大型工件部分点云与整体点云的配准方法

部分点云与整体点云的高效、高精度配准是完成大型工件尺寸快速评价工作的基础,但由于部分点云和整体点云全局特征的差异性,使用现有的局部特征描述符进行点对匹配搜索计算量大,点云配准耗时长.为此,针对部分点云与全局点云的几何特征,提出一种基于区域均值特征描述符的部分点云与整体点云配准方法.首先提出一种区域均值特征描述符,能够有效地描述点云中关键点的邻域几何特征;然后通过评价点云区域均值特征描述符的特征度选择数据点作为待配准关键点,搜索与之匹配的描述符,完成部分点云与整体点云的关键点匹配;最后使用奇异值分解法计算点云之间的转换矩阵,基于迭代最近点算法完成部分点云与整体点云的配准.利用斯坦福公共数据库点云集和大型发动机舱段的三维扫描点云数据,对配准算法的配准准确度和配准速度进行实验的结果表明,与现有的几种基于局部特征描述符(PFH,HoPPF,PPFH,FPFH)的点云配准方法相比,所提方法配准准确度平均提高56.75%,配准速度平均提高45.57%,验证了该方法的有效性.     

基于投影的点云配准算法

点云配准分为粗配准和精配准两个阶段。在精配准阶段,大部分采用迭代最近点(ICP)算法。由于ICP算法的性能很大程度上依赖于点云初始位置,因此点云粗配准是点云配准的关键环节,能为ICP提供良好的初始位置。基于三视图的概念,分析了点云配准的关系,提出了一种新的点云空间位置评价方法,进而利用遗传算法提出了一种降维处理空间点云的点云粗配准新算法。首先,将三维空间点云分别投影到三个坐标平面,利用信息熵概念求解每个投影面的熵值;然后,以三个坐标平面的熵值之和作为目标函数,利用遗传算法搜索出最优空间变换矩阵;最后,将变换矩阵作用于目标点云实现点云的粗配准。试验表明,新算法配准效果好,能为精配准提供优良初始位置,且效率高。该算法能为点云的曲面重构研究提供优良的原始点云数据。     

输电通道机载激光点云多级配准研究

机载LiDAR在输电通道变化检测应用中的关键是多时相点云的高效高精度配准,实验将PCA主轴变换与改进ICP算法相结合提出一种多级配准方法.首先基于输电通道杆塔不易形变的特点,采用PCA算法计算对应杆塔点云的3个主轴向量,通过校正主轴方向得到两组杆塔点云的粗略位姿变换关系,然后利用改进搜索和收敛策略的IC P方法实现精配...     

泰勒级数准则函数鲁棒性点云配准算法

为减小离群点对点云配准精确度的影响,避免点云配准迭代计算过程中陷入局部最小值,基于鲁棒性准则函数点云配准框架提出泰勒级数准则函数鲁棒性点云配准算法.该方法分为泰勒级数准则函数的提出和配准初始值的确定2个方面.泰勒级数准则函数中,考虑各准则函数限制离群点影响来提高配准精确度的内因,对权值递减速率较合理的Cauchy准则函数进行泰勒级数展开,构造泰勒级数准则函数解决离群值问题;配准初始值的确定中,通过计算待匹配点云数据集的重心,根据重心信息确定平移向量,解决局部最小值问题.数值实验结果表明,泰勒级数准则函数配准误差较最小二乘法、Huber、Tukey和Cauchy准则函数更小,在配准精度上有了较大的提高,并且误差值稳定收敛;引入插值算法对点云数据进行处理,对后续的配准精度有一定的改善.     

基于FPFH-ICP的三维工件点云配准方法研究

针对三维工件点云配准方法存在配准精度低等问题,笔者提出一种基于快速点特征直方图（Fast Point Feature Histogram,FPFH）初始匹配与迭代最近点（Iterative Closest Point,ICP）的点云配准方法。首先,在配准前使用随机抽样一致（Random Sample Consensus,RANSAC）算法对初始点云数据进行预处理,获得目标点云数据;其次,使用FPFH算法提取点云特征,进行特征匹配,求得初始变换矩阵;再次,使用ICP算法对初始变换矩阵进行增益,求得最终变换矩阵;最后,完成点云精确配准。基于三维工件点云,将本文算法与经典算法对比测试。实验结果表明,本文算法在配准精度上有所提高。     

基于PCA校正的改进ICP销孔工件点云配准方法

针对销孔工件的目标点云和模型（源）点云空间坐标系不一致问题,提出了一种采用主元分析法（PCA）校正的改进ICP点云配准方法。首先,采用主元分析法（PCA）计算销孔工件目标点云和模型点云数据的主轴方向、并求得初始转换矩阵;其次,对初始转换矩阵进行误差分析,采用双向KD树近邻搜索最近点的方法加速两片点云初始转换矩阵的误差校正,得到校正后的转换矩阵,从而完成粗配准;然后,引入法向量夹角阈值约束剔除错误匹配点对改进ICP算法实现精配准,最终将两片点云坐标系调整一致。通过实验进行了比较分析,实验结果表明,该方法可以有效实现销孔工件的点云配准,同时获得较优的配准速度和精度,采用该方法最终的配准误差为0.0354mm,平均配准耗时4.639s。     

