改进TrICP算法的多源点云配准研究

针对建筑物多源点云数据配准时出现配准精度低和效率不高的问题,提出一种基于主成分分析(PCA)的改进修剪迭代最近点(TrICP)多源数据配准方法。首先采用PCA算法对点云计算主轴方向,并基于方向反向问题创建校正矩阵进行校正,从而得到两组点云的初始良好位姿转换,完成点云的粗配准步骤;然后针对修剪迭代最近点中搜索点对和迭代次数问题,采用赋权的改进修剪迭代最近点算法完成两种点云数据的精配准。实验数据结果表明,改进的配准算法可以有效地减少多源点云数据迭代次数,提高配准精度并且保证了点云的完整性,相较于其他三种对比算法,精度分别提高56.75%、39.60%、28.08%,有效提升了配准的效率。     

采用主成分分析的迭代最近点算法优化与验证

通过分析算法配准过程提出一种基于主成分分析（PCA）的点云配准策略,对迭代最近点（ICP）算法迭代过程加入PCA配准设计,以解决ICP算法易陷入局部最小值、配准耗时高的问题。首先,利用重心法在首次迭代开始前使参考点云与待配准点云重心重合以达到初始位姿确定;然后,在ICP算法每次进行迭代时,先对待配准点云与参考点云进行PCA,选取其中前三主成分特征向量,通过姿态变换进行对应匹配,使两点云完成初始配准后再利用欧氏距离寻找最近点,完成后续配准过程。选取了经典ICP算法及3种初始位姿确定方法、文献主流算法与提出的迭代PCA算法及3种初始位姿确定方法进行对比分析,结果表明,在前述两种方法都无法配准的情况下,提出算法不仅成功避免算法陷入局部最小,而且获得了较优的速度与精度,迭代次数为10次,耗时19.427939 s,配准误差为2.1932,综合提高了配准性能。     

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。     

激光扫描与摄影测量异源点云高精度配准方法

针对激光扫描和摄影测量点云非同源数据自动配准困难的问题,提出一种基于快速点特征直方图（FPFH）点云粗配准与八叉树格网迭代改进最近邻点（ICP）算法相结合的方法。在粗配准中,首先采用体素格网对点云数据进行降采样处理,然后使用FPFH进行特征匹配,最后采用采样一致性初始配准（SAC-IA）算法获取初始配准变换矩阵。在精配准中,以经典的ICP算法为基础,首先通过设置欧氏距离阈值剔除错误的对应点,然后在每个体素格网中选取精度最高的同名点对,使用奇异值分解（SVD）法计算最终配准变换矩阵。实验结果表明,所提方法可以解决激光扫描点云和摄影测量点云非同源数据的配准问题,具有一定的研究和应用价值。     

基于视点特征直方图的激光点云模型的位姿估计

提出一种基于视点特征直方图的点云模型位姿估计 算法。首先在目标物体周围采 集三维点云,拼接后获得物体的完整点云模型;然后对点云模型计算其视点特征直方图, 构建特征数据 库;对待估计点云同样计算其特征直方图,使用KNN算法在数据库中搜索与之最接近的位 姿作为初始位 姿估计值;最后使用迭代最近点(ICP)算法将待估计点云精确配准到模型点云,从而获得坐 标系之间的相 对位姿。实验表明,这种方法对于物体位姿识别有很强的稳健性,能很好实现目标物体的 三维位姿计算。     

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。     

基于目标结构和运动的船舶激光点云配准算法北大核心CSCD

由于在野外环境下船舶结构特点及激光雷达测量视野限制,所获取的点云图像存在特征匹配错位和缺失现象,导致经典的配准算法精度较低。在分析点云结构特点和目标运动轨迹的基础上,提出一种基于目标结构和运动轨迹的配准算法。在对待配准点云进行预处理后,通过结构特征的引入解决了迭代最近点法(Iterative Closest Point,ICP)算法特征匹配错位陷入局部最优解的问题;在此基础上利用得出的主体变换矩阵求解出目标的运动轨迹,并根据运动轨迹对缺乏有效特征的点云进行配准同时校准主体点云。实验结果表明,以米为点云坐标单位,相比于ICP和4PCS+ICP方法,所提出方法在船舶点云配准上的均方误差(Mean Square Error,MSE)降低了0.2左右。     

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。     

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。     

空间非合作目标半物理仿真地面验证系统

针对非合作目标线阵雷达成像点云数据获取过程中在轨验证试验成本高、空间环境复杂和控制难等问题,以非合作目标三维重建数值模拟为基础,研制模拟空间服务航天器绕飞采集过程半物理仿真地面验证系统。采用KUKA六轴机械臂搭载缩比卫星模型,还原非合作目标的运动状态,并利用三轴精密转台搭载线阵扫描雷达实现非合作目标可测部位数据采集,通过综合控制系统完成目标扫描及数据处理。利用该半物理地面验证系统,开展缩比比例为1∶10的非合作目标多视角数据采集试验;通过建立分辨率精度评估、吻合度评估和实际运动与控制运动的误差分析准则,进行评估试验。试验结果表明:该系统可以有效获取多视角状态下非合作目标的点云数据,根据点云数据测量计算的目标章动运动角度与目标真实运动角度误差在4%以内,可为未来空间在轨操控与三维重建技术提供真实的技术数据参考。     

