基于全局优化的实时高精度模型重建

三维形貌测量在先进制造、航空航天、生物医学等领域发挥着重要的应用。凭借高精度、全视场、非接触等优点，条纹投影轮廓术是目前使用最广泛的一种光学三维测量手段。为了获得物体全局三维信息，通常需要将待测物置于转台之上，通过不断地扫描和拼接来获得物体的全局信息。然而，传统的扫描和拼接是以离线的方式进行的，导致整个三维模型的重建速度缓慢。现有的实时点云配准方法虽然能够有效提高点云扫描与拼接的速度，但实时点云拼接的精度依然受待测物的运动状态影响。本文针对上述问题进行优化改进，提出一种基于全局优化的实时高精度模型重建方法。首先，介绍了一种由粗配准到精配准的快速点云配准算法并提出了基于点云法向量约束的点云初始化算法，能够提升粗配准过程中点云初始位姿计算的稳定性与精度。其次，在精配准阶段引入了图优化算法以获得全局点云位姿的最优解，进一步提升了全局点云配准的精度。实验结果表明，所提方法相比于现有实时模型重建方法，能够实现更高精度且稳定的全局点云配准。特别地，针对动态场景中由于抖动等因素引起的被测物体速度突变等情况，本方法依然能够鲁棒地完成三维模型重建，全方位模型重建的精度达84μm。     

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。     

基于深度传感器的多视角点云配准研究

为了解决大尺寸对称物体在多视角配准过程中出现的误匹配点对和累计误差问题,提出了一种基于深度传感器的多视角点云配准算法。首先,使用深度传感器获取目标物体不同视角下的多片点云并进行预处理,对物体单侧相邻点云采用超四点快速鲁棒匹配算法(Super 4-points congruent sets, Super4PCS)进行粗配准,利用改进的点到平面ICP算法去除误匹配点对并进行精配准,之后将左右两部分的点云拼接,从而获取完整的三维点云模型。最后,针对多视角配准出现的累计误差问题,提出了一种全局优化方法从而减少累计误差。实验结果证明所提方法可以精准地完成多视角点云配准,获得准确的三维点云模型。     

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。     

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。     

近景光学影像和三维激光扫描点云自动配准

针对近景光学影像和三维激光扫描点云配准,采取先粗配准再精配准的策略,实现了近景光学影像和三维激光点云的自动配准.首先将具有一定重叠度的影像通过自由网平差获取相机内外方位元素,然后利用加入尺度因子的4PCS(4-points congruent sets)算法进行粗配准;最后基于空三点云与对应三维激光扫描点云切平面距离最...     

基于随机采样一致性算法的激光点云大数据自动配准技术

激光点云大数据中存在冗余数据，导致其大数据自动配准过程中存在配准速率慢、精度差等问题，为此提出基于随机采样一致性算法的激光点云大数据自动配准技术。将初始半径和最小邻域拟作自定义变量，使用密度聚类法剔除冗余激光点云数据，运用双边滤波平滑点云信息；分析不同角度下两组激光点云数据的刚体变换关联，获取对应且不共线的采样点，将模型点配准率作为激光点云采样数据和真实数据一致性衡量指标，完成激光点云大数据初始配准；通过迭代最近法找出两个点云集合的最近点，利用M-估计方法优化误差惩罚函数，实现激光点云大数据自动配准。仿真结果证明，应用所提方法得到在未引入噪声时的激光点云数据配准重合度为0.97,噪声环境下的点云配准重合度为0.96,配准平均耗时为59.6 s。     