基于改进ICP算法的点云自动配准技术

在零件的型面检测过程中,通常有数据采集、曲面重构、曲面配准和误差求取几个步骤。其中,曲面之间的配准是检测中关键的一环。针对传统的经典ICP(Iterative Closest Point)算法在配准过程中受噪声干扰大、鲁棒性差的缺点,在应用点云主方向贴合的粗略配准基础上,以经典的ICP算法为基础,提出了点云数据的欧氏距离阈值去噪和点云的方向矢量夹角阈值两种方法改进ICP算法,并应用改进算法作为点云之间的精确配准算法。对于经过初始配准的点云数据使用欧氏距离阈值法剔除点云间点对的噪声,并经点云各点间的方向矢量夹角阈值进行对应点采样,提高了传统ICP算法的效率和精度。经飞机和汽车零件点云配准实验验证,本算法的配准误差在±1μm内。算法具有设计简洁,响应快速的特点,有实际工作意义。     

一种使用伪对应点生成的3D点云配准方法

针对三维重建过程中点云配准存在的挑战性问题(如寻找对应点困难等)展开研究，充分利用源点云和目标点云的几何信息，提出了一种基于交叉注意力和伪对应点生成机制的点云配准方法——深度伪对应点生成(DeepACG)。该方法采用三级网络模型，第一级是深度特征编码模块，利用交叉注意力机制交换和增强两片待配准点云之间的上下文和结构信息；第二级是伪对应点生成模块，基于软映射关系加权合成伪对应点；第三级为对应点加权和离群点过滤模块，赋予每个对应点对不同的权重值并剔除概率较低的离群点。在合成和真实数据集上进行大量实验，DeepACG方法在室内真实数据集3DMatch上的配准召回率达到92.61%;在数据集ModelNet40上进行目标未知的局部点云配准实验，旋转矩阵和平移向量的均方根误差分别降至0.016和0.000 09。实验结果表明，DeepACG配准精度高，鲁棒性强，配准误差低于当前主流的配准方法。     

顾及RGB-D图像的刚性点云鲁棒配准方法

RGB-D相机作为一种常见的便携式三维数据采集工具被广泛使用于计算机图形学、计算机视觉等诸多领域,然而,由于设备的物理误差、光照干扰等因素,采集的三维点云中往往包含大尺度噪声,现有的点云配准方法处理这类数据时无法取得理想的配准结果,进而影响后续三维重建的质量.为了解决这一问题,提出一种鲁棒的基于RGB-D图像的刚性点云配准方法.首先,提出一种基于全变分和各向异性二阶算子的点法向估计方法,能够有效地去除点法向的噪声并且较好地保持尖锐和非线性光滑特征;其次,联合RGB图像的纹理信息和点云的几何信息设计了一种复合特征描述子,能够在包含噪声的点云上鲁棒地提取初始匹配点;最后,采用一种快速的全局配准方法计算待配准点云之间的刚性变换.在多组合成及真实点云数据上进行配准实验,并从视觉效果和配准误差2个方面对实验结果进行分析,分析结果表明,所提方法能够鲁棒地配准大噪声干扰的点云数据,验证了方法的有效性.     

飞行时间3维相机的多视角散乱点云优化配准

针对目前基于飞行时间(TOF)原理的3维相机实现物体完整表面的3维点云重建过程中,多视角散乱点云配准精度低的问题,提出一种优化配准方法。该方法通过构建一个目标功能函数,并结合相邻点云的转换矩阵对该目标函数进行最小化求解,直接获取任意位置的点云到基准点云所处坐标系的绝对转换矩阵,避免了对连续点云之间的配准而引起误差的累加。对不同的物体进行实验,实验结果表明,该方法在保证点云配准速度的同时,提高了多视角点云配准的精度,物体点云模型重建效果较好,有利于实现后期3维曲面网格的重建。     

茂密植被区域LiDAR点云数据滤波方法研究

点云数据的滤波和分类是激光雷达数据应用处理重要环节,是当前研究的热点问题。本文针对茂密植被区域点云数据的特点,提出了以移动窗口和坡度算法为基础的改进的点云数据滤波算法。试验结果表明,改进的滤波算法对地形变化复杂、植被郁闭度较高覆盖、地面激光脚点比少的点云数据有良好的效果。     

一种运用PCA的深度学习激光点云分类方法

为了提高机载激光雷达数据的分类精度和避免耗时的点云多特征提取,本文在点云去噪的基础上,对点云数据进行相对高程的特征提取,提出一种基于PCA数据降维与Point-Net相结合而形成的网络模型,并将获取的相对高程特征和原始特征经过降维处理后输入到网络中.运用Point-Net网络模型提取的全局特征进行点云分类,返回每个点分...     

