一种基于p阶最大相关熵准则的点云配准方法及设备与流程

本技术涉及图像处理，尤其涉及一种基于p阶最大相关熵准则的点云配准方法及设备。

背景技术：

1、besl等人提出了基于迭代最近点(iterative closest point，icp)的三维点云刚体配准方法，该方法的求解过程如下：

2、对于给定的两个三维点云，即形状点云和模型点云icp算法的目的就是寻找形状点云和模型点云之间的最优空间变换r和t，使得两个待配准点云中的点在欧氏距离空间上对应起来。icp算法采用的相似性度量为最小平方距离(least square，ls)，其最小优化问题为：

3、

4、s.t.rtr＝i3,,det(r)＝1

5、优化模型(1)中有点云对应关系c和刚体变换t(包括旋转矩阵r和平移向量t)两个变量需要优化，icp算法采用交替迭代的方法同时求解这两个变量。初始化旋转矩阵r0和平移向量t0后，icp算法通过交替迭代的方式求解最优刚体变换，在每一步的迭代中，包括以下步骤：

6、步骤1：基于第k-1次的刚体变换(rk-1,tk-1)建立两个待配准点云之间的点对应关系

7、

8、步骤2：基于当前点云之间的点对应关系，计算两个点云和之间新的刚体变换r*和t*：

9、

10、然后更新第k步的刚体变换rk和tk：

11、rk＝r*rk-1，tk＝r*tk-1+t*                   (4)

12、步骤3：计算在刚体变换rk和tk下两点云之间均方误差(mean square error,mse)，对于所给定的均方误差阈值εmin，若εk≤nεim或迭代次数k达到给定阈值，则算法终止，否则继续进行迭代。

13、由于icp方法利用最小平方距离建立三维点云刚体配准优化模型(1)，而最小平方距离对于噪声和外点非常敏感，难以保证存在噪声和外点的三维点云配准精度。因此现有点云刚体配准方法对于存在噪声和外点的三维点云，其配准精度和鲁棒性较差。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种基于p阶最大相关熵准则的点云配准方法及设备，提出一种精确、鲁棒的三维点云刚体配准方法，以有效抑制噪声和外点对于点云配准精度的影响。

2、本技术实施例提供一种基于p阶最大相关熵准则的点云配准方法，包括：

3、输入形状点云和模型点云并初始化参数；

4、建立基于p阶最大相关熵准则的三维点云刚体配准优化模型，满足：

5、

6、s.t.rtr＝i3,det(r)＝1

7、其中，σ表示用来控制p阶最大相关熵准则核窗口的大小，p阶次函数用来控制p阶最大相关熵准则的陡峭程度；

8、计算刚体变换后的形状点云和模型点云的空间对应关系；

9、利用iwo算法求解刚体变换后的形状点云和模型点云之间最新的刚体变换r*和t*，并更新第k步刚体变换的旋转矩阵rk和平移向量tk；

10、迭代输出旋转矩阵和平移向量，以确定两个点云之间的最优刚体变换。

11、可选的，初始化参数包括：给定刚体变换后两个点云间均方误差最小值εmin、刚体配准最大迭代次数kmax、刚体变换的旋转矩阵初值r0和平移向量初值t0，并令当前迭代次数k＝1。

12、可选的，计算刚体变换后的形状点云和模型点云的空间对应关系包括：

13、使用delaunay三角化的最近点搜索算法，并根据第k-1步rk-1和tk-1的计算值，建立第k步两个点云的对应关系

14、可选的，利用iwo算法求解刚体变换后的形状点云和模型点云之间最新的刚体变换r*和t*，并更新第k步刚体变换的旋转矩阵rk和平移向量tk包括：

15、对于第k步迭代后更新的两个点云对应关系计算两个点云和之间的刚体变换，满足：

16、

17、其中，旋转矩阵r由横滚角φ、俯仰角θ和偏转角ψ三个rpy姿态角来描述，满足：

18、

19、可选的，利用iwo算法求解刚体变换后的形状点云和模型点云之间最新的刚体变换r*和t*，并更新第k步刚体变换的旋转矩阵rk和平移向量tk还包括：

20、给定解空间维数d、初始种群数m0和最大种群数mmax、单个杂草产生的最小种子数smin和最大种子数smax、最大迭代次数jmax、非线性调制指数p0、种子正态扩散的各维最小标准差σmin,i(i＝1,2,…,d)以及刚体变换可行解的取值范围[ρmin,ρmax]，将刚体变换的目标函数作为杂草的适应度函数，随机初始化由m0个杂草组成的原始种群其中每个杂草均由3个rpy姿态角和平移向量构成，即令iwo的当前迭代次数j＝1；

21、计算种群ωj中各个杂草a(a＝1,2,…,mj)产生的种子数

22、

23、计算种子正态随机扩散的各维标准差并对各种子在其父代杂草个体附近进行正态随机扩散，按照可行解的取值范围，对空间扩散后的各个种子进行箝位操作：

24、

25、计算第(j+1)次迭代中生成的种子总数若wj+1+mj≤mmax，则由种群ωj所有杂草及其后代组成第(j+1)次迭代后的种群ωj+1，并令mj+1＝wj+1+mj；否则，将种群ωj各个杂草及其后代按照适应度大小排序，将适应度最小的前mmax个个体组成种群ωj+1，并且令mj+1＝mmax；

26、迭代次数j增加1，若j≤jmax成立，则重复执行计算种群ωj中各个杂草a产生的种子数否则根据iwo算法第jmax次迭代后的种群中具有最小适应度的杂草位置作为获得两个点云和之间的刚体变换和

27、更新第k步的点云q和m的刚体变换rk和tk：

28、rk＝r*rk-1，tk＝r*tk-1+t*。

29、可选的，利用iwo算法求解刚体变换后的形状点云和模型点云之间最新的刚体变换r*和t*，并更新第k步刚体变换的旋转矩阵rk和平移向量tk还包括：

30、计算刚体变换rk和rk后两个点云间的均方误差

31、若εk≤εmin或k≥kmax成立，则算法迭代终止，输出；

32、否则迭代次数k增加1，重复计算刚体变换后的形状点云和模型点云的空间对应关系。

33、本技术实施例还提出一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的基于p阶最大相关熵准则的点云配准方法的步骤。

34、本技术实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的基于p阶最大相关熵准则的点云配准方法的步骤。

35、本技术实施例提出了一种精确、鲁棒的三维点云刚体配准方法，以有效抑制噪声和外点对于点云配准精度的影响。

36、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。