大规模城市三维重建中点云配准及平面提取研究

点云配准是大规模城市三维重建中的重点问题。考虑到楼宇与地面是城市的主要组成部分,而平面是构成它们的重要几何元素,本文提出了一种通过匹配平面结构来进行大规模城市点云数据配准的新方法。为了准确获得点云平面,本文针对现有聚类方法仅依靠数据点的相关性而导致平面结构错误提取的情况,提出了一种同时结合数据点相关性和模型假设相关性的联合聚类算法。获得平面结构后,论文采用随机采样策略将提取的平面结构匹配,获取点云间的变换矩阵,完成点云的配准。实验结果表明了本文联合聚类算法可以很好地提取点云中平面,同时也验证了利用平面结构匹配对城市点云配准的有效性。由于本文算法仅需对稀疏点云进行处理来完成配准,降低了配准中的计算量与复杂度,所以十分适合应用于大规模城市三维重建。      

基于几何属性和改进ICP的点云配准方法

点云配准是三维重建的重要研究内容之一,其精度将直接影响到建模结果的好坏。为了提高点云配准的精度和收敛速度,首先提取点云的法矢和曲率等几何属性;然后根据点云密度将点云进行区域划分,并选取不同点云区域中的曲率极值点,再通过对极值点对的相似性度量来实现点云粗配准;最后采用基于K-d树的改进ICP算法进一步实现点云细配准。实验采用颅骨点云数据模型对该方法进行配准验证,结果表明,基于几何属性和改进ICP的点云配准方法是一种精度高、速度快的点云配准方法。     

面向城市场景异源多时相点云的自动配准

异源多时相点云数据是建设数字城市和智慧社会的关键空间数据支撑，其准确配准是开展各类后续应用的前提。针对异源多时相点云配准任务中数据规模大、结构差异大、场景变化大的难点，本文提出了一种自动的无控配准方法。首先将城市场景的整体点云数据过分割为平面区块，交汇相邻的平面生成稳定而特异的对象级虚拟关键点；然后将关键点间的刚体几何空间关系编码为图结构间的距离约束，匹配获取待配点云与目标点云间的同名点对；最后利用同名点对求取刚体转换参数，并应用转换参数将待配点云转换至目标点云的坐标系中。选择荷兰鹿特丹市某一典型城市场景地块的异源多时相点云数据验证了所提方法的有效性。实验结果表明，本文方法能够自动、准确、高效地实现城市场景异源多时相点云的无控配准，具有较高的工程应用价值。     

基于卷积神经网络的点云配准方法北大核心CSCD

点云配准是三维点云信息处理中的重要问题。传统点云配准方法计算量大,不利于实时计算与移动计算。针对传统点云配准方法存在的问题,提出了一种利用卷积神经网络进行点云配准的方法。首先计算点云的深度图像,利用卷积神经网络提取深度图像对的特征差,将深度图像对的特征差作为全连接网络的输入并计算点云配准参数,迭代地执行上述操作直至配准误差小于可接受阈值。实验结果表明,相比传统的点云配准方法,基于卷积神经网络的点云配准方法具有所需计算量小、配准效率高、对噪声点和异常点不敏感的优点。     

点云多法向量邻域特征配准算法

针对三维激光扫描点云数据的配准问题,提出了 一种多法向量邻域特征点云配准算法。首先,根据目标点选取不同邻 域半径估算的法向量存在方向偏差,设定约束条件选择关键点,使得初始点云数据量得到精 简;其次,设计了一种依据邻域多 法向量计算的特征描述子,并计算所有关键点的特征向量;然后,依据所求的特征描 述子,使用最小距离与次小距离比值阈 值方法初步获取对应关系,并使用随机采样一致性算法和聚类分选方法进行两次优化,得到 精确的点与点对应关系;最后,使 用奇异值分解法解算刚体变换矩阵,得到配准参数。实验结果表明,由本文设计的关键点选 取、特征描述子提取和对应关系筛选 方法原理简单、稳定可靠、计算速度较快且计算复杂度小,无需进行第二次配准,对实现点 云配准具有实用价值。     

