专利名称：一种多视点点云序列配准累计误差校正方法
技术领域：
本发明涉及一种多视点点云序列配准累计误差校正方法，属于遥感与测绘、计算 机视觉与模式识别技术领域急需解决的关键技术，适用于任何三维数字化仪获取的三维点 云序列数据。
背景技术：
三维点云配准中的累积误差校正一直是计算机视觉与模式识别、遥感与测绘领域 十分关注的问题。现有的累积误差校正方法多局限于相邻视点点云公共特征子点云几何中 心坐标的校正，难以还原点云序列生成过程中产生的角度误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题克服现有技术的不足，提供一种多视点点云序列配准 累计误差校正方法。该方法从开环点云序列首、尾二图的公共特征部分入手，通过测量代表 点云序列累积误差的四元数旋转矩阵并将其分解、重组，获得应用于各个点云的平差校正 矩阵。利用此矩阵，按照角度校正、平移校正的顺序消除点云序列的开环配准累积误差。该 方法计算速度快、结果可靠，适合任何三维数字化仪器获取的环状三维点云序列误差消除 工作。本发明采用的技术方案一种多视点点云序列配准累计误差校正方法，其特征在 于(1)在环状点云序列中，对首、尾二位置点云进行基于特征子点云的配准操作，获 取旋转校正矩阵。本发明采用基于点云形状的相邻视点点云配准算法，手动选取首、尾二图 特征子点云用于配准。最终的旋转校正矩阵以四元数旋转矩阵的形式表示。(2)分解步骤(1)中获得的四元数旋转矩阵，求解动点云向静点云校正过程中所 使用的旋转轴矢量(a，b，c)、旋转角θ。而后，按照点云序列中的点云数量η，获得每个点 云的角度修正量θ/(η-1)，并将此量与原旋转轴矢量(a，b，c)相结合，生成新的平差校正 四元数旋转矩阵。(3)针对点云序列中除第一幅点云外的其他点云，以其加入点云序列的顺序为依 据，依次使用平差校正四元数旋转矩阵进行角度校正。在每一幅点云的校正过程中，其后加 入的点云(序列)作为当前校正点云的一部分，同时参与校正。(4)测量角度校正后的点云序列中首图与尾图公共特征子点云几何中心的距离 (Δχ, Δγ, Δζ)，并依照步骤(2)中分解旋转角的方法，生成每个点云的位移修正量(Δχ/ (η-1), ΔΥ/(η-1), Δζ/(η-1))。针对点云序列中除第一幅点云外的其他点云，以其加入点 云序列的顺序为依据，依次利用上述位移修正量进行平移校正。在每一幅点云的校正过程 中，其后加入的点云(序列)作为当前校正点云的一部分，同时参与校正。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明从点云序列首、尾二图配准过程中所产生的四元数校正矩阵入手，通过简单的反解运算获取平差校正矩阵的变量，为点云序列累积误差校正问题提供了一种低运 算量的解决方法。(2)本发明按照角度校正、平移校正的顺序完成点云序列的整体校正，充分考虑了 开环点云序列中所有可能存在的误差类型，提高了校正精度。
图1为本发明的方法实现流程图；图2为本发明中用于生成点云序列的3幅点云A、B、C ；图3为本发明中点云序列的理想配准结果；图4为本发明中点云序列的实际配准结果；图5为本发明中B、C点云序列完成角度校正后的结果；图6为本发明中C点云完成角度校正后的结果；图7为本发明中B、C点云序列完成平移校正后的结果；图8为本发明中C点云完成平移校正后的最终结果。
