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散乱点云自动配准技术研究

作　者: 李选富
导　师: 吴晓军
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 点云配准 ICP 三维重建曲面匹配
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 195次
引　用: 1次
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内容摘要

三维重建技术广泛运用于逆向工程、文物数字化保存、3D动画等领域,而且随着数字化技术和计算机技术的发展,需求越来越多。点云的配准是三维重建的关键技术之一,全自动配准算法因为稳定性差、配准速度慢在应用中受到了限制。目前商业产品中都采用手动配准、在重建物体上贴标志点、或者标定相对运动的方法来实现点集的配准。本文为开发3D激光扫描仪,研究开发了点云的自动配准方法,从全局配准和局部配准两方面进行深入研究,提出高精度、快速收敛、较为鲁棒的自动配准方案。全局配准解决任意位置的点集粗配准问题,为局部配准提供初值。本文采用Mitra提出的四点算法实现了鲁棒的全局配准,四点算法采用RANSAC机制,运用在同一平面上的四点,其对角线交点分得的线段比例在刚体变换下是不变量的特征,提高了算法速度。对于重叠区域较小、曲面对称性较强的点集匹配,采用手动配准结果作为局部匹配的初值。局部匹配需要预估两个点集间的位姿,以实现精确的配准,ICP算法是其中的经典算法之一。本文首先比较了ICP算法中各种改进策略对ICP性能的影响。结合Hong-Tan算法,本文提出了HT-ICP算法,改善了ICP的精度、收敛速度、收敛域。借鉴Kwang-Ho Bae的GP-ICP算法,提出了GHT-ICP算法,在一定程度扩大了HT-ICP算法的收敛域,提高了自动算法的鲁棒性。实验结果表明,自动配准算法对重叠区域超过40%的点集配准都能够获得精确的结果。配以手动配准提供初值,能够完全解决点集配准问题。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-14
  1.1 三维重建技术简介  8-10
  1.2 课题研究内容与意义  10-13
    1.2.1 研究点集自动配准的意义  10-11
    1.2.2 研究内容  11-13
  1.3 论文组织框架  13-14
第2章点云配准技术综述  14-28
  2.1 点云配准的数学模型  14-15
  2.2 全局配准（Global Registration）  15-18
    2.2.1 基于投票法则的全局匹配  16
    2.2.2 基于几何特征和不变量的全局匹配  16-17
    2.2.3 其他方法  17-18
  2.3 局部配准（Local Registration）  18-22
    2.3.1 ICP 算法  18-19
    2.3.2 改进的ICP 算法  19-21
    2.3.3 基于遗传算法的精确配准方法  21-22
  2.4 刚体变换下的不变量与几何特征  22-26
    2.4.1 曲率与主曲率  22-23
    2.4.2 点间距离、比例与法向量夹角  23
    2.4.3 Spin image 特征  23-24
    2.4.4 Point signature 特征  24-25
    2.4.5 积分不变量  25-26
  2.5 本章小结  26-28
第3章基于全局配准算法的初值计算  28-37
  3.1 基于四点算法的全局配准  28-31
    3.1.1 基于不变量特征的算法加速  29
    3.1.2 RANSAC 迭代次数的计算  29
    3.1.3 对应关系的搜索  29-31
  3.2 全局配准的实验与讨论  31-32
  3.3 人机交互的全局配准及实现  32-36
    3.3.1 手动配准  32-34
    3.3.2 手动选点功能的实现  34-36
    3.3.3 变换矩阵的计算  36
  3.4 本章小结  36-37
第4章改进的ICP 算法实现精确配准  37-58
  4.1 部分重叠点云的ICP 配准算法  37-38
  4.2 相关改进策略对ICP 算法性能的影响  38-50
    4.2.1 采样策略  38-40
    4.2.2 KD-Tree 加速最近点的搜索  40-41
    4.2.3 对应点求取策略比较  41-44
    4.2.4 优化方法比较  44-50
  4.3 基于Hong-Tan 算法改进的ICP 算法(HT-ICP)  50-54
    4.3.1 Hong-Tan 算法与点到面ICP  50-51
    4.3.2 最优化求解证明  51-52
    4.3.3 性能比较  52-54
  4.4 基于曲率法向量信息的HT-ICP 算法(GHT-ICP)  54-57
    4.4.1 ICP 的局部极值问题  54-55
    4.4.2 曲率变化率、法向量改进收敛域  55-56
    4.4.3 性能比较  56-57
  4.5 本章小结  57-58
第5章实验结果及讨论  58-64
  5.1 Bunny 数据的实验结果  58-61
  5.2 实际扫描仪数据实验结果  61-63
  5.3 存在问题与展望  63-64
结论  64-65
参考文献  65-71
致谢  71

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