[发明专利]层次化的多片点云刚性配准方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形中的面向真实物体的3D建模领域，具体涉及一种用于凭借三维表面数据获取设备对真实物体进行3D建模时层次化的多片点云刚性配准方法。

背景技术

所谓多片点云刚性配准是指通过刚体变换对多片有重叠关系的点云进行位置对齐的过程。通常这些点云数据都是利用三维数据获取设备，如三维扫描仪器，采集到的物体的三维表面数据。所谓点云就是由一些离散的三维点组成的集合。对齐的目的是为了将点云之间有重叠的部分在空间位置上保持一致，这样才能构成一个完整的物体的表面。多片点云刚性配准研究具有重要意义，因为利用三维获取设备对真实世界的物体建模已经被广泛应用于三维建模的领域中，可以省去大量的手工建模操作并捕获更多模型的细节。无论是小型的物体或是大型的建筑，甚至整个城市都可以利用三维数据获取设备采集表面的点云数据。这些点云数据最初都位于独立的局部坐标系内，对它们进行配准采用统一到全局的坐标系下，因此，配准是对真实物体进行三维建模时不可缺少的关键步骤。

目前，现存相当数量的各式各样的点云刚性配准算法，例如著名的Iterative Closest Point(ICP)算法等。然而现存的诸多算法在多片点云配准时存在相当大的不足。ICP算法最大的不足在于它只能对两片点云进行配准，而且简单的利用ICP算法对多片点云进行串行的配准时又会产生刚体变换不封闭的问题。多片点云配准技术目前还没有发展到如双片点云配准技术那么成熟。该类算法一般首先对点云进行两两的刚性配准，然后检测刚体变换是否在环中保持封闭，如果不封闭，则通过微调使其保持封闭。该类算法虽然复杂度低，在点云两两刚性配准的结果理想的情况，也能得到较好的结果。随着点云片数的增多，点云初始位置的条件变差，算法鲁棒性会下降，最终配准的结果可能会有错误或者陷入了局部最优解。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够对多片点云进行高精度的刚性配准并保证配准的封闭性、运算效率高、对点云初始位置条件依赖性低的多片点云刚性配准方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种层次化的多片点云刚性配准方法，包括：

(1)建立表示多片点云之间重叠关系的连接关系图，图中的每个节点表示一片点云，每条边连接两片有重叠关系的点云；

(2)将所述连接关系图中每两片有连接关系的点云分别进行刚性配准，记录刚性配准后两片点云之间的刚体变换、重叠面积以及点与点的对应关系；

(3)以步骤(2)计算得到每两片点云之间的重叠面积为权重，提取出所述连接关系图中的最大生成树，再以此最大生成树为基准，根据最大化重叠面积和最短化环路长度的原则，提取出所述连接关系图中的所有独立的环；

(4)根据步骤(2)得到每两片点云之间的刚体变换和点与点的对应关系，计算步骤(3)中提取的每个独立的环的闭合程度；

(5)对步骤(3)提取的每个独立的环依次进行封闭操作以优化各片点云的刚体变换，使优化后的各片点云之间的相对刚体变换满足刚体变换的一致性；

(6)对优化后的所有点云进行全局的配准误差扩散操作以完成刚性配准。

本发明的层次化的多片点云刚性配准方法中：

作为优选，步骤(3)中，最大化重叠面积和最短化环路长度的原则为：提取独立的环时，按权重从大到小开始逐条加边，每加一条边提取出一个路径长度最短的环。

作为优选，步骤(4)中，计算独立的环闭合程度的方式为最小化以下函数：

其中，和是该函数自变量，分别表示作用于该环中第t和第t+1片点云的刚体变换；

L表示该环中点云的片数；

N_t是步骤(2)计算得到的第t和第t+1片点云之间的对应点数目；

和是步骤(2)计算得到的分别位于第t和第t+1片点云中的一组对应点，其中i为所有对应点的索引号；

ψ_t是步骤(2)计算得到的第t片点云相对于第t+1片点云的刚体变换；

是ψ_t的逆变换；

表示第t片点云中的点经过刚体变换ψ_t后的结果，表示第t+1片点云中的点经过刚体变换后的结果。

E_closure值越小表示该环闭合程度越高。

步骤(5)中，对每个独立的环依次进行封闭操作的顺序由每个独立的环的闭合程度高低来确定，闭合程度高的环优先封闭。