專利名稱：一種基于空間直線識別與匹配的多視角三維數(shù)據(jù)拼接方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于空間直線識別與匹配的多視角三維數(shù)據(jù)拼接方法，它是空間三維點云數(shù)據(jù)處理的一種方法，具體涉及一種多視角三維數(shù)據(jù)的拼接方法，屬于三維測量及計算機視覺技術領域。
背景技術：
在三維測量中，經常需要獲取工件的整體三維形貌模型，由于單個視角測量的限制，需要將多個視角測量結果拼接到一起才能得到整體的形貌數(shù)據(jù)，因此拼接方法的選擇 顯得比較關鍵。為了實現(xiàn)多視角點云的拼接，常用的方法是通過在測量對象表面粘貼標志點，通過對標志點的識別和定位確定不同視角之間的變換矩陣，通過變換矩陣實現(xiàn)多視角三維數(shù)據(jù)的匹配。此外，也有不需要通過標志點僅僅依靠點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)拼接的方法，不同視角的三維點云數(shù)據(jù)的拼接通過視角中的重合區(qū)域的迭代匹配調整實現(xiàn)，常用的方法是ICP(iterative closet point)算法以及改進算法?；谀Ｐ捅砻嬲迟N標志點的方法能夠提供較高拼接精度但由于要在表面粘貼標志點，測量過程繁瑣且有些模型測量時不能接觸，限制了方法的應用。而基于點云數(shù)據(jù)的拼接方法在執(zhí)行過程中需要迭代的搜索對應點對和調整相對姿態(tài)，需要消耗大量時間，且在運算過程中容易出現(xiàn)收斂到局部極值從而無法實現(xiàn)對準。對于有明顯邊界的模型三維數(shù)據(jù)對準的問題，棱邊信息能夠基本表達模型的輪廓特征，棱邊對應的直線特征能夠為三維數(shù)據(jù)的對準提供較強的約束，且由于直線參數(shù)相對大量點云數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)量上大大減少，因此基于直線特征的三維點云數(shù)據(jù)拼接方法會給具有明顯邊界三維模型的拼接帶來極大便利。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出了一種基于空間直線識別與匹配的多視角三維數(shù)據(jù)拼接方法，適用于具有明顯棱邊特征的三維點云數(shù)據(jù)多視角拼接。它通過利用不同視角點云模型的線特征匹配關系進行拼接，同現(xiàn)有的點云數(shù)據(jù)拼接方法相比，可以大量的減少運算量并能夠有效預防收斂錯誤。技術方案為了實現(xiàn)有明顯邊界的多視角三維點云快速拼接，本發(fā)明提出了一種基于空間直線識別與匹配的多視角三維數(shù)據(jù)拼接方法。，適用于具有明顯棱邊特征的三維點云數(shù)據(jù)多視角拼接。它首先根據(jù)直線特征提取方法提取三維點云數(shù)據(jù)中的直線參數(shù)，然后根據(jù)提取直線的相互之間的位置和角度等的約束關系能夠實現(xiàn)不同視角下公共直線的匹配識別，接著在匹配直線的基礎上找到不同視角下旋轉不變的對應點，最后基于對應點進行全局姿態(tài)最優(yōu)姿態(tài)求取從而實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的拼接。本發(fā)明一種基于空間直線識別與匹配的多視角三維數(shù)據(jù)拼接方法，該方法具體步驟為
步驟一從原始點云數(shù)據(jù)中提取直線特征參數(shù)首先根據(jù)點云數(shù)據(jù)的曲率大小找到屬于線特征的點云，假設點云集合可用P {(X1, Y1, Z1)…(xn，yn, zn)}表示，(U, J)為坐標的均值，由均值可構建矩陣
權利要求