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%。     

三维点云中关键点的配准与优化算法

传统三维(3D)点云配准过程中存在配准误差高、计算量大及耗时长等问题,针对该问题,提出了一种3D点云中关键点的配准与优化算法。在关键点选取阶段,用边缘点检测算法剔除边缘关键点,以提高关键点特征描述的全面性和重复性,降低3D点云配准误差。在3D点云配准阶段,用K-维树(KD-tree)加速的最近邻算法和迭代最近点算法剔除粗配准结果中的误配准关键点,降低配准误差,提高3D点云配准的速度与精度。实验结果表明,本算法在不同点云数据下,均能获得良好的配准结果。与传统3D点云配准算法相比,本算法的平均配准速率提高了68.725%,平均配准精度提高了49.65%。     

基于Kinect的骨骼配准的人体三维重建

在常用的基于特征点提取、贴标签等的点云配准方法中,都是为了便于确定对应点集,进而进行点云数据的配准操作。针对点云配准中确定对应点集的问题,文章基于Kinect能够采集人体骨骼点数据且有序的特性,提出以骨骼点数据作为对应点集,进行点云数据的配准操作,达到减少点云数据的计算量,降低点云数据的配准时间,提高配准效率的目的。实验表明,系统设备成本低、数据采集操作简单,且能够快速并较高精度的完成人体点云数据的配准操作,得到人体三维模型。     

结合形态描述和直方图特征改进的点云配准北大核心CSCD

针对点云配准过程中配准效率和精度无法兼得的问题,提出一种将内部形态描述(ISS)特征点和二进制方向直方图(BSHOT)特征描述符相结合的改进的点云配准算法。该算法先采用体素格网下采样和ISS算法提取特征点;然后通过二进制的方向直方图(BSHOT)特征描述符结合汉明距离和随机采样一致性算法(RANSAC)进行粗配准;最终利用改进的ICP算法进行精确配准。利用多组点云数据对该方法进行验证。结果表明,在相同条件下,改进后的算法在配准时间和配准精度上均优于其他算法。说明所提出的方法具有较高的配准效率与精度,且随着点云数量的增多,配准精度的提高效果会增强。     

一种动态特征匹配的部分重叠点云配准方法

点云配准方法能够有效地完成对不同重叠率、不同规模点云间的配准,可确保三维重建模型的精度。针对该问题,提出一种动态特征匹配的部分重叠点云配准方法,首先基于欧氏距离分割法将点云分割为子点云;然后提取子点云特征,考虑到不同点云的规模不同,提取的特征规模也是不同的,提出利用动态时间规整算法(DTW)完成子点云间的映射;最后利用迭代配准算法求取拼接点云间的平移、旋转矩阵,利用该矩阵完成点云间的配准和拼接。实验结果表明,提出的方法能够有效地解决部分重叠点云和不同规模点云的配准问题。     

基于3DSIFT和BSHOT特征的点云配准方法

针对点云配准过程中易产生错误匹配点、配准时间长、配准精度低等问题.提出了基于三维尺度不变特征变换(3 DSIFT)关键点检测方法,结合二进制方向直方图描述子(BSHOT)构建点云匹配对的配准方法.该方法首先利用差分高斯模型在三维尺度空间上检测SIFT关键点,其次在关键点的邻域构建局部坐标系来计算SHOT描述子,并将SH...     

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。     

空间非合作目标点云聚类配准方法

空间非合作目标的相对位姿测量问题成为空间在轨操作任务的重难点,通过对激光雷达获取的目标三维点云进行聚类,得到小规模、特征明显的聚类点云,有效提高了配准效率和精度。针对基于区域生长的聚类算法在对可视点云进行聚类时,特征相似部分无法聚类识别的问题,提出了二维图像优化三维点云聚类的方法。该方法将深度值信息和RGB颜色值建立数学映射关系,点云降维后,利用颜色梯度突变进行边界提取,将边界内的点逆向恢复到原始点云,最后将各个类的点云进行合并,得到易于识别的显著特征点云。实验结果表明,在配准角度误差为±5°的条件下,可有效地缩减点云规模并保留了显著特征,提高ICP配准算法的计算效率,为解决空间非合作目标相对位姿实时测量提供技术支持和解决思路。