[发明专利]多角度三维数据配准方法及装置

说明书

本发明公开了一种多角度三维数据配准方法及装置，其中，该方法包括：获取参考平面在三维扫描系统的转台上每转动预设角度的多组三维数据；参考平面垂直于转台；对每组三维数据进行拟合，得到多个拟合平面；根据多个拟合平面与同一截面的交线的方向，确定三维扫描系统的转轴的旋转方向；根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系，确定转轴的最优空间坐标；根据转轴的最优空间坐标，对在三维扫描系统下获取的待扫描物体的三维扫描数据进行配准。上述技术方案提高了多角度三维数据配准的效率和精确度。

技术领域

本发明涉及数据配准技术领域，特别涉及一种多角度三维数据配准方法及装置。

背景技术

现有的3D扫描系统只能够对扫描范围内的表面可见信息进行扫描，为了获取物体完整的3D模型，常需将扫描器本身进行移动，或者将被扫描物体进行旋转或者移动，来完成物体不同角度三维信息的获取。由于扫描系统的位置或者物体位置的变化，每次扫描数据都被限定在不同的扫描仪坐标系或者物体坐标系下，从而导致输出3D数据无法直接有序排列到一个统一的坐标系内。为了得到物体完整的3D信息，需要对这些多角度的3D扫描数据进行匹配。现有的3D扫描系统中，常用的扫描数据配准方法有以下四种：

(1)手动法：手动在相邻扫描数据上选择对应点，然后根据对应点的位置变换计算变换矩阵对扫描数据进行配准。该类方法要求相邻扫描数据存在较大的重叠区域，这一要求限制了扫描旋转角度，从而导致扫描效率的降低。该类方法的另一个缺点在于数据排列的准确性取决于操作人员的输入精度，而对于没有明显特征的表面，输入精度就更加难以保证。再次是这类非自动的配准方法耗费人力且效率不高。

(2)标记法：在扫描物体上附着上一个小的可检测的物体，成为标记或者目标，由操作员识别并进行精确的输入或者通过其他辅助的图像处理算法和几何算法识别相应点进行输入，完成相邻扫描数据的配准。该类方法与手动方法相比在精度和效率上有所提高但是还是存在以下几个缺点：①必须确保相邻两次扫描视线中存在一定数目的标记点，从而限制了被扫描物体每次的转动角度,增加了扫描次数和数据量；②在物体扫做标记或者附加标记，有可能对扫描物体造成损害，同时在由于标记的物理尺寸可能导致扫描对象表面信息的遮盖，造成扫描数据的细节损失；③标记的数目以及大小无法建立统一的标准，标记数目太少，扫描数据中可能出现标记不足，标记数目太多，可能造成扫描数据干扰严重的问题，标记的物理尺寸太小，可能无法检测，标记物理尺寸太大，可能导致操作员输入精度下降。

(3)图像和几何分析方法：该类方法通过检测相邻视角的图像或者扫描数据，通过检测和提取特征，同时对特征进行配准来完成模型的配准。该类方法的缺点在于：①方法对于扫描物体的表面特征和纹理存在限制，在纹理不明显或者特征不明显的情况下，该方法可能无法完成配准任务；②方法需要检测相邻图片的对应像素点或者检测相邻扫描数据的对应特征点，算法计算量大，且误差来源无法保证；③通过像素匹配和几何特征匹配的方法，需要相邻扫描数据存在一定的重叠面积以便检测对应特征，从而导致扫描视角移动的角度的限制，增加扫描次数，降低的扫描效率。

(4)转盘轴心标记法：通过计算转盘中轴在扫描仪坐标系中的坐标，同时通过获取旋转角度来计算每片扫描数据的变换坐标，从而完成数据整体配准。目前该类方法存在的问题是无法准确将转台旋转轴标定到扫描仪坐标系内。通常该类标定都采用球进行标定，然而由于扫描仪视角有限，每次扫到球面面积有限，通过拟合计算标定球的球心，算法本身就存在拟合误差。同时通过转台移动小球，得到三个球心位置并再次进行拟合推算转台轴心位置。之后通过计算的轴心得到粗配数据后，对数据进行进一步的细配准。该类方法无法脱离扫描数据的精细配准步骤，配准效率低，且现有的各类精细配准算法的适用性有限，无法使用一种算法完成所有模型的精配准，且由于算法稳定性问题，每次配准后需要人为判断，耗费人力。另外一种方法是在转轴中心摆放平面物体，通过多次扫描得到的平面数据的交线作为转轴，但需要平面物体摆放位置非常精确，有较高的操作要求，难以保证每次都成功。