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。     

基于置信度的飞行时间点云去噪方法

飞行时间（Time-of-Flight,ToF）三维成像方法由于多路径干扰和混合像素等问题降低了目标物体深度测量的精度。传统的方法通过优化重构异常点云数据或滤除噪声点云数据来提高目标的准确性,但是这些方法复杂度高且容易导致过度平滑。三维点云图像中的有效点云与噪声点云之间的关系很难用数学模型来表示。针对上述问题,本文提出了一种基于置信度的飞行时间点云去噪方法。首先,分析多帧点云数据的概率相关性,以点云数据的置信度作为判别有效点云与噪声点云的依据;其次,利用多帧点云之间的矢量对偶性,提出了一种快速提取不同置信度点云的算法,其时间复杂度为O(L);最后使用该算法提取多帧三维图像中置信度高的点云数据获得目标物体的真实测量数据,并重点对4组不同场景的点云数据进行对比实验。实验结果表明,该算法能够在有效滤除噪声的同时,显著提高目标物体的距离测量精度,增强目标物体的特征,因此具有广泛的应用价值。     

基于PCA-TrICP的多源点云无缝三维重建

针对三维重建时使用单一数据源的局限性问题,融合异源的倾斜影像和三维激光点云进行三维实景重建.在前期工作中,利用倾斜摄影技术对校园图书馆建立初始模型,生成影像点云,并使用三维激光扫描仪获取其立面数据,完成去噪及拼接等预处理工作.针对预处理过后的影像点云和激光点云数据的配准,首先使用主成分分析方法对数据降低维度,对齐跨源点...     

光场相机在湍流下的清晰成像和点云计算

无变形镜条件下抵抗大气湍流影响获取几百米至几十公里外目标的清晰成像和点云数据具有重要意义。光场相机是清晰成像和点云计算领域的有力工具,但是它在湍流条件下无法正常工作。同时光场相机技术的主要研究方向集中在如何提高点云的精度和密度,暂无人将其应用于湍流清晰成像。基于相空间光学原理改进了光场相机的信息提取算法,在湍流条件下完成了清晰成像和点云计算。这种算法使用四维密度函数来描述复眼结构,对原始数据的使用更加充分,能够提取物点完整的低阶相位信息,因而,可以抵抗湍流对局部子孔径的影响,稳健地获取目标点云,解算深度图并得到全聚焦清晰成像。根据这一原理设计了光场相机系统,探测室内湍流池后方的目标以及室外湍流下500 m处目标,均获得了4 k以上个物点的准确低阶相位分布,给出了目标的三维点云图和清晰成像。结果表明,该方法无需变形镜系统,也不需要先验信息,是一种稳定工作的解析算法。     

电力线激光点云的分割及安全检测研究

为了进行高压输电线路安全检测分析，基于机载激光雷达（LiDAR）电力走廊数据，提出了一种基于密度的空间聚类方法（DBSCAN）的电力线激光点云单条分割提取算法。通过该方法可以实现输电走廊中单条电力线的快速分割提取。首先对电力线点云在x-O-y平面上投影，对投影后的激光点采用最小二乘法进行直线拟合；其次通过计算输电走廊长度，采用经验参量进行电力线点云分段；再次对分段点云在投影平面内进行DBSCAN聚类；最后将分段聚类结果类别归一化，得到单条电力线激光点云数据。结果表明，采用该方法能够在只需经验参量分段宽度的情况下，快速准确地对电力线激光点云进行分割提取，并根据分割结果进行电力线与电力走廊地物距离计算，判断危险点类型及距离。所提出的方法具有较高的提取与测量精度，能够有效地应用于电力线安全检测分析。     

一种基于飞行时间相机的点云目标提取方法

基于飞行时间(Time of Flight,TOF)原理的深度相机成像方法不同于二维图像来计算三维信息,而是通过光在空气中的飞行时间,来计算出目标的距离,从而直接获取场景目标的三维点云信息。本文通过研究基于飞行时间红外相机的三维重建技术,设计了一种基于飞行时间红外相机的点云目标提取方法。利用飞行时间相机直接获得场景的三维点云数据,提出一种双阈值空间滤波算法,对点云数据进行空间滤波,并对滤波效果进行了对比评价。在双阈值空间滤波算法的基础上提出了一种改进的基于法向量的随机抽样一致性(RANSAC)算法,实现了对三维点云数据的目标提取,为基于飞行时间相机的场景目标三维重建奠定了基础。     

远距离目标的多基线立体视觉点云成像技术

双目立体视觉是机器视觉的重要分支之一,其通过直接模拟人眼观察和图像处理的方式来获取探测目标的深度信息。这种非接触式的测量方法具有速度快、精度高、操作简单等特点,但是对于不同距离的目标,特别是远距离目标难以获取深度信息。提出了一种基于多基线双目立体视觉的远距离目标三维点云成像技术,该方法通过可变基线实现对不同距离目标的点云成像。实验结果表明,该方法能有效探测500 m～4 000 m范围内目标的深度信息,实现三维点云成像,突破了双目立体视觉远距离三维成像的技术难点,同时形成的三维点云与激光三维成像雷达的数据格式一致,为未来激光三维成像雷达技术与立体视觉技术的点云融合,优势互补提供了借鉴。