[发明专利]一种基于点对变换特征的三维局部表面描述方法和系统

说明书

本发明公开了一种基于点对变换特征的三维局部表面描述方法和系统，属于三维目标识别技术领域。本发明仅仅采用关键点和点对之间的一个单一集合特征将三维局部表面点对集合划分为多个点对子集，该几何特征具有极高的稳定性，避免了利用法向量划分点对子集时存在的抗干扰能力差的问题，增强了三维局部表面描述的鲁棒性；本发明所构建的点对变换特征不仅编码了点对之间的空间位置关系、点对法相量之间的空间位姿关系，还编码了关键点与点对之间的位姿关系，极大的丰富了描述子所蕴含的局部表面信息，实现了在具有各种干扰场景下点云局部表面鲁棒地、有辨别力地描述，为实现精确、鲁棒的目标识别、3D配准等应用提供鲁棒的三维局部表面描述子。

技术领域

本发明属于三维目标识别技术领域，更具体地，涉及一种基于点对变换特征的三维局部表面描述方法和系统。

背景技术

三维局部表面描述是三维视觉与机器人领域中十分关键的一项技术，被广泛的应用于三维形状检索、点云配准、三维目标识别、机器人抓取等实际应用中。同时，随着三维成像技术的快速发展，涌现出了越来越多的三维数据获取设备，使得三维数据更易获取，这进一步增强了研究表面描述这类三维视觉任务的重要性。

一个局部表面描述子通常会编码隐藏在局部表面的几何信息和空间信息并最终以向量的形式来表征。局部描述子除了需要对刚性变换具有不变性，还需要对各种干扰(例如：噪声、变分辨率、杂乱与遮挡)具有很好的鲁棒性，同时具有很高的描述性以区分不同的三维局部表面。前人在这方面做了很多工作，但是，这些方法要么仅仅编码三维局部表面的几何信息而不包含空间信息，导致描述性和鲁棒性低，要么利用局部参考坐标系编码局部表面的几何信息与空间信息，但由于局部参考坐标系不稳定，会降低表面描述方法的性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于点对变换特征的三维局部表面描述方法和系统，其目的在于提高在不同应用背景下进行三维局部表面描述的鲁棒性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于点对变换特征的三维局部表面描述方法，包括：

S1.获取待处理的三维点云并进行预处理，得到每个点对应的法向量和多个关键点集；

S2.提取每个关键点在设定半径邻域内的局部点云；

S3.对每个关键点计算其与局部点云中所有点对的几何特征，根据该几何特征将所有点对划分为多个子集；其中，几何特征包括：关键点到点对的距离、关键点与点对所构成的两条直线的夹角；

S4.将点对中法向量与点对之间线段所成角度较小值对应的点作为源点，将另一点作为目标点，分别构建源点坐标系和目标点坐标系；

其中，源点坐标系的构建过程为：以源点作为源点坐标系的原点；将从关键点指向源点的单位向量u_i作为源点坐标系的x轴，将对u_i和源点法向量利用右手法则得到的单位向量v_i作为y轴，将对u_i和v_i利用右手法则得到的单位向量w_i作为z轴；目标点坐标系构建过程同理；

S5.将源点坐标系和目标点坐标系之间的变换矩阵中的旋转矩阵所对应的三个欧拉角，以及源点到目标点的欧氏距离分别作为四个点对变换特征；

S6.将四个点对变换特征组成多个二维特征空间并离散化，统计点对分布信息，生成三个点对变换特征直方图。

进一步地，预处理过程具体包括：

对三维点云建立k维树；

对三维点云中的每个点利用建立的k维树搜索K个近邻点，利用K个近邻点对每个点进行法向量方向和符号的计算；

对三维点云降采样，获得设定数量的关键点。

进一步地，采用主成分分析方法对每个点进行法向量方向和符号计算。