邻域多维度特征点结合相关熵的点云配准北大核心CSCD

针对传统点云配准中存在配准精度低、耗时长的问题,提出一种邻域多维度特征点结合相关熵模型的点云配准方法。首先根据邻域点的加权投影信息、表面曲率和法向量夹角提取特征点;其次用二值化的方向直方图描述子(B-SHOT)进行特征描述与匹配,然后利用刚性距离约束剔除误匹配,并通过随机采样一致性算法获取初始变换矩阵;在精配准阶段,以点到面的距离为准则双向搜索对应点,并通过多种几何特征约束剔除误匹配点对,最后迭代最大相关熵模型的目标误差函数完成精配准。实验结果表明,本文算法比迭代最近点算法(ICP)的配准精度提高了15%~97%、配准效率提高了约90%。     

基于ISS-3DSC的NDT三维点云配准算法研究

工件形貌的三维扫描需求在车间自动化装备中越来越多,其中点云配准作为三维数据处理的重要步骤。现有三维点云配准存在特征点对误配、配准时间长、配准精度差等问题,提出了一种基于内部形状描述子-三维形状上下文特征(ISS-3DSC)的NDT三维点云配准算法。首先通过内部形状描述子(ISS)算法提取三维点云关键点,提高配准效率;然后结合三维形状上下文特征(3DSC)进行关键点的特征描述,并根据特征点对中值距离法剔除错误点对,采用SVD分解计算初始变换矩阵;最后使用NDT算法完成精配准。测试实验结果表明：算法在鞋面、鞋底点云数据配准时的精度可达到0.025 cm,相比传统SAC-IA+NDT算法配准效率提升明显,具有一定的工程应用价值。     

局部距离优化的点云配准算法

为了降低多视觉点云配准过程中易产生的误匹配等问题,提高配准效率,提出一种加权距离均值的关键点提取算法。以点云表面某点为中心,计算邻近点到中心点处切平面的加权距离均值,以此筛选出具有局部特征信息差异的关键点;选择快速点特征直方图(Point Features Histograms, FPFH)作为关键点的特征描述子;在匹配对应点对方面,采用一种基于邻近匹配对欧氏距离相对一致性的对应关系查找策略,结合随机抽样一致性(Sample Consensus Initial Alignment, RANSAC)算法确定对应点集,得到最优初始变换矩阵完成粗配准;最后使用迭代最近点(Iterative Closest Point, ICP)算法进行精配准。实验结果表明,所提算法在有效提取关键点的基础上提高了对应关系的准确性,较好的初始位姿使得ICP算法最终的收敛速度与传统点云配准算法相比平均提高了约47.75%,具有较好的配准效果。     

基于改进三维形状上下文的点云配准

针对目前常用配准算法不能满足生产制造行业中高精度工艺要求的问题,本文基于三维点云提出一种改进三维形状上下文（3DSC）点云配准的有效解决方案。首先,通过改进的降采样方式设定阈值采集轮廓点云,对采集的点云依次进行三维网格划分形成形状上下文。然后,进行改进的3DSC初始配准,进而采用迭代最近点（ICP）精确配准,实现了源点云与目标点云之间的旋转平移变换。为验证改进算法的有效性,采用FPFH-ICP、PFH-ICP、传统3DSC和本文改进算法进行配准实验对比。实验结果表明,对于bunny点云和flowerpot点云,本文改进算法精度分别可达2.253 55e-05 m和9.969 02e-06 m,明显优于其他算法的配准精度。与传统3DSC配准算法相比,改进的3DSC配准算法可节省75%～85%的配准时间。改进的3DSC点云配准方法有利于提高配准精度且能优化配准时间,提高了配准效率。     

融合特征点提取的三维点云配准方法

为了改进传统迭代最近点云配准方法配准精度低,需要较好的初始输入变换矩阵等问题,提出一种基于分块思想结合点云平面拟合提取特征点的改进型点云配准方法。首先,对点云进行分块,结合随机采样一致性定理进行块状点云的平面拟合和特征点提取。其次,采用快速点对直方图来描述点云特征,利用采样一致性配准算法进行初始配准,为精配准奠定良好的基础。精配准通过K-D树改进加速迭代最近点算法,实现点云的整体配准。试验结果表明,所提出的点云配准方法在两种测试集上相较于传统最近迭代点方法,在配准精度上提升89.23%和31.45%,相较于其他点云配准方法,提出的方法也有一定的优势。     

基于KDTree改进的Super 4PCS+ICP算法在点云配准中的应用研究北大核心CSCD

在点云配准过程中,为了提高点云的配准精度,针对ICP算法对于初始位姿的局限性,对点云数据进行Super4PCS+ICP的“先粗后精”处理。首先利用KDTree树搜索对应点,用局部区域的特征度确定特征点集,再使用Super4PCS算法实现粗配准。针对精配准提出KDTree树来加快速度,SVD求解对应点参数、常数为1的加权平均、求解误差函数等手段来实现对ICP算法的改进,并求出刚体变换后的旋转平移矩阵,提高点云配准精度。实验表明,相较于传统ICP算法,本文方法的配准精度有了显著的提升。本文研究的方法可为点云配准的深入研究提供一定的参考。     

