CN105761206A - 点云拼接方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种点云拼接方法及系统，该方法包括：输入两组点云，以及一预设的拼接精度；利用匹配特征点将输入的两组点云进行初始拼接，得到两组初始特征点集；根据预设的约束条件，去除上述两组初始特征点集中的异常点，得到最终确定的两组特征点集；计算上述确定的两组特征点集所对应的目标函数，并利用最小二乘迭代上述确定的两组特征点集，以得到一组转换后的点云；在所述目标函数的精度小于所述预设的拼接精度时，将所述转换后的点云与所述特征点集的另一组点云进行精确拼接。本发明可以快速、精确地对点云进行拼接。

Description

点云拼接方法及系统

技术领域

本发明涉及一种点云处理方法及系统，尤其是涉及一种点云拼接方法及系统。

背景技术

在点云扫描技术中，若要扫描完整的产品，需要在不同位置对产品进行扫描，之后将不同位置扫描得到的点云进行拼接，以获得该产品的完整点云。现有的点云拼接技术在进行点云拼接时，一般先基于标志点、图片特征点和边界特征点等方法进行初始配准，再采用迭代就近点（IterativeClosestPoint，ICP）算法进行点云的精确拼接。然而，ICP算法易受测量噪声的影响，在待拼接点云含有较多噪声时，即使初始配准得到的初始值再好，该ICP算法也不能够得到一个精确的拼接结果。此外，ICP算法的计算时间长、累积误差大，并且拼接处点云密度大及拼接后的拼接痕迹明显。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种点云拼接方法及系统，可以快速、精确地对点云进行拼接。

一种点云拼接方法，应用于电子装置中，该方法包括步骤：（a）输入两组点云，以及一预设的拼接精度；（b）利用匹配特征点将输入的两组点云进行初始拼接，得到两组初始特征点集；（c）根据预设的约束条件，去除上述两组初始特征点集中的异常点，得到最终确定的两组特征点集；（d）计算上述确定的两组特征点集所对应的目标函数，并利用最小二乘迭代上述确定的两组特征点集，以得到一组转换后的点云；（e）判断所述目标函数的精度是否小于所述预设的拼接精度；（f）在所述目标函数的精度不小于所述预设的拼接精度时，将转换后的点云及所述特征点集的另一组点云重置为初始特征点集，并返回执行步骤（c）；及（g）在所述目标函数的精度小于所述预设的拼接精度时，将所述转换后的点云与所述特征点集的另一组点云进行精确拼接。

一种点云拼接系统，运行于电子装置中，该系统包括：输入模块，用于输入两组点云，以及一预设的拼接精度；粗拼接模块，用于利用匹配特征点将输入的两组点云进行初始拼接，得到两组初始特征点集；筛选模块，用于根据预设的约束条件，去除上述两组初始特征点集中的异常点，得到最终确定的两组特征点集；精拼接模块，用于计算上述确定的两组特征点集所对应的目标函数，并利用最小二乘迭代上述确定的两组特征点集，以得到一组转换后的点云；所述精拼接模块，还用于判断所述目标函数的精度是否小于所述预设的拼接精度；所述精拼接模块，还用于在所述目标函数的精度不小于所述预设的拼接精度时，将转换后的点云及所述特征点集的另一组点云重置为初始特征点集，并返回去除该初始特征点集中的异常点，直至所述目标函数的精度小于所述预设的拼接精度；及所述精拼接模块，还用于在所述目标函数的精度小于所述预设的拼接精度时，将所述转换后的点云与所述特征点集的另一组点云进行精确拼接。

相较于现有技术，本发明所提供的点云拼接方法及系统，利用匹配特征点完成点云的初始拼接，并在去除了点云的异常点且点云的目标函数精度达到要求时，对点云进行精拼接，从而可以快速、精确地对点云进行拼接，提高了拼接的效率，并且消除了拼接痕迹。

