[发明专利]一种基于标准球架的三维点云拼接方法

说明书

本发明公开了一种基于标准球架的三维点云拼接方法，本分明通过标准球架为中间媒介，实现对测量视场区域内各局部坐标系的统一，消除了多视场拼接带来的累积误差；同时在点云精确配准过程中利用具有特征约束的球面点云构造虚拟重叠区域，提供了更精确地对应点对，并结合改进的迭代最近点算法，利用权函数优化求解拼接点云之间的转换关系，减少点云中较大的噪声影响，实现高精度三维点云拼接。

技术领域

本发明属于三维点云拼接领域，具体涉及一种基于标准球架的三维点云拼接方法。

背景技术

随着科学技术和工业的迅速发展，在逆向工程、产品数字化检测、形貌3D测绘等一系列要求下催生了对实体快速三维形貌测量的需求。随着三维测量技术的不断发展，其在航天航空领域、汽车工业领域、复杂自由曲面模具成型领域的应用也越来越广泛，人们对三维形貌的测量精度、测量速度和测量视场范围的要求也越来越高，高精度、大视场的三维测量技术成为现在目前的研究热点和难点。

在物体的三维轮廓测量中无论采用哪一种方式，由于受到被测物结构的限制、测量仪器工作范围的限制，往往通过一次测量无法实现对物体整体三维轮廓的测量，需要对被测物进行多方位多角度测量，为了获得物体正确的整体外部形貌，就需要通过点云拼接技术，将测量的单场数据拼接在一起获得被测物表面的整体数据点云，同时点云拼接属于三维测量过程中的数据处理阶段，各个局部点云数据之间的拼接精度也直接影响着整体的测量精度。因此点云拼接技术是三维形貌测量中的关键过程，也是实现对物体完整三维轮廓重构的重要处理步骤。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于标准球架的三维点云拼接方法，以标准球架作为中间媒介，将多个单场测量数据转换到统一坐标系中，避免了多视场拼接的累积误差；通过构造特征球面的方式，提高各测量点云数据间的重叠度，降低了拼接误差，实现了高效、高精度的三维点云拼接。

为了达到上述目的，本分明包括以下步骤：

S1，固定测量设备组合的空间位置，使测量设备的测量视场内至少能够拍摄到三个标准球；

S2，测量设备测量球架上每个标准球的球面点云数据，拟合球面获得每个标准球的球心坐标，以此来建立球架坐标系；

S3，计算标准球点云的曲率，并提取标准球球面的点云；

S4，通过距离约束，分割出不同的球面，并建立球心距离矩阵，建立不同球的对应关系；

S5，通过不同球的对应关系的将球体中心对齐，完成对来自同一标准球的对应点云拼接；

S6，利用拟合的球心坐标和已知半径特征构造连续球面，通过迭代最近点算法完成球面点云精确拼接。

测量设备为结构光测头或三坐标测量机。

S4中，在分割出不同的球面之后，确定两片点云中来自同一个标准球的球面对应关系。

通过建立球心距离矩阵来寻找对应关系，球心距离矩阵M：

矩阵M中的每个元素都是两个球心之间的距离，如果M矩阵的某一行和另一片点云球心距离矩阵的某一行有至少三个相等的元素，则改组数据对应的两个球来自同一个标准球。

S6中，通过采用球面任意部分测量点拟合的方法计算球面中心，同时测量球体半径作为约束条件提高构造精度，然后根据球面的中心和半径来构造整个球面，球面方程为：

(x_si-x₀)²+(y_si-y₀)²+(z_si-z₀)²＝r²