颅骨点云模型的局部特征配准方法

目的 点云配准是计算机视觉领域里的一个研究热点,其应用领域涉及3维重建、目标识别、颅面复原等多个方面。颅骨配准是颅面复原的一个重要步骤,其配准的正确与否将直接影响到颅面复原的结果。为了提高颅骨配准的精度和收敛速度,提出一种基于局部特征的颅骨点云模型配准方法。方法 首先提取颅骨点云模型的局部深度、法线偏角和点云密度等局部特征;然后计算局部特征点集的相关性,得到相关候选点集,并通过删减外点实现颅骨点云的粗配准;最后采用基于高斯概率模型和动态迭代系数的改进迭代最近点 （ICP） 算法实现颅骨的细配准。结果 通过对公共点云数据模型以及颅骨点云数据模型分别进行配准实验,结果表明,基于局部特征的点云配准算法可以完成点云模型的精确配准,特别是对颅骨点云模型具有较好的配准效果。在颅骨细配准阶段,跟ICP算法相比,改进ICP算法的配准精度和收敛速度分别提高了约30%和60%;跟概率迭代最近点 （PCP） 算法相比,其配准精度差异不大,收敛速度提高了约50%。结论 基于局部特征的点云配准算法不仅可以用于公共点云数据模型的精确配准,而且更适用于颅骨点云数据模型的配准,是一种精度高、速度快的颅骨点云模型配准方法。     

面向RGBD深度数据的快速点云配准方法

目的 真实物体的3维重建一直是计算机图形学、机器视觉等领域的研究热点。针对基于RGBD数据的非匀速非固定角度旋转物体的3维重建问题,提出一种利用旋转平台重建物体3维模型的配准方法。方法 首先通过Kinect采集位于旋转平台上目标物的深度数据和颜色数据,对齐融合并使用包围盒算法去除背景噪声和不需要的外部点云,获得带有颜色信息的点云数据。并使用基于标定物不同角度上的点云数据标定出旋转平台中心轴的位置,从而获得Kinect与旋转平台之间的相对关系;然后通过曲率特征对目标点云进行特征点提取并寻找与相邻点云的对应点;其中对于特征点的选取,首先针对点云中的任意一点利用kd-tree搜寻其k个邻近点,对这些点进行曲面拟合,进而计算其高斯曲率,将高斯曲率绝对值较大的n个点作为点云的特征点。n的取值由点云的点个数、点密度和复杂度决定,具体表现为能反映物体的大致轮廓或表面特征信息即可。对于对应点的选取,考虑到欧氏距离并不能较好反映点云中的点对在旋转过程中的对应关系,在实际配准中,往往会因为点云重叠或距离过远等原因找到大量错误的对应点。由于目标物在扫描过程中仅绕旋转轴进行旋转,因此采用圆弧最小距离寻找对应点可有效减少错误点对。随后,使用二分迭代寻找绕中心轴的最优旋转角度以满足点云间的匹配误差最小;最后,将任意角度获取的点云数据配准到统一的坐标系下并重建模型。结果 使用斯坦福大学点云数据库和自采集数据库分别对该方法和已有方法在算法效率和配准结果上进行对比实验,实验结果显示在拥有平均75 000个采样点的斯坦福大学点云数据库上与传统ICP算法和改进ICP算法相比,迭代次数分别平均减少86.5%、57.5%,算法运行时间分别平均减少87%、60.75%,欧氏距离误差平方和分别平均减少70%、22%;在具有平均57000个采样点的自采集点云数据库上与传统ICP算法和改进ICP算法相比,迭代次数分别平均减少94%、75%,算法运行时间分别平均减少92%、69%,欧氏距离误差平方和分别平均减少61.5%、30.6%;实验结果显示使用该方法进行点云配准效率较高且配准误差更小;和KinectFusion算法相比在纹理细节保留上也表现出较好的效果。结论 本文提出的基于旋转平台标定的点云配准算法,利用二分迭代算法能够有效降低算法复杂度。与典型ICP和改进的ICP算法的对比实验也表明了本文算法的有效性。另外,与其他方法在具有纹理的点云配准对比实验中也验证了本文配准方法的优越性。该方法仅采用单个Kinect即可实现对非匀速非固定角度旋转物体的3维建模,方便实用,适用于简单快速的3维重建应用场合。     