附图说明

图1是本发明点云拼接系统较佳实施例的硬件架构图。

图2是本发明点云拼接方法较佳实施例的作业流程图。

主要元件符号说明

电子装置	100
		点云拼接系统	10
输入模块	11
		粗拼接模块	12
筛选模块	13
		精拼接模块	14
处理器	20
		存储单元	30
显示单元	40
		输入单元	50

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

参阅图1所示，是本发明点云拼接系统较佳实施例的硬件架构图。该点云拼接系统10运行于电子装置100中，该电子装置100可以是计算机、服务器、编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）、测量机台、或者其它具备运算能力的电子装置。

所述电子装置100还包括部件，如处理器20、存储单元30、显示单元40及输入单元50。电子装置100的部件10-50通过系统总线进行通信。

所述处理器20用于执行所述点云拼接系统10以及在所述电子装置100内安装的各类软件，例如操作系统等。所述存储单元30可以是硬盘，或者其他类型的存储卡或存储设备。所述存储单元30用于存储各类数据，例如，产品的多组点云数据及利用所述点云拼接系统10所设置、接收及处理后的数据。所述显示单元40用于显示各类可视化数据。所述输入单元50可以为键盘、鼠标等，用于接收用户输入的数据。

所述点云拼接系统10用于实现产品的多组点云的精确拼接。在本实施方式中，所述点云拼接系统10包括多个功能模块，分别是：输入模块11、粗拼接模块12、筛选模块13、及精拼接模块14。本发明所称的模块是指一种能够被处理器20所执行并且能够完成固定功能的一系列计算机程序段，其存储在存储单元30中。在本实施例中，关于各模块的功能将在图2的流程图中具体描述。

参阅图2所示，是本发明点云拼接方法较佳实施例的流程图。

步骤S310，输入模块11输入产品需要拼接的两组点云，以及一预设的拼接精度。所述点云包括数据，但不限于：点的三维坐标、点的标识及点云总数等。所述点云可以从电子装置100的存储单元30中导入，也可以从其他外接的存储设备或者点云扫描装置中导入。所述预设的拼接精度为点云精确拼接时所应达到的精度，可以利用输入单元50输入。该预设的拼接精度根据上述点云的平均点距来确定。例如，在平均点距为0.15毫米（mm）时，所述预设精度设为0.005mm。

应说明的是，通常一产品可能对应多组点云，该多组点云整合起来可以构成所述产品的完整点云。所述输入模块11可以先选择两组点云进行拼接，然后再选择未拼接的点云与上述拼接后的点云继续拼接，直至整合所有点云为一幅完整的点云。

步骤S320，粗拼接模块12利用匹配特征点将输入的两组点云进行初始拼接，得到两组初始特征点集。在本较佳实施例中，粗拼接模块12基于椭圆标识点、角点检测或边界特征点提取等匹配相同特征点，然后根据奇异值分解（SingularValueDecomposition，SVD）、奇异值或四元数等求出变换矩阵得到初始配准结果，使两组点云完成初始拼接。在本较佳实施例中，所述初始配准结果所对应的特征点集为初始特征点集。所应说明的是，为了快速准确地进行初始拼接，所述粗拼接模块12可以先对两组点云进行滤波处理以及去除噪点处理，然后再进行初始拼接。

步骤S330，筛选模块13根据预设的约束条件，去除上述两组初始特征点集中的异常点，得到最终确定的两组特征点集。在本较佳实施例中，所述预设的约束条件采用所述初始特征点集中对应点（以下简称“点对”）的曲率变化与法矢间夹角（即法向量间的夹角）作为约束条件，去除法矢间夹角小于预设角度（例如45⁰）且曲率变化大于预设阀值的点对。该预设角度及预设阀值由系统或用户根据输入的点云质量进行预设。