一种多模式融合的激光点云配准算法

针对经典迭代最邻近点(iterative closest point,ICP)算法在三维激光点云配准领域内,存在收敛速度慢、配准误差大、配准效率低的问题,提出了一种基于法向量夹角特征和边界旋转角相融合的改进ICP算法。利用点云区域层划分将点云分成若干独立单元方格,搜寻方格的法向量夹角特征关键点,结合点面曲率对应关系形成初始匹配点对,随后引入距离约束函数,估算边界旋转角和相关动态迭代系数,自动优化刚性变换参数。实验结果表明,与传统ICP算法相比,改进后的算法配准误差降至0.3%以下,配准时间减少50%以上,有效提升点云配准效率。     

基于Kinect传感器的三维点云配准优化

针对目前三维点云配准中传统ICP(Iterative Closest Point)算法存在的速度慢、精度低的问题。采用微软Kinect2.0深度传感器从真实的场景中获取目标物体的点云数据,通过点云分割、滤波、下采样等预处理工作,确保点云配准质量。在点云的粗配准中,使用特征点采样一致性算法,使点云获得更好的初始位置,为精配准创造了良好的初始条件。在点云的精配准中,提出一种利用线性最小二乘法优化的点到面ICP算法。实验结果表明,改进后算法的均方根误差为0.788 mm,时间为56.31 ms。与基于尺度不变特征变换的ICP算法和特征点采样一致性改进ICP算法相比,改进后的算法配准精度分别提高了30.9%和33.6%,速度提高了18.9%和32.1%。     

面向狭窄场景的鲁棒多视角配准方法

多视角点云配准是逆向工程中的关键步骤之一,具有重要的研究意义和工程应用价值。而对于狭窄场景(如口腔或机械结构内部)获取的点云数据,多视角配准算法的精度直接影响重建精度的好坏。为了提升狭窄场景多视角点云配准的速度和鲁棒性,提出一种基于位姿图优化的增量式多视角点云配准方法。首先针对相邻视角的点云,结合迭代最近点法(ICP)和基于特征的配准方法,提出一种多策略融合的成对点云配准算法,用于求解相邻视角点云的配准结果;然后在增量式相邻视角点云配准的基础上,进一步提出一种基于距离约束的回环检测方法,并依据相邻视角点云的配准结果和回环检测的结果构建位姿图;最后采用实时优化策略对位姿图进行优化,消除累计误差,实现鲁棒的多视角配准。实验结果表明,提出的多策略融合配准算法和基于距离约束的回环检测方法是有效的。经典ICP算法和基于FPFH特征的配准算法在实验中存在失效的现象,而提出的多策略融合配准算法并无失效。基于距离筛选的回环检测方法较常规的回环检测方法效率提高。提出的多视角配准算法在配准牙齿模型数据时精度可达到0.0357 mm。为了验证算法的普适性,采用多个狭窄场景下连续采集的模型点云进行验证,结果表明:提出的算法取得了不错的效果,表明该方法是一种有效的狭窄场景多视角配准方法。     

基于几何代数的SVS-NLMS点云配准算法

针对欧氏空间点云配准方法匹配精度低、计算成本大、收敛速度慢等问题,利用几何代数对于高维空间的表达能力,提出一种基于几何代数的点云配准算法。首先,将点云数据转化为几何代数形式,基于几何代数的rotor转子,给出了几何代数空间点云配准的代价函数。其次,结合归一化最小均方算法,将求解rotor转子模拟为信号滤波问题,在几何代数空间基于最速下降法构建rotor转子迭代公式,使每次迭代计算仅使用一对匹配点对而不是全部点对。迭代计算得到的转子可用于任意维度的旋转估计问题,从而将三维点云逐步旋转配准。最后,为进一步解决收敛速度与稳态误差之间的冲突,利用Sigmoid函数给出了一种变步长的rotor转子迭代公式,在加快收敛速度的同时降低稳态误差。采用模型数据集与公共数据集验证所提算法的配准性能,与经典迭代最近点算法相比,模型数据集的配准精度由10?2提升至10?8数量级,公共数据集的配准精度提升35%,所提算法收敛速度更快,配准精度更高,且具有较低的稳态误差。     

