基于KDTree改进的ICP算法在点云配准中的应用研究

在三维激光点云数据配准的过程中,利用传统Iterative Closest Point(ICP)算法搜索对应点对时速度慢,而且配准精细化程度低,远达不到三维建模后期处理的要求。针对这一问题,提出一种基于KDTree改进的ICP算法以实现激光点云数据的快速精细化配准。通过实验验证算法的有效性和合理性,为后期模型重建过程中的三角网格化、曲面化、纹理映射提供强有力的理论和实践基础。     

ICP算法在文物三维重建中的应用

三维结构光扫描技术作为一种新型的三维数据获取技术,被广泛应用于文物的三维重建中。目前,这项技术在数据获取方面有很多优势,但是在点云数据配准方面还有一些需要优化的地方,特别是在处理大量点数据,为保证配准结果的精确性,就需要对点云数据的配准算法就行优化。利用手持式三维结构光扫描仪获取文物三维数据,在Artec studio9软件中将原始三维数据以ply格式导出为原始点云数据,然后基于Matlab软件对ICP算法通过编程优化,将原始点云数据再通过优化后的ICP算法进行配准,得到文物三维模型的构建数据。实验分析表明,优化后的ICP配准算法不但能提升配准精确度,而且可以保证配准方向的合理性,使得配准得到更佳的展示效果。     

融合PCA的改进ICP激光点云配准算法北大核心CSCD

针对迭代最近点(iterative nearest point,ICP)算法进行点云配准过程中需要输入较好的初值和收敛速度较慢的问题,提出了一种融合主成分分析(principal component analysis,PCA)的改进ICP配准算法。首先,基于PCA计算两组点云的主方向,得到两组点云的初始位姿变换;然后,利用主轴基向量的关系校正主轴方向,完成两组点云的大致配准。针对具有部分重叠区域的点云,粗配准后利用KD-tree算法搜索最近点。根据点云重叠部分,提出一种利用有效点对进行ICP迭代求解算法,利用有效点对中欧式距离较大的点对,完成精配准。通过在公开数据集Bunny和实测数据支座点云上的实验表明,改进算法能够为ICP算法提供较好初值,加速具有局部重叠度的点云配准,同时对配准精度也有较高的鲁棒性。     

基于遗传算法的点云数据配准

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。为此,提出一种基于遗传算法的线扫描点云数据配准方法。曲面线扫描点云数据同一表面的拓扑结构在不同视图下曲率变化趋势相同,根据该性质,利用遗传算法识别两点云数据集的重叠区域,并求解子集的坐标变换矩阵,完成配准。实验结果表明,与ICP算法相比,该方法的运行速度较快,且配准精度较高。     

基于两步式迭代最近点的三维人耳配准算法

提出了一种新型两步式迭代最近点算法对三维人耳点云模型进行配准,该过程主要分为两步完成:(1)采用基于CUDA并行加速的EM-ICP算法进行初始配准,从而使人耳点云数据大致调整为同一姿态,并且为下一步提供良好的初始变化;(2)基于ICP算法对三维人耳点云数据进行精确配准。该方式能够有效避免ICP算法配准过程中局部对齐等缺陷。实验结果证明,采用两步式迭代最近点算法配准后的三维人耳数据具有良好的配准效果与配准速度。     

基于Kinect的点云配准方法

Kinect采集的点云存在点云数量大、点云位置有误差,直接使用迭代最近点(ICP)算法对点云进行配准时效率低.针对该问题,提出一种基于特征点法向量夹角的改进点云配准算法.首先使用体素栅格对Kinect采集的原始点云进行下采样,精简点云数量,并使用滤波器移除离群点.然后使用SIFT算法提取目标点云与待配准点云公共部分的特征点,通过计算特征点法向量之间的夹角调整点云位姿,完成点云的初始配准.最后使用ICP算法完成点云的精细配准.实验结果表明,该算法与传统ICP算法相比,在保证点云配准精度的同时,能够提高点云的配准效率,具有较高的适用性和鲁棒性.     

基于建筑物轮廓的地面激光点云与影像匹配点云配准研究

为了高精度融合异源数据,进而充分表达建筑物的顶面及立面信息,提出基于建筑物轮廓特征的地面激光点云与影像匹配点云配准方法.通过边缘估计提取影像匹配点云建筑物屋顶轮廓,利用α-shape算法匹配提取地面激光点云建筑物屋檐轮廓,运用主成分分析算法、质心约束及罗德里格斯公式实现两种轮廓点云的粗配准,根据ICP算法完成精配准.实验结果表明该方法能够实现跨模态数据的优势互补,有效提高影像与点云配准的计算效率和配准精度.     

基于平移域估计的点云全局配准算法

针对迭代最近点(ICP)算法需要两幅点云具有良好的初始位置,否则易陷入局部最优的问题,提出了一种基于平移域估计的点云全局配准算法。首先分别计算数据点云和模型点云的去模糊主方向点云,利用两者平行于坐标轴的包围盒估计平移域范围;其次利用改进的全局ICP算法在估计出的平移域和[-π,π]³的旋转域中进行全局搜索配准。该算法可以根据待配准点云自适应地估计平移域的大小,进行全局自动配准,配准过程中不需要计算点云的特征信息,所需设置的参数少,对点云的初始位置没有要求。实验结果表明,所提算法能够获取全局优化的精确的配准结果,同时提高了全局配准的效率。     