Study on Power Tower Extraction and Fast Positioning from Airborne LiDAR Data

Airborne LiDAR has become an important technique for transmission line digitalization,reconstruction and safety inspection.Moreover,accurately and efficiently extracting the position of each tower from massive point clouds is basic and important task for the applications in power industry.In this study,a method was proposed to efficiently extract the point clouds and fast determine the position of power towers using airborne LiDAR data.Firstly,the point clouds of power towers were automatically separated from raw data based on the spatial distribution characteristics of airborne LiDAR data.Secondly,each power tower was efficiently detected using a region\|growing algorithm.Finally,a least square linear fitting method was used to determine the accurate position of each power tower.The new proposed method was applied to several LiDAR data sets in areas with high voltage transmission lines.Results indicated that the integrity of the power towers’ points is up to 91.1%,and the accuracy of center positions is high enough with the medium error of 13.5 cm.Additionally,our study also concluded that the proposed method is robust and applicable even the point density is relatively low.     

基于无人机的道路点云数据分割提取算法

针对机载LiDAR获得道路的数据信息精确度低问题,提出基于无人机的低空扫描三维点云数据,动态拟合提取分割道路信息的算法.首先使用主成分分析法获得道路点数据的法向量,之后将高程信息和法向量信息结合,利用聚类算法获得道路的高程和法向量的范围,提取道路点云数据;其次利用多项式拟合对道路数据进行数学建模;然后通过动态多项式拟合提取出所有路面数据和路面上的资产以及行人车辆数据;最后使用区域生长算法对路面上的资产以及行人车辆数据进行分割.实验表明算法对道路上的遮挡物有很强的抗干扰能力,可以将路面提取出来并将路面上的数据分割进行分割,将本文算法与区域生长算法进行对比,本文算法对路面数据更加敏感.     

基于改进迭代最近点算法的接骨板贴合性快捷计算方法

为了快速计算出接骨板在断骨表面的最佳贴合位置,以减少手术中接骨板反复调整的次数,提出了一种基于改进迭代最近点（ICP）算法的接骨板贴合性快捷计算方法。首先,由医生指导在断骨表面选取贴合区域,并利用接骨板表面点的法向量之间的夹角提取接骨板的内曲面点云;然后,在对两组点云模型进行平滑处理并采用格点采样的方式来简化点云模型后,利用点云之间的特征关系进行初始配准;最后,对接骨板内曲面点云模型进行边界及内部特征关键点提取,并采用K-维树（KD-Tree）搜索邻近点,对接骨板的特征关键点和断骨表面选取区域执行ICP精确配准。以胫骨为例进行实验,实验结果表明,所提算法相较于近年所提配准算法在保持较高配准度的同时提高了配准效率,能够实现胫骨不同受损类型与接骨板之间的快速配准,并且对其他受损骨骼具有通用性。     

动态环境中多帧点云融合算法及三维目标检测算法研究

低线束激光雷达扫描的点云数据较为稀疏,导致无人驾驶环境感知系统中三维目标检测效果欠佳,通过多帧点云配准可实现稀疏点云稠密化,但动态环境中的行人与移动车辆会降低激光雷达的定位精度,也会造成融合帧中运动目标上的点云偏移较大。针对上述问题,提出了一种动态环境中多帧点云融合算法,利用该算法在园区道路实况下进行三维目标检测,提高了低线束激光雷达的三维目标检测精度。利用16线和40线激光雷达采集的行驶路况数据进行实验,结果表明该算法能够增强稀疏点云密度,改善低成本激光雷达的环境感知能力。     

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。     

结合超体素和区域增长的植物器官点云分割

点云分割是点云识别与建模的基础。为提高点云分割准确率和效率，提出一种结合超体素和区域增长的自适应分割算法。根据三维点云的空间位置和法向量信息，利用八叉树对点云进行初始分割得到超体素。选取超体素的中心体素组成一个新的重采样后的密度均匀点云，降低原始点云数据处理量，从而减少运算时间。建立重采样后点云数据的K-D树索引，根据其局部特征得到点云簇。最后将聚类结果返回到原始点云空间。分别选取植物三个物候期的激光扫描点云，对该方法的有效性进行验证。实验结果表明，该方法分割后点云与手工分割平均拟合度达到93.38%，高于其他同类方法，且算法效率得到明显提升。     

基于机载LiDAR 技术的典型水库水量变化估算

针对传统外业测量水库库容估算方法易受地形、气象条件影响,存在危险性高、效率低等问题,以仑山水库为研究对象,采用机载 LiDAR 技术估算水库面积及水量变化。通过实地数据采集,利用 KD- 树算法剔除点云中的粗差点,并采用渐进加密不规则三角网(PTIND)滤波分离出地面点,完成 LiDAR 点云数据的预处理;根据点云数据建立精细化数字高程模型(DEM),提取不同水位的水库水面面积;最终利用积分和传统棱台体积估算方法对比分析不同水位水量差值变化。结果表明：与高程实测值相比,DEM 高程反演值满足高程精度要求,基于机载 LiDAR 的水量估算受库底坡度变化的影响,估算值低于传统估算方法的估算值,估算结果更为精确,可为监测水库水量变化提供科学依据。