[发明专利]一种快速三维点云搜索匹配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速三维点云搜索匹配方法，属于遥感与测绘、计算机视觉与模式识别技术，适用于任何三维数字化仪获取的三维点云数据。

背景技术

三维点云配准一直是计算机视觉与模式识别、遥感与测绘领域十分关注的问题。已有的配准方法大多基于ICP算法通过迭代方式在两点云间寻找最近点，从而实现点云配准。如果场景中存在相似结构，迭代往往会陷入局部最小，出现误匹配，从而导致整个配准失败。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种快速三维点云搜索匹配方法，该方法从点云几何形状入手，通过两点云间的相互移动、旋转完成不同精度下的遍历搜索，找到最佳匹配位置，算法容错性好，适合任何三维数字化仪获取三维点云的搜索匹配。

本发明的技术解决方案：一种快速三维点云搜索配准方法，其特征在于：

(1)在二点云几何中心点重合的情况下，定义点云中距离几何中心点距离最远点为点云方向，此点与几何中心点的连线为点云主轴，完成二待配准点云主轴的拟合。

(2)以二点云几何中心点为起始点，以动点云主轴为方向，生成与之重合的0号测量中心轴，在该测量轴四周均匀分布1～4号测量边轴。保证4边轴与中心轴夹角一致。5条测量轴代表了动点云在一次迭代过程中与静点云最佳配准位置的搜索范围。随着迭代步数的增加，边轴与中心轴的夹角逐渐缩小，使得搜索范围减小，提高搜索精度。

(3)令动点云主轴与上述5条测量轴分别重合。在每一个重合位置，动点云围绕当前测量轴旋转360°，进行低精度搜索。在此过程中，以1°为步长，在共记360个配准位置上分别计算与静点云的配准误差，并记录。完成搜索后，以最小误差作为本次低精度搜索的结果。

(4)以低精度搜索的最终结果为基础，在±1°的范围内以更小的步长进行高精度搜索。动点云在每一个配准位置上测量其与静点云的配准误差，寻找其中最小值作为动点云在当前测量轴上的最终配准结果。

(5)使动点云主轴分别与5条测量轴相重合，并在每个位置上分别执行上述步骤(3)、(4)中所述低精度搜索与高精度搜索步骤，获得每条测量轴上的最佳配准位置，每个位置附带一个配准误差。从5个误差中选取最小值，该最小值对应的配准位置成为本次迭代动、静点云最佳配准位置。

所述步骤(3)中配准误差求解方法如下：

(3.1)依序遍历动点云中的每一个点，在静点云中寻找距离最近的对应点，形成点对。此点对需遵守一对一的关系建立，不可重复利用静点云中的同一点形成不同点对。

(3.2)计算每一点对的间距，求取所有点对的距离平均值，以此作为二点云的配准误差。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在二点云中挑选符合相同条件的特征点作为点云的方向，采用迭代的方法在逐渐缩小的搜索范围中遍历寻找两点云间的最小拟合误差位置，实现精确配准。

(2)本发明从定义点云方向入手，通过在不断缩小的范围内搜索、比较参算二点云的最佳配准位置，从而获得最优解。此计算过程无需预备配准算法辅助，具备较强的容错性。

(3)本发明属于限定范围内的遍历算法，在计算过程中会依据参数设定搜索一定空间内动点云的所有可能配准位置、姿态，故无需在动、静二点云间形成固定点对。此特性令操作人员手动选取特征点时无需考虑点对对应关系，提高了工作效率。

(4)通过对关键参数(初始轴间夹角α₀、夹角缩减率k)的修改，本发明可以实现在搜索范围与搜索速度之间的取舍，从而适应不同的配准环境。

附图说明

图1为本发明的方法实现流程图；

图2为本发明中动(P)、静(X)模型点云的初始状态；

图3为本发明中动(P)、静(X)模型点云中心重合后的状态；

图4为本发明中主轴拟合后的结果；

图5为本发明首次迭代中的测量轴结构；

图6为本发明中动点云低精度搜索过程；

图7为本发明中动点云高精度搜索过程；

图8为本发明中动点云在不同测量轴上的搜索过程；

图9为本发明中模型点云的10次迭代结果及迭代路径示意图。

具体实施方式