结合尺度不变特征的Super 4PCS点云配准方法

点云配准是三维模型重建中的关键步骤。针对传统初配准方法效率低等问题,提出一种结合点云特征的超四点快速鲁棒匹配算法(super four point fast robust matching algorithm,Super 4PCS)。首先对点云数据进行尺度不变特征提取,凸显点云的局部特征;然后把提取的特征点作为Super 4PCS算法的初始值,以便实现源点云与目标点云的初配准;最后在初配准的基础上利用最近点迭代(ICP)算法进行精确配准。通过斯坦福兔子点云及实测点云数据对比分析,表明该算法具有更好的配准性能。     

基于区域分割的低覆盖点云配准算法

针对低覆盖点云配准的时间复杂度高、收敛速度缓慢以及对应点匹配易错等问题,提出一种基于区域分割的点云配准算法。首先,利用体积积分不变量计算点云上点的凹凸性,并提取凹凸特征点集;然后,采用基于混合流形谱聚类的分割算法对特征点集进行区域分割,并采用基于奇异值分解（SVD）的迭代最近点（ICP）算法对区域进行配准,从而实现点云的精确配准。实验结果表明,所提算法通过区域分割可以大幅提高点云区域的覆盖率,并且无需迭代即可计算刚体变换的最佳旋转矩阵,其配准精度比已有算法提高了10%以上,配准时间降低了20%以上。因此,所提算法是一种精度高、速度快的低覆盖点云配准算法。     

加入迭代因子的层次化颅骨配准方法

目的 在基于知识的颅面复原中,为了对未知颅骨的面貌进行复原,需要在颅骨库里寻找相似颅骨,将相似颅骨的面皮作为参考。寻找相似颅骨的过程即颅骨配准,配准的精度和效率是两个重要性能指标。本文提出一种基于特征区域和改进ICP（iterative closest point）算法的层次化颅骨配准方法。方法 首先,将颅骨模型去噪、简化并归一化,通过计算体积积分不变量,确定每个点的凹凸性;使用K-means方法,将颅骨上的点聚类为多个或凹或凸的特征区域。然后,通过主成分分析法来计算两个颅骨的相似特征区域,对每一个可能的匹配计算3维变换,将两个颅骨粗略对齐;最后,采用加入迭代因子的方法对ICP算法进行改进,使用改进的ICP算法对颅骨进行精配准。结果 将本文方法用于颅骨模型、兵马俑模型以及公共数据集中的3维模型配准,经典ICP算法的配准时间分别为6.23 s、7.61 s、4.17 s,改进的ICP算法配准时间分别为3.02 s、3.23 s、2.83 s,算法效率提高了约2倍,配准效果也有明显提高。实验中通过对迭代因子的测试,发现不同的数据集需要设定不同的迭代因子。结论 本文所提出的基于区域特征的层次化配准方法提高了颅骨配准的精度和效率,整个过程不需要人工干预,该算法具有一定的普适性,可用于相似3维模型配准。     

面向三维重建的自适应列文伯格-马夸尔特点云配准方法

针对三维重建时点云配准过程易受环境噪声、点云曝光、光照、物体遮挡等因素的影响,以及传统ICP配准算法配准精度低、耗时长等问题,提出一种基于自适应列文伯格-马夸尔特迭代式的点云配准方法。首先,对初始点云数据采用统计滤波和体素栅格滤波相结合的方式进行降噪预处理;然后,对滤波后的点云进行分层,剔除位于层外的外点数据,以提高后续点云配准的精度;针对传统点云特征描述方法计算量大的问题,使用平滑度参数提取点云特征,以提升点云配准的效率;最后,根据点云特征建立帧间点到线及点到面的约束关系,采用改进的列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt)方法完成点云配准,构建较理想的三维重建模型。实验结果表明,提出的点云配准方法适用于室内及室外场景的三维重建,环境适应性强,且点云配准精度和效率都有较大提升。     

基于曲率信息的人工蜂群点云配准算法

针对仅使用群智能优化算法及点云空间信息进行点云配准时,优化过程寻找两片点云对应点耗时较长,收敛速度较慢的缺点,提出一种基于曲率信息的人工蜂群点云配准算法。算法根据曲率信息提取特征点,通过改进人工蜂群算法优化目标函数得到可以使两片点云重合的最佳变换矩阵。在种群优化过程中根据曲率信息约束对应点寻找范围,缩小参与计算点云的规模。对比实验表明,与仅采用随机选点方法和使用点云空间坐标信息的配准算法等相比,所提出算法可以在不降低配准精度的同时,有效加快配准收敛速度,显著缩短点云配准所用时间。     