基于Frobenius范数奇异值分解的快速ICP算法

迭代最近点法(ICP)及其变体是三维点云刚性配准的典型方法,但此类通过迭代计算逐点距离矩阵实现点云配准的方式,严重制约了点云的配准效率。本文提出一种快速ICP算法,利用Frobenius范数表示待配准的两幅点云之间的误差函数,获得误差值最小点位置,并对此位置进行奇异值分解,从而得到旋转矩阵和平移向量,极大压缩了迭代次数和配准时间。在Standford数据集和3DMatch数据集上进行试验,与传统ICP算法及其变体、3种基于学习的点云配准算法进行对比,本文方法配准效率最优;在达到相近的配准精确度时,提出的快速ICP方法的迭代次数仅为传统ICP算法的0.2倍,在Standford数据集上配准所需时间为传统ICP算法的1/4,在3D Match数据集上配准所需时间为传统ICP算法的1/8倍。本文提出的快速ICP算法在数据量大的点云场景下,具有更高的效率。     

基于FPFH和法向量的改进点云配准算法

针对飞行时间法(TOF)获取点云的相关特点,提出一种适用于TOF点云的改进配准算法,首先使用FPFH特征对点云进行粗配准;在精配准阶段,通过法向量夹角特征采样的方法来减少点云的点数,同时又保留点云的关键信息点,并引入KD树和RANSAC方法来改进ICP的配准效率.实验结果表明,该算法具有良好的配准效率和精度,同时具有较大的适用范围.     

基于点云边界质心的粗配准方法

点云配准的质量直接影响着三维重建的质量。针对传统K-4PCS耗时长且易出现错误匹配等问题,文中提出一种基于边界质心的点云粗配准方法。通过对点云进行边界提取,既保留点云外表特征,又减少了点云数据的大小,提高了粗配准速度。为了加快边界点的提取速度,使用K-D tree算法完成对k近邻点的搜索。通过配准边界点的质心,减少点云初始距离并增加重叠度,保证了粗配准的精度。实验结果证明,文中方法在粗配准速度和精度方面都优于传统K-4PCS算法,其速度约为传统K-4PCS算法的2倍,平移和旋转精度也比传统K-4PCS高了40%以上。文中所提方法对提高点云粗配准的速度和精度具有一定的参考价值。     

基于点云配准的多固态激光雷达标定算法

针对多个固态激光雷达协同工作时,需要准确地进行外参标定的实际需求,提出一种基于点云配准的多固态激光雷达自动标定算法。该标定算法由标定物分割、初始配准和精确配准三个阶段构成。在标定物分割阶段,首先通过叠加多帧非重复扫描数据制作标定点云,再使用半径滤波和体素下采样滤波分割出纹理特征明显的目标点云。在初始配准阶段,使用3D-HARRIS算法提取关键点,并使用方向直方图(SHOT)特征描述子进行特征描述,然后匹配对应点并使用采样一致算法完成初始配准;在精配准阶段使用迭代最近邻(ICP)算法进行精确配准,从而获得精确的外参标定效果。在Bunny兔数据集和现场获得的数据上进行实验,结果表明,当保证配准平均误差小于1 mm的前提下,所提出算法的性能优于多种现有算法。     

基于IVCCS的三维点云配准算法

针对传统迭代最近点(ICP)算法在数据丢失以及存在噪声点的情况下配准时间过长、精度较低等问题,提出了一种基于改进的体素云连通性分割(IVCCS)与加权最近邻距离比相结合的配准算法。利用双阈值体素去噪剔除初始种子体素中的噪声体素,解决原本体素云连通性分割算法(VCCS)中因单一约束条件导致种子体素错误剔除的问题,同时将体素云分层去噪来加快配准的运算速度;利用流约束聚类提取点云中的特征点,并依据最近邻距离比验证特征点是否为重合点,赋予不同的权重优化ICP最小目标函数,从而加快配准速度。实验结果表明,该算法相对于传统ICP算法迭代次数减少,在精度与速度方面均有显著提升,相比于基于快速点特征直方图(FPFH)的ICP算法配准精度提高了8.5%~24.7%,速度上提高了65.6%~92.3%,迭代次数减少了16.6%~38%。     

TOF点云强度特征匹配迭代最近点配准算法

针对时间飞行(TOF)获取的三维点云数据噪声点多、有效目标在点云中所占比例较小的问题,提出一种适用于TOF点云数据的基于强度特征匹配的迭代最近点配准算法。首先使用强度特征进行有效区域提取,然后对有效区域进行配准,最后使用有效区域的变化矩阵对整个点云数据进行配准。实验结果表明,该方法能在不影响配准速度的情况下,有效提高真实点云配准的精确度。     

基于标志点的多视点云优化拼接方法

针对基于标志点序列扫描点云拼接过程中出现的累积误差问题,提出一种利用光束法平差方法计算最优全局点位的拼接优化算法。该方法以扫描特征点在全局坐标系下的位置为初始值,以反投映残差最小化为目的,构建优化代价函数,通过迭代的方法计算特征点的全局最优点位,最后以该最优点位为基准,对序列点云进行空间位置调整。实际测量结果表明,该方法可以明显减少拼接过程中所产生的累积误差,具有提高拼接精度的作用。