基于標(biāo)志點(diǎn)的三維點(diǎn)云自動(dòng)拼接技術(shù)

楊 帆，權(quán) 巍，白寶興，薛耀紅

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130022）

0 引 言

點(diǎn)云拼接［1］的方法中，最常用的是在物體表面粘貼標(biāo)志點(diǎn)，通過(guò)標(biāo)志點(diǎn)的匹配進(jìn)行變換矩陣的求解，再對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。目前，點(diǎn)云拼接所面臨的問(wèn)題是拼接自動(dòng)化程度不是很高，而且拼接的速度和精度也有待提高。為此，本文提出了一種基于標(biāo)志點(diǎn)的三維點(diǎn)云自動(dòng)拼接算法，首先匹配重疊區(qū)域內(nèi)標(biāo)志點(diǎn)，然后利用最小二乘法求取坐標(biāo)變換矩陣進(jìn)行點(diǎn)云拼接。

1 標(biāo)志點(diǎn)的自動(dòng)匹配

對(duì)于通過(guò)三維掃描儀測(cè)量得到的2組點(diǎn)云，其重疊區(qū)域一定位于2組點(diǎn)云的邊界區(qū)域；為了自動(dòng)匹配重疊區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)，首先根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)間的空間不變性，匹配位于重疊區(qū)域最外圍的3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)。然后，通過(guò)三點(diǎn)法［2］求取三對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的變換矩陣。最后，匹配重疊區(qū)域內(nèi)其它標(biāo)志點(diǎn)。

1.1 匹配重疊區(qū)域內(nèi)的三對(duì)標(biāo)志點(diǎn)

設(shè)2組點(diǎn)云的標(biāo)志點(diǎn)集合分別為移動(dòng)標(biāo)志點(diǎn)集合P 和參考標(biāo)志點(diǎn)集合Q。首先，獲取P 中x 坐標(biāo)值最大的3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，分別用Pxmax1、Pxmax2、Pxmax3表示，并計(jì)算x 坐標(biāo)值最大的標(biāo)志點(diǎn)到其它兩標(biāo)志點(diǎn)的距離，用‖Pxmax1Pxmax2‖2、‖Pxmax1Pxmax3‖2表示，其中‖.‖2表示歐式距離。接著，獲取P 中x 坐標(biāo)值最小的3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，分別用Pxmin1，Pxmin2，Pxmin3表示，并計(jì)算x 坐標(biāo)值最小的標(biāo)志點(diǎn)到其它兩標(biāo)志點(diǎn)的距離，用‖Pxmin1Pxmin2‖2、‖Pxmin1Pxmin3‖2表示。同理在y 方向上也進(jìn)行相同操作，獲取到的標(biāo)志點(diǎn)分別用Pymax1、Pymax2、Pymax3、Pymin1、Pymin2、Pymin3表示，設(shè)其中y坐標(biāo)值最大和最小的標(biāo)志點(diǎn)為Pymax1、Pymin1，其距離分別用‖Pymax1Pymax2‖2、‖Pymax1Pymax3‖2、‖Pymin1Pymin2‖2、‖Pymin1Pymin3‖2表示，把標(biāo)志點(diǎn)集合P 計(jì)算得到的距離組成如式 （1）的距離矩陣A。計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)集Q 中任意兩標(biāo)志點(diǎn)的距離，組成如式 （2）的距離矩陣B，其中k為Q 中標(biāo)志點(diǎn)的個(gè)數(shù)［3］

由于在提取標(biāo)志點(diǎn)的圓心坐標(biāo)時(shí)存在誤差，因此如果2個(gè)標(biāo)志點(diǎn)距離值的差值不超過(guò)指定閾值，則認(rèn)為這2個(gè)標(biāo)志點(diǎn)距離值是相等的。在三維測(cè)量中，重疊區(qū)域在視點(diǎn)1下某個(gè)點(diǎn)到其它J 個(gè)點(diǎn) （J≥2）的距離，與在視點(diǎn)2下某個(gè)點(diǎn)到J 個(gè)點(diǎn) （J≥2）的距離都對(duì)應(yīng)相等，則很有可能這2點(diǎn)為一對(duì)標(biāo)志點(diǎn)對(duì)?；诖税袮 中每一行和B 中的每一行進(jìn)行比對(duì)，即如果A 中的某一行全部元素和B 某一行中2個(gè)元素相等，則組成A 中該行元素的3個(gè)點(diǎn)和在B 中對(duì)應(yīng)相等的2個(gè)元素組成的3個(gè)點(diǎn)，有可能為3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)對(duì)，再通過(guò)任意一點(diǎn)到其它2點(diǎn)的夾角是否相等來(lái)進(jìn)一步確定是否為標(biāo)志點(diǎn)對(duì)［4］。