在本较佳实施例中，针对点对中的各点，筛选模块13使用点及其k个邻近点的协方差矩阵计算该点的曲率与法向量。

点对中各点的曲率及法向量的计算过程如下：假设为特征点的领域，领域的质心为，此时，协方差矩阵为，该协方差矩阵的最小特征值所对应的特征向量为法向量，该法向量即为特征点的法向量；利用法向量定义法向量方差矩阵，该法向量方差矩阵的最小特征值为曲率的一阶微分，以该曲率的一阶微分作为特征点的的曲率。将曲率的一阶微分作为特征点的曲率，可有效提高曲率计算的效率。

在本较佳实施例中，筛选模块13在计算得到点对中各点的法向量及曲率后，计算点对的曲率变化与法矢间夹角，判断点对的曲率变化是否大于所述预设阀值且法矢间夹角是否小于所述预设角度，当点对的曲率变化大于所述预设阀值且法矢间夹角小于所述预设角度时，则判定该点对为异常点，并删除该点对。

步骤S340，精拼接模块14计算上述确定的两组特征点集所对应的目标函数，并利用最小二乘迭代上述确定的两组特征点集，以得到一组转换后的点云。

在本较佳实施例中，精拼接模块14计算上述确定的两组特征点集的距离，并将该距离的标准差作为所述目标函数。假设上述确定的特征点集为P及Q，特征点集P及Q均有n个点，则所述目标函数为。

在本较佳实施例中，精拼接模块14计算上述确定的两组特征点集的最小二乘值，并将确定的两组特征点集中的一组点云乘以所述最小二乘值，以得到一组转换后的点云。在计算最小二乘值时，可以利用奇异值分解（SingularValueDecomposition，SVD）或四元数求出特征点集P、Q之间的转换关系，该转换关系所对应的值即为最小二乘值。

步骤S350，精拼接模块14判断所述目标函数的精度是否小于所述预设的拼接精度。在所述目标函数的精度不小于所述预设的拼接精度时，表示目标函数的精度不符合要求，执行步骤S360。在所述目标函数的精度小于所述预设的拼接精度时，表示目标函数的精度符合要求，执行步骤S370。

在本较佳实施例中，所述目标函数的精度为，其中，为前一循环中所述特征点集所对应的目标函数值，预设为0。

步骤S360，精拼接模块14将转换后的点云及所述特征点集的另一组点云重置为初始特征点集，并返回执行步骤S330。

在其他实施例中，于步骤S360前，精拼接模块14还用于将迭代次数加1，并判断该迭代次数是否大于一个预设次数。该迭代次数用于控制最小二乘迭代的次数，以防止迭代次数过多而导致闭环现象发生，其初始值为0。所述预设次数为由用户或系统预设，如为10次。在迭代次数不大于预设次数时，执行步骤S360。在迭代次数大于预设次数时，执行步骤S370。

步骤S370，精拼接模块14将所述转换后的点云与所述特征点集的另一组点云进行精确拼接，并对精确拼接后的点云中重叠区域进行点云精简及平滑处理，输出处理后的点云。

在本较佳实施例中，精拼接模块14可以通过随机、包围盒等点云精简方法对精确拼接后的点云的重叠区域进行精简处理，以及利用法向量修正等迭代算法对精确拼接后的点云的重叠区域进行平滑处理。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种点云拼接方法，应用于电子装置中，其特征在于，该方法包括：