1.一種基于空間直線識別與匹配的多視角三維數(shù)據(jù)拼接方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟一從原始點云數(shù)據(jù)中提取直線特征參數(shù)首先根據(jù)點云數(shù)據(jù)的曲率大小找到屬于線特征的點云，假設點云集合用PKx1, Y1, Z1)…(xn，yn, zn)}表示,(I為坐標的均值，由均值構建矩陣，則P的協(xié)方差矩陣X=[p-N]T [P-N] 根據(jù)特征值以及特征向量的特性， X Ct =入 a,設X1,入2，A3為X的特征值,且大小關系有入i〈入2〈入3，則曲率的估 I計值為P^ature= ^ 根據(jù)曲率的大小分布設立閾值threth，則曲率估值大于")5threth的被認為是線特征點云； 在提取的線特征點云的基礎上，對線特征點云包含的直線參數(shù)進行求取，對線特征點云的特征值和特征向量分析，aU a 2> a 3為人1’ \ 2，^對應的特征向量，則a 3就是點云的直線方向估計；將所有的點云的直線方向估計進行歸一化得到“將歸一化后的 ，向量在高斯向量球中進行三維映射，得到的高斯向量球中的點云聚類的中心認為是直線的方向，通過聚類分析得到各個聚類的中心，也就得到了點云中包含直線特征的所有可能方向； 在獲取三維直線的方向之后，再找到三維直線的空間位置就實現(xiàn)對三維直線的確定；沿著一條直線的方向投影到平面上，獲得匯聚于一點的線特征點云聚類，由于可能存在平行的空間三維直線，因此匯聚平面上可能有超過一個的匯聚點；運用聚類分析方法得到各個聚類的中心，從而實現(xiàn)直線參數(shù)的獲??； 運用Household矩陣實現(xiàn)將線特征點云沿著自身方向往平面上進行投影，若直線的方向用向量表示為g =七=5令& = 則轉換矩陣為R=I_2bbT，對于線特征點云集P，經過投影后的點云P’ =R P，如果人為的將P’的z軸坐標設為零，則得到在平面上投影結果；在平面范圍內進行聚類分析得到聚類中心，則直線的投影位置得到，從而實現(xiàn)了對直線參數(shù)的確定； 步驟二 實現(xiàn)不同視角相關直線的匹配假設某個視角下有直線I1: (X1, Y1, Z1)過一點(a” bv C1),直線 I2: (x2, Y2, z2)過一點(a2, b2, c2), 若 ^1=B1 (X2-X1) +bj (Y2-Y1) +C1 (Z2-Z1) k2=a2 (X2-X1) +b2 (Y2-Y1) +C2 (Z2-Z1)M=Bja2+bjba+CjCa N=a12+b12+c12 P=a22+b22+c22 t= (k2 N-k: M) / (M2-P N) s= (k2 M-k: P) / (M2-P N)式中 kl、k2、M、N、P、t、s 是由直線 I1: (X1, Y1, Z1),直線 I2: (x2, y2, z2),點(a1; b1； C1),點(a2, b2, c2)數(shù)據(jù)組成的代數(shù)式的等價表示形式； 則兩條空間直線的距離dist= I X2-Xjs (B2-B1), y2-y!+s Od2Hd1)，Z2-Zjs (C2-C1) 兩條空間直線的夾角
全文摘要
一種基于空間直線識別與匹配的多視角三維數(shù)據(jù)拼接方法，適用于具有明顯棱邊特征的數(shù)據(jù)多視角拼接，主要包括以下步驟提取三維點云數(shù)據(jù)中的直線段；根據(jù)所提直線段間的位置和角度等固有約束關系實現(xiàn)不同視角下公共直線段的匹配；在直線段匹配的基礎上找到不同視角下旋轉不變的對應點，基于對應點獲得最優(yōu)全局姿態(tài)轉換矩陣，實現(xiàn)多視角三維數(shù)據(jù)拼接。
文檔編號G06F17/10GK102968400SQ20121039775
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月18日 優(yōu)先權日2012年10月18日
發(fā)明者李旭東, 趙慧潔, 李偉, 姜宏志 申請人:北京航空航天大學