具体实施例方式如图1所示，本发明包含以下几个计算步骤累积误差测量、求解平差校正量、角 度校正及平移校正。累积误差测量环节负责采取开环点云序列累积误差，并以四元数旋转 矩阵形式存储；求解平差校正量环节负责对上一步中采集的四元数旋转矩阵进行分解，并 利用分解得到的旋转轴矢量、旋转角、点云序列中的图数量等参数生成用于角度校正的四 元数平差校正矩阵；角度校正环节中，点云序列中各个点云及该点云之后所有点云所形成 的子点云序列分别利用平差校正矩阵进行角度校正；平移校正在角度校正的基础上测量点 云序列首、尾二图公共特征点云几何中心点位移差，并将其平均分配至各个配准环节中。具 体步骤如下现有用于配准的点云A、B、C，如图2所示。其中，每幅点云中用于相邻视点点云配 准的首、尾公共特征点云几何中心点分别记为Al、A2、B1、B2、Cl、C2。点云A是加入点云序 列的第一幅图，故定义为该序列的基准点云。假设该点云序列的理想配准结果如图3所示， 实际配准结果如图4所示。可见，由于A — B及B — C两步配准中产生了累积误差，故实际配准结果与理想结 果产生较大差异。这里通过累积误差测量、求解平差校正量、角度校正、平移校正等4步完 成开环点云序列累积误差的消除。(1)累积误差测量对于任何开环配准得到的点云序列而言，累积误差会全部表现在最新加入序列的 点云位置误差上。如果此点云与序列首位的点云存在公共特征区域，就可通过序列首、尾二 点云配准来得到累积误差的精确值。基于公共特征子点云的相邻视点点云配准方法很多， 在这里我们采用基于点云形状的相邻视点点云配准方法，得到使用四元数旋转矩阵表示的 开环累积误差，如公式(1)所示
权利要求
一种多视点点云序列配准累计误差校正方法，其特征在于步骤如下(1)在环状点云序列中，对首、尾二位置点云进行基于特征子点云的配准操作，获取旋转校正矩阵；所述首、尾二位置子点云采用基于点云形状的相邻视点点云配准算法手动选取；所述旋转校正矩阵以四元数旋转矩阵的形式表示；(2)分解步骤(1)中获得的四元数旋转矩阵，求解序列末位点云向序列首位点云校正过程中所使用的旋转轴矢量(α，b，c)、旋转角θ；按照点云序列中的点云数量n，获得每个点云的角度修正量θ/(n 1)，并将所述角度修正量与所述旋转轴矢量(a，b，c)相结合，生成新的平差校正四元数旋转矩阵；(3)针对点云序列中除首位点云外的其他点云，以其加入点云序列的顺序为依据，依次使用步骤(2)中生成的平差校正四元数旋转矩阵进行角度校正；在每一幅点云的校正过程中，其后加入的点云或点云序列作为当前校正点云的一部分，同时参与校正；(4)测量角度校正后的点云序列中首图与尾图公共特征子点云几何中心的距离(Δx，Δy，Δz)，并依照步骤(2)中分解四元数旋转矩阵并求解旋转角的方法，生成每个点云的位移修正量(Δx/(n 1)，Δy/(n 1)，Δz/(n 1))；针对点云序列中除第一幅点云外的其他点云，以其加入点云序列的顺序为依据，依次利用上述位移修正量进行平移校正；在每一幅点云的校正过程中，其后加入的点云或点云序列作为当前校正点云的一部分，同时参与校正。
全文摘要
一种多视点点云序列配准累计误差校正方法包括累积误差测量、求解平差校正量、角度校正及平移校正。累积误差测量环节负责采集开环点云序列累积误差，并以四元数旋转矩阵形式存储；求解平差校正量环节负责对上一步中采集的四元数旋转矩阵进行分解，并利用分解得到的旋转轴矢量、旋转角、点云序列中的图数量等参数生成用于角度校正的四元数平差校正矩阵；角度校正环节中，点云序列中各个点云及该点云之后所有点云所形成的子点云序列分别利用平差校正矩阵进行角度校正；平移校正在角度校正的基础上测量点云序列首、尾二图公共特征点云几何中心点位移差，并将其平均分配至各个配准环节中。
文档编号G06T7/00GK101937564SQ20101025639
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月17日 优先权日2010年8月17日
发明者刘思诚, 张爱武, 朱林林, 胡少兴 申请人:北京航空航天大学