1.2 三點(diǎn)法求解初始變換矩陣

1.3 匹配其它標(biāo)志點(diǎn)對(duì)

根據(jù)R、T 對(duì)標(biāo)志點(diǎn)集合P 中的所有標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換得到標(biāo)志點(diǎn)集合P′。為了匹配坐標(biāo)變換前的重疊區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)，引入哈希表［6］來(lái)保存標(biāo)志點(diǎn)變換前后的對(duì)應(yīng)關(guān)系。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后，標(biāo)志點(diǎn)集合P′和參考標(biāo)志點(diǎn)集合Q 的重疊區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)對(duì)非常接近。匹配其他標(biāo)志點(diǎn)的算法如下：

（1）首先用哈希表記錄標(biāo)志點(diǎn)集合P 和P′中各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（2）參考標(biāo)志點(diǎn)集合Q 根據(jù)文獻(xiàn) ［7］的方式構(gòu)建k－d樹(shù)，搜索目標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)集合P′中每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在Q 中最接近的標(biāo)志點(diǎn)。

（3）由于需要排除掉不在重疊區(qū)域內(nèi)的最接近點(diǎn)對(duì)，所以設(shè)置一個(gè)最大距離閾值dmax，如果最接近點(diǎn)對(duì)的距離超過(guò)dmax，則刪除該點(diǎn)對(duì)。一般dmax設(shè)置不易過(guò)大，因?yàn)橹丿B區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)對(duì)已經(jīng)非常接近。

（4）通過(guò)步驟 （3）搜索完重疊區(qū)域內(nèi)標(biāo)志點(diǎn)對(duì)，再用哈希表把P′中位于重疊區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)替換成標(biāo)志點(diǎn)集合P 中的標(biāo)志點(diǎn)。

2 求取點(diǎn)云變換矩陣

重疊區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)匹配完成后，采用最小二乘法求取點(diǎn)云變換矩陣進(jìn)行點(diǎn)云拼接。設(shè)待拼接的2組點(diǎn)云分別用M 和N 來(lái)表示，M 中搜索到位于重疊區(qū)域的標(biāo)志點(diǎn)集為I，其中第i個(gè)標(biāo)志點(diǎn)用Ii表示，一共有n個(gè)標(biāo)志點(diǎn)。在點(diǎn)云N 中對(duì)應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)集為L(zhǎng)，其第i個(gè)標(biāo)志點(diǎn)用Li表示，對(duì)應(yīng)的也有n個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，目標(biāo)函數(shù)采用式 （7）的形式，其中X 為坐標(biāo)變換矩陣，其由旋轉(zhuǎn)矩陣珟R 和平移矩陣珟T 組成，即如式 （8），而Ii和Li用齊次坐標(biāo)表示。對(duì)于式 （7）可以通過(guò)奇異值分解法 （SVD）［8］，四元素法［9］和最小二乘法的方法求取坐標(biāo)變換陣。

由于在提取標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí)存在測(cè)量誤差，所以本文采用最小二乘法［10］進(jìn)行求解。標(biāo)志點(diǎn)集進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)，有式 （9）的坐標(biāo)變換關(guān)系，而相應(yīng)的、珟L 用矩陣表示如式 （10）所示。為了便于求解，對(duì)矩陣珟L 進(jìn)行變換，設(shè)置變量，其值如式 （11）。則式 （9）相應(yīng)的可以轉(zhuǎn)變成式 （12）的形式。由于要求解變換矩陣X，也就是求解目標(biāo)函數(shù)的最小值，只需要求取變換矩陣X 的最小值，等價(jià)于求取式 （9）的極小值。通過(guò)式 （12）可以知道其極小值為式 （13）的形式，其中為的廣義逆矩陣。當(dāng)求解出各個(gè)Xi的極小值，則可以通過(guò)式 （14）求出X 的最小值

3 點(diǎn)云拼接實(shí)驗(yàn)

結(jié)構(gòu)光掃描儀通過(guò)投射結(jié)構(gòu)光來(lái)獲取物體表面的三維信息，避免了傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方式，具有掃描速度快、測(cè)量精度高、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)［11］。故本文采用結(jié)構(gòu)光掃描儀獲取點(diǎn)云的信息。其中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置環(huán)境為CPU 2.00GHz，內(nèi)存2.00GB，windows 7操作系統(tǒng)。一般進(jìn)行三維重構(gòu)方法分為系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定、結(jié)構(gòu)光的編解碼和特征點(diǎn)的三維信息計(jì)算3個(gè)部分［12］，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)上述操作以后進(jìn)行多角度點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取。

