’，然后根据Z和S’，求出球的半径r和测站至球标靶中心的斜距S，如图1所示。r = (S' +r)*sinZS = S' +r根据极坐标测定空间点位的公式可得球心的三维坐标为X = XA+S*sinZ*cosAY = YA+S*sinZ*sinAZ = ZA+S*cosZ2. 2基于M-估计的稳健球标靶拟合方法设ri为第i个数据的残差，M-估计将残差的平方和￥替换成另一个关于残差的
函数，使参数估计的目标函数成为
权利要求
1.基于控制网的海量点云快速配准方法，其特征在于，基于控制网的配准方法步骤包括步骤一采用全站仪在目标周围设置控制网，建立统一坐标系；步骤二 利用全站仪和扫描仪分别采集球标靶同名点坐标，以此作为控制点来获取坐标系旋转和平移参数实现点云数据配准；步骤三利用全站仪数据求取控制网下球体中心坐标；步骤四采用基于M-估计的稳健球标靶定位方法拟合扫描仪坐标系下球靶标的中心坐标；步骤五利用全站仪实测的球标靶坐标(X，Y，Z)和当前扫描仪坐标系下的坐标(X，y，ζ)，实现所有点云的配准。
2.按权利要求1所述方法，其特征在于，所述每个点的坐标，都是采用激光扫描仪产生的原始坐标。
3.按权利要求1所述方法，其特征在于，所述的控制网布设方法为全站仪与精密水准仪联合作业，全站仪测出每条边的长度及每个控制点上的内角，通过控制网平差得到各控制点坐标，利用水准仪测量高程控。
4.按权利要求1所述方法，其特征在于，利用全站仪测角及测距求取控制网下球体中心坐标，全站仪在球体水平及垂直方向瞄准球边缘，测出水平方位角A1, A2和天顶距Z1,Z2，取平均得到A和Ζ;据此测出测站到球表面中心的距离S'，然后根据Z和S'，求出球半径r = (S' +r)*sin Z和测站到球中心的斜距S = S' +r，则得球心三维坐标X =XA+S*sinZ*cosA, Y = YA+S*sinZ*sinA, Z = ZA+S*cosZ。
5.按权利要求1所述方法，其特征在于，所述基于M-估计拟合出球靶标中心坐标，其中拟合球面时需构造带权最小二乘问题，此最小二乘问题是球面点数据到球心的残差的绝对值，再乘以权函数的积的和的最小值问题。
6.按权利要求4所述的方法其特征在于，所述权函数，是以1Iri I < 1.5 σ^yf- 1-5 σ< |r,|< 2.5 σ为权值，σ是残差标准偏差。02.5 σ < \η |
7.按权利要求1所述方法，其特征在于，利用全站仪实测的球标靶坐标(X，Y，Ζ)和当前扫描仪坐标系下的坐标(X，y，Ζ)，解算七个转换参数Φ、ω、κ、ΔΧ、ΔΥ、ΔΖ、λ，考虑模型缩放因子为λ = 1，共需要六个参数，即三个角度转换量Φ、ω、Κ，三个坐标平移量ΔΧ、ΔΥ、Δ Ζ，按最小二乘法原理平差求解。
全文摘要
本发明涉及一种针对多视点散乱点云数据的基于控制网的球靶标特征配准方法，该方法利用全站仪及水准仪在目标周围布设控制网，通过计算球靶标同名点坐标，解算出每站六个转换参数，将所有数据转换到所需的控制网坐标系下，实现点云数据配准。本发明针对多视点点云数据，采用六参数配准方法同时实现不同设站的统一配准，速度快；利用球靶标进行配准，提高了配准模型的精度和效率；采用基于M-估计的球心拟合算法，具有较强的稳健性，且精度较高。方法中控制网的采用能够实现特定坐标系的转换，在数字城市、三维仿真、实物3D重建等领域具有重要的应用价值。
文档编号G01B11/24GK102393183SQ20111009849
公开日2012年3月28日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者冯文江, 张鸿飞, 程效军 申请人:冯文江, 张鸿飞, 程效军