基于局部特征的点云配准算法

针对覆盖率较低的点云,提出一种基于局部特征的点云配准算法。首先提取点云 的局部深度、法线偏角和点云密度等局部特征,得到局部特征描述子;然后计算局部特征集的 相关性,得到相关候选点集;再次通过删减外点达到点云粗配准的目的;最后采用基于旋转角 约束和动态迭代系数的改进迭代最近点(ICP)算法,实现点云的细配准。实验结果表明,基于局 部特征的点云配准算法可以实现覆盖率较低点云的精确配准,是一种精度高、速度快的点云配 准算法。     

一种高程相关的机载LiDAR点云配准方法

针对现有配准方法难以提取大范围机载LiDAR点云特征信息的问题,提出了一种基于2片待配准机载LiDAR点云高程数据相关的点云自动配准方法。首先,将待配准点一定范围内的点云拟合局部曲面;然后,在另一点云片中确定搜索区域,利用拟合结果求解搜索区域内的点云在拟合曲面上的高程;最后,通过计算拟合高程与实际高程的相关系数,选择搜索区域内相关系数最大位置作为配准的关键点参与点云配准,反复迭代直到完成配准。文章用实际采集的机载LiDAR数据进行了实验分析,并与传统的ICP算法进行了对比。实验结果表明,该方法在配准精度上能达到较高的水准,能够满足机载LiDAR点云配准的要求。     

基于3D-SIFT与4PCS融合的大数据量点云快速配准方法

测量点云与模型点云的配准是视觉定位的关键。针对测量点云数据量大且与CAD模型点云重叠率低造成视觉定位精度差、算法效率低的问题,提出一种基于三维尺度不变特征变换（3D-SIFT）与4点快速鲁棒匹配算法（4PCS）融合的测量点云与模型点云配准方法。首先利用深度相机对零件进行点云提取并对提取到的测量点云进行降噪和滤波处理;接着利用3D-SIFT特征点提取算法对测量点云和CAD模型点云进行特征点提取;最后把提取的特征点作为4PCS算法的初始值进行2种点云数据的配准。与常用的4PCS算法、Super-4PCS算法相比,在算法仿真与实际应用实验结果表明,本文算法在保证配准精度的前提下将配准速度提高30%以上。     

基于Kinect的改进移动机器人视觉SLAM

针对传统ICP（iterative closest points,迭代最近点算法）存在易陷入局部最优、匹配误差大等问题,提出了一种新的欧氏距离和角度阈值双重限制方法,并在此基础上构建了基于Kinect的室内移动机器人RGB-D SLAM（simultaneous localization and mapping）系统。首先,使用Kinect获取室内环境的彩色信息和深度信息,通过图像特征提取与匹配,结合相机内参与像素点深度值,建立三维点云对应关系;然后,利用RANSAC（random sample consensus）算法剔除外点,完成点云的初匹配;采用改进的点云配准算法完成点云的精匹配;最后,在关键帧选取中引入权重,结合g2o（general graph optimization）算法对机器人位姿进行优化。实验证明该方法的有效性与可行性,提高了三维点云地图的精度,并估计出了机器人运行轨迹。     

基于特征相似性的RGBD点云配准

三维点云数据的配准是计算机视觉领域的重要研究课题,也是三维重建的关键步 骤。针对 RGBD 点云数据的配准问题,提出一种基于特征相似性的初始配准方法。首先需要计 算待配准的 RGBD 点云模型的曲率和颜色特征度(CFD),并对 CFD 进行统计分析,若模型颜色 特征足够丰富优先采用颜色相似性策略,反之尝试曲率相似性策略。通过特征点提取精简点云 模型,利用确定的对应点选择策略选择候选对应点对。在候选对应点对上采用优化样本一致性 算法获得初始配准变换矩阵,实现两片点云的初始配准。针对不同颜色纹理的 RGBD 点云模型, 本文方法可以自适应选择合适的特征点选择策略,实现点云间良好的初始配准。实验结果表明, 对于几何特征不明显的 RGBD 模型,本文方法能够自适应选择颜色相似性策略来较好地完成初 始配准。对于不同类型的模型配准结果较好,算法效率更高。     