板金属冲压零件表面模型与实测点云配准研究

为研究板料零件成形后实测点与设计原型之间的制造偏差,需要将实测坐标点云数据和产品数字模型进行配准,实现设计坐标系和实测点云数据的测量坐标系的统一。以CAD模型离散点云数据为引导,将配准过程分为初步配准和精确配准两个步骤。采用基于PCA提取特征坐标系的方法进行初步配准,采用k-d tree加速的ICP算法进行精确配准,将实测点云数据和设计原型离散点云数据转换到同一个坐标系中。基于UG NX平台将经过坐标转换的实测点云数据读入到CAD模型中,得到同一环境坐标系下配准后的实测点云数据和CAD模型,为制造偏差分析提供了基础,并进行了实例验证。     

基于双向随机KD树的点云配准

在三维跟踪及逆向工程三维重建的过程中,需要采集大量物体表面的特征点（点云）数据,为达到更好的重建结果,采用多视角采集点云方式。多片点云数据的配准（Registration）是目前的研究热点之一。对点云快速配准方面传统采用的ICP算法加以改进,提出基于相机标定和双向随机KD树的ICP改进算法,提高了ICP在应对小型点云时的匹配精度。     

基于牙颌模型的散乱点云配准技术研究

在牙齿三维矫正中需要对牙齿进行排列,常用方法是通过人机交互完成,效率不高。提出了一种基于粒子群的自动化排牙方法,将每颗牙齿上的特征点到标准牙弓曲线的距离和作为目标函数,利用粒子群算法对解空间进行搜索,在搜索过程中加入约束条件,得到牙齿移动的最终位置。利用算法对牙齿进行排列,可以省去人机交互中的平移等操作。实验结果表明：该算法能够有效地用于牙齿三维矫正中,提高了排牙效率。     

迭代最近点算法的改进策略

迭代最近点（Iterative Closest Point, ICP）算法是一种最为常见的点云配准方法，虽然配准精度高，但收敛速度慢，对含噪声、覆盖率较低点云的配准效果不佳。鉴于此，本文提出3种ICP算法的改进方法。针对含噪声的点云，采用概率ICP算法来抑制噪声点对配准结果的影响，提高配准精度；为了提高点云配准速度，采用坐标ICP算法实现点云的快速配准；针对低覆盖率点云，采用盒子ICP算法实现配准，可以大大提高配准精度和速度。通过兔子点云配准实验表明，3种改进的ICP算法在点云配准精度和速度方面都有很大程度的提高，均为有效的点云配准方法。     

基于多分辨率的快速迭代最近点配准算法

针对迭代最近点(Iterative Closest Point,ICP)算法计算时间长的问题,提出一种基于多分辨率配准点的ICP算法。使用自适应体素网格滤波器对原始点云进行多分辨率采样,利用低分辨率点云快速迭代获得两点云间初始变换矩阵;利用高分辨率点云在初始变换基础上做更精确配准。实验结果表明,该算法在配准精度基本不变的情况下,可以显著降低配准时间,且随着点云点数增加,速度提升效果越明显。     

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。     

Improved Iterative Closest Point(ICP) 3D point cloud registration algorithm based on point cloud filtering and adaptive fireworks for coarse registration

ABSTRACT

Aiming at the problem of long computation time and poor registration accuracy in the current three-dimensional point cloud registration problem, this paper presents a k-dimensional Tree(KD-tree) improved ICP algorithm(KD-tree_ICP) that combines point cloud filtering and adaptive fireworks algorithms for coarse registration. On the basis of the typical KD-tree improved ICP algorithm, the point cloud filtering process and adaptive firework coarse registration process are added. Firstly, the point cloud data acquired by the 3D laser scanner is filtered. And then the adaptive fireworks algorithm is used to perform coarse registration on the filtered point cloud data. Next, the KD-tree_ICP algorithm is used to perform accurate registration on the basis of coarse registration, and the obtained translation and rotation relations are applied to the original point cloud data to obtain the result after registration. Finally, 3D point clouds of physical models of five statues are used for experimental verification, including error analysis, stability analysis and comparison with other algorithms. The experimental results show that the method proposed in this paper has greatly improved the calculation speed and accuracy, and the algorithm is stable and reliable, which can also be applied to the reconstruction of 3D building models, restoration of cultural relics, precision machining and other fields.     

A fast registration algorithm of rock point cloud based on spherical projection and feature extraction

Point cloud registration is an essential step in the process of 3D reconstruction. In this paper, a fast registration algorithm of rock mass point cloud is proposed based on the improved iterative closest point (ICP) algorithm. In our proposed algorithm, the point cloud data of single station scanner is transformed into digital images by spherical polar coordinates, then image features are extracted and edge points are removed, the features used in this algorithm is scale-invariant feature transform (SIFT). By analyzing the corresponding relationship between digital images and 3D points, the 3D feature points are extracted, from which we can search for the two-way correspondence as candidates. After the false matches are eliminated by the exhaustive search method based on random sampling, the transformation is computed via the Levenberg-Marquardt-Iterative Closest Point (LM-ICP) algorithm. Experiments on real data of rock mass show that the proposed algorithm has the similar accuracy and better registration efficiency compared with the ICP algorithm and other algorithms.     

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。     

基于线特征及迭代最近点算法的地基建筑物点云自动配准方法

为克服迭代最近点(ICP)算法易陷入局部最优的缺陷，提出一种基于线特征及ICP算法的地基建筑物点云自动配准方法。首先，基于法向一致性进行建筑物点云平面分割；接着，采用alpha-shape算法进行点簇轮廓线提取，并拆分和拟合处理得到特征线段；然后，以线对作为配准基元，以线对夹角和距离作为相似性测度进行同名特征匹配，实现建筑物点云的粗配准；最后，以粗配准结果为初值，进一步采用ICP算法完成点云精确配准。利用两组部分重叠的建筑物点云进行配准实验，实验结果表明，采用由粗到精的配准方法能有效改善ICP算法对初值依赖的问题，实现具有部分重叠的建筑物点云的有效配准。