输入步骤：输入两组点云，以及一预设的拼接精度；

粗拼接步骤：利用匹配特征点将输入的两组点云进行初始拼接，得到两组初始特征点集；

筛选步骤：根据预设的约束条件，去除上述两组初始特征点集中的异常点，得到最终确定的两组特征点集；

第一精拼接步骤：计算上述确定的两组特征点集所对应的目标函数，并利用最小二乘迭代上述确定的两组特征点集，以得到一组转换后的点云；

第二精拼接步骤：判断所述目标函数的精度是否小于所述预设的拼接精度；

第三精拼接步骤：在所述目标函数的精度不小于所述预设的拼接精度时，将转换后的点云及所述特征点集的另一组点云重置为初始特征点集，并返回执行筛选步骤；及

第四精拼接步骤：在所述目标函数的精度小于所述预设的拼接精度时，将所述转换后的点云与所述特征点集的另一组点云进行精确拼接。

2.如权利要求1所述的点云拼接方法，其特征在于，所述第四精拼接步骤还包括：

对精确拼接后的点云中重叠区域进行点云精简及平滑处理，输出处理后的点云。

3.如权利要求1所述的点云拼接方法，其特征在于，所述预设的约束条件采用所述初始特征点集中对应点对的曲率变化与法矢间夹角作为约束条件，去除法矢间夹角小于预设角度且曲率变化大于预设阀值的点对。

4.如权利要求1或3所述的点云拼接方法，其特征在于，所述筛选步骤通过以下方法去除初始特征点集中的异常点：

针对初始特征点集中对应点对的各点，使用点及其k个邻近点的协方差矩阵计算该点的曲率与法向量；

在计算得到点对中各点的法向量及曲率后，计算点对的曲率变化与法矢间夹角；

判断点对的曲率变化是否大于预设阀值且法矢间夹角是否小于预设角度；及

当点对的曲率变化大于所述预设阀值且法矢间夹角小于所述预设角度时，则判定该点对为异常点，并删除该点对。

5.如权利要求1所述的点云拼接方法，其特征在于，所述第一精拼接步骤通过以下方法计算所述目标函数：

计算上述确定的两组特征点集的距离，并将该距离的标准差作为所述目标函数。

6.一种点云拼接系统，运行于电子装置中，其特征在于，该系统包括：

输入模块，用于输入两组点云，以及一预设的拼接精度；

粗拼接模块，用于利用匹配特征点将输入的两组点云进行初始拼接，得到两组初始特征点集；

筛选模块，用于根据预设的约束条件，去除上述两组初始特征点集中的异常点，得到最终确定的两组特征点集；

精拼接模块，用于计算上述确定的两组特征点集所对应的目标函数，并利用最小二乘迭代上述确定的两组特征点集，以得到一组转换后的点云；

所述精拼接模块，还用于判断所述目标函数的精度是否小于所述预设的拼接精度；

所述精拼接模块，还用于在所述目标函数的精度不小于所述预设的拼接精度时，将转换后的点云及所述特征点集的另一组点云重置为初始特征点集，并返回去除该初始特征点集中的异常点，直至所述目标函数的精度小于所述预设的拼接精度；及

所述精拼接模块，还用于在所述目标函数的精度小于所述预设的拼接精度时，将所述转换后的点云与所述特征点集的另一组点云进行精确拼接。

7.如权利要求6所述的点云拼接系统，其特征在于，所述精拼接模块还用于：

对精确拼接后的点云中重叠区域进行点云精简及平滑处理，输出处理后的点云。

8.如权利要求6所述的点云拼接系统，其特征在于，所述预设的约束条件采用所述初始特征点集中对应点对的曲率变化与法矢间夹角作为约束条件，去除法矢间夹角小于预设角度且曲率变化大于预设阀值的点对。

9.如权利要求6或8所述的点云拼接系统，其特征在于，所述筛选模块通过以下方法去除初始特征点集中的异常点：

针对初始特征点集中对应点对的各点，使用点及其k个邻近点的协方差矩阵计算该点的曲率与法向量；

在计算得到点对中各点的法向量及曲率后，计算点对的曲率变化与法矢间夹角；

判断点对的曲率变化是否大于预设阀值且法矢间夹角是否小于预设角度；及

当点对的曲率变化大于所述预设阀值且法矢间夹角小于所述预设角度时，则判定该点对为异常点，并删除该点对。

10.如权利要求6所述的点云拼接系统，其特征在于，所述精拼接模块通过以下方法计算所述目标函数：

计算上述确定的两组特征点集的距离，并将该距离的标准差作为所述目标函数。