為了檢驗(yàn)本文提出的拼接算法，使用如圖1所示的人臉模型進(jìn)行了拼接實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將黑底白面的圓形標(biāo)志點(diǎn)粘貼在模型表面，采用結(jié)構(gòu)光三維掃描儀在2個(gè)視角分別投射結(jié)構(gòu)光進(jìn)行采集點(diǎn)云信息，如圖2所示。其中右部視角獲取到的點(diǎn)云個(gè)數(shù)為30680個(gè)，左部視角獲取到的點(diǎn)云個(gè)數(shù)為37392個(gè)。通過(guò)本方法首次獲取重疊區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)對(duì)信息，見(jiàn)表1，而表2是進(jìn)一步獲取重疊區(qū)域內(nèi)其它標(biāo)志點(diǎn)對(duì)信息。

圖1 實(shí)物模型

圖2 模型在2個(gè)視角下的點(diǎn)云信息

本文獲取標(biāo)志點(diǎn)對(duì)的方法和文獻(xiàn) ［13］的方法進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)［13］提出根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)對(duì)間的相容性進(jìn)行匹配標(biāo)志點(diǎn)對(duì)，其首先分別計(jì)算2組點(diǎn)云中任意2個(gè)標(biāo)志點(diǎn)之間的距離，組成2個(gè)距離矩陣，通過(guò)比對(duì)距離矩陣以后再判斷匹配信息表是否含有匹配標(biāo)志點(diǎn)對(duì)集。這不僅降低了匹配速度，還提高了誤匹配率，其針對(duì)匹配歧義問(wèn)題，還通過(guò)3個(gè)策略來(lái)處理匹配歧義問(wèn)題，使匹配標(biāo)志點(diǎn)對(duì)的算法更加復(fù)雜。而本文主要考慮到拼接完成后重疊區(qū)域內(nèi)標(biāo)志點(diǎn)對(duì)非常接近這一特性，匹配重疊區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)對(duì)，本文的方法從整體上降低了比對(duì)復(fù)雜性，不會(huì)出現(xiàn)匹配歧義問(wèn)題。

表1 首次獲取到的3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)對(duì)信息

表2 獲取重疊區(qū)域的其它標(biāo)志點(diǎn)對(duì)信息

由于目前對(duì)拼接精度沒(méi)有達(dá)成一致的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，而最常用的拼接精度一般采用標(biāo)志點(diǎn)對(duì)的平均重合度誤差，也就是拼接后標(biāo)志點(diǎn)對(duì)之間的平均距離誤差。所以利用本文提出的標(biāo)志點(diǎn)的三維點(diǎn)云自動(dòng)拼接方法對(duì)2 組點(diǎn)云進(jìn)行拼接，拼接后的效果圖如圖3 所示，通過(guò)表3計(jì)算的拼接平均距離誤差達(dá)到0.0275 mm。而文獻(xiàn)［13］的在其自己的系統(tǒng)環(huán)境下對(duì)汽車(chē)門(mén)進(jìn)行拼接實(shí)驗(yàn)后其整體的拼接誤差達(dá)到0.0545 mm。為了便于比較，本文對(duì)人頭模型采用文獻(xiàn) ［13］的方法再次進(jìn)行拼接實(shí)驗(yàn)，其拼接后的效果如圖4 所示，相應(yīng)的拼接平均距離誤差達(dá)到0.0423 mm，見(jiàn)表4。可以看出本文的方法的拼接精度高。

圖3 本文拼接后的效果

圖4 文獻(xiàn) ［13］拼接后的效果

表3 本文方法拼接后標(biāo)志點(diǎn)拼接誤差

表4 文獻(xiàn) ［13］拼接后標(biāo)志點(diǎn)拼接誤差

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種標(biāo)志點(diǎn)的三維點(diǎn)云自動(dòng)拼接方法。由于三點(diǎn)可以確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，所以利用標(biāo)志點(diǎn)間的空間特征不變性匹配位于重疊區(qū)域最外圍的3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，根據(jù)三點(diǎn)法求取變換矩陣。通過(guò)變換矩陣對(duì)待拼接點(diǎn)云的所有標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換，變換后位于重疊區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)對(duì)非常接近，引入哈希表來(lái)記錄標(biāo)志點(diǎn)變換前后對(duì)應(yīng)關(guān)系。用k－d樹(shù)來(lái)搜索最接近點(diǎn)對(duì)，設(shè)置最大距離閾值來(lái)排除錯(cuò)誤點(diǎn)對(duì)，提取坐標(biāo)變換后的重疊區(qū)域內(nèi)標(biāo)志點(diǎn)對(duì)。由于需要匹配坐標(biāo)變換前的重疊區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)對(duì)，所以利用哈希表把變換后位于重疊區(qū)域內(nèi)標(biāo)志點(diǎn)替換成變換前的標(biāo)志點(diǎn)。通過(guò)三維拼接實(shí)驗(yàn)可以看出本文方法的拼接精度達(dá)到0.0275mm，符合工業(yè)要求；能夠很好的運(yùn)用在工業(yè)測(cè)量。

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