使用霍夫变换的3维点云拼合算法

目的 直接基于点云数据本身的拼合算法对点云模型的位置和重叠度有着较高的要求。为了克服这种缺陷,提出一种针对散乱点云的分步拼合算法。方法 不同于大多数已有的基于曲率信息的拼合算法,本文算法包含了一个序贯式的匹配点对筛选过程和一个基于霍夫变换的坐标变换参数估计过程。在筛选过程中,首先利用曲率相似度确定点云数据之间的初始匹配关系,然后利用刚体不变量特征邻域标识相似度以及持续特征直方图相似度对初始匹配点对进行连续两次筛选以便得到更为精确的匹配点对集。在参数估计阶段,通过对匹配点对的旋转矩阵和平移矢量的参数化处理,利用霍夫变换消除错误匹配点对对坐标变换参数估计的影响,从而得到更加准确的坐标变换参数,实现点云的3维拼合。结果 利用本文算法对两片部分重叠的点云数据进行了拼接实验。实验结果表明,本文算法能很好地实现对部分重叠点云的拼合。由于霍夫变换的引入,本文算法相较于经典的Ransac算法具有更高的正确率、稳定性以及抗噪性,在运行速度上也具有一定的优越性。结论 本文算法不仅能适用于任何具有任意初始相对位置的部分重叠点云的拼接,而且可以取得很高的拼合精度和很好的噪声鲁棒性。     

单Kinect+回转台的全视角三维重建

为了解决当前全视角三维扫描系统价格昂贵操作复杂的问题,提出利用1台Kinect和1个回转台来构建全视角三维模型的方法。研究涉及点云预处理、点云配准、全局误差修正以及色差修正等技术。首先使用Kinect采集数据并预处理,结合转台约束利用图像几何特征进行粗配准,随后使用迭代最近点（Iterative closest point,ICP）算法实现点云的精确配准。对于累积误差导致的闭环问题以及不同角度拍摄引起的色差问题,通过全局误差修正与色差修正算法处理,提升重建结果的精度。实验结果表明：该方法可以实现三维物体的全视角重建,并在精度上优于微软的KinectFusion方法。     

基于特征点和改进ICP的三维点云数据配准算法

在光学非接触三维测量中,复杂对象的重构需要多组测量数据的配准。最近点迭代(ICP)算法是三维激光扫描数据处理中点云数据配准的一种经典的数学方法,为了获得更好的配准结果,在ICP算法的基础之上,提出了结合基于特征点的等曲率预配准方法和邻近搜索ICP改进算法的精细配准,自动进行点云数据配准的算法,经对牙齿点云模型实验发现,点云数据量越大,算法的配准速度优势越明显,采用ICP算法的运行时间(194.58 s)远大于本算法的运行时间(89.13 s)。应用实例表明:该算法具有速度快、精度高的特点,算法效果良好。     

Multi-View Point Clouds Registration without Feature Extraction for Use in Reverse Engineering of CAD Models

For reverse engineering a CAD model, it is necessary to integrate measured points from several views of an object into a common reference frame. Given a rough initial alignment of point cloud in different views with point-normal method, further refinement is achieved by using an improved iterative closest point (ICP) algorithm. Compared with other methods used for mult-view registration, this approach is automatic because no geometric feature, such as line, plane or sphere needs to be extracted from the original point cloud manually. A good initial alignment can be acquired automatically and the registration accuracy and efficiency is proven better than the normal point-point ICP algorithm both experimentally and theoretically.     

基于特征提取的点云自动配准优化研究

针对三维点云自动配准精度不高、鲁棒性不强等问题,提出一种基于判断点云邻域法向量夹角的自动配准算法。该算法首先计算点云中每个点的法向量与邻域点集的法向量夹角的余弦值,然后把邻域各点的余弦值作为该点的属性特征向量,进行特征分类提取特征点,根据几何特征的相似性初步搜索匹配点对,并采用欧式距离约束条件剔除匹配错误的点对;运用最小二乘法计算初始配准参数,再通过改进的迭代最近点（Iterative Closest Point,ICP）算法进行精匹配。实验证明,该算法相对于经典的ICP算法无论收敛速度还是匹配精度上都有提升。     

Geometry-Aware ICP for Scene Reconstruction from RGB-D Camera

The Iterative Closest Point (ICP) scheme has been widely used for the registration of surfaces and point clouds. However, when working on depth image sequences where there are large geometric planes with small (or even without) details, existing ICP algorithms are prone to tangential drifting and erroneous rotational estimations due to input device errors. In this paper, we propose a novel ICP algorithm that aims to overcome such drawbacks, and provides significantly stabler registration estimation for simultaneous localization and mapping (SLAM) tasks on RGB-D camera inputs. In our approach, the tangential drifting and the rotational estimation error are reduced by: 1) updating the conventional Euclidean distance term with the local geometry information, and 2) introducing a new camera stabilization term that prevents improper camera movement in the calculation. Our approach is simple, fast, effective, and is readily integratable with previous ICP algorithms. We test our new method with the TUM RGB-D SLAM dataset on state-of-the-art real-time 3D dense reconstruction platforms, i.e., ElasticFusion and Kintinuous. Experiments show that our new strategy outperforms all previous ones on various RGB-D data sequences under different combinations of registration systems and solutions.