CN106485662A - 空间点云拼接方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间点云拼接方法和装置，该方法包括：当检测到扫描指令时，获取手持扫描仪扫描的当前空间点云；将当前空间点云与初始空间点云进行拼接；若当前空间点云与初始空间点云拼接成功，将拼接后的空间点云作为新的初始空间点云；若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云保存，与原初始空间点云一起，分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接。本发明提高了三维扫描成功率，避免三维扫描频繁重新开始，减少了三维扫描耗时、提高了三维扫描效率。

Description

空间点云拼接方法和装置

技术领域

本发明涉及三维扫描技术领域，尤其涉及一种空间点云拼接方法和装置。

背景技术

随着三维扫描技术的发展和研究，三维扫描仪的应用越来越广泛，特别是近年来三维扫描仪应用于牙科的牙齿矫正和义齿塑造，由于人体牙齿对三维扫描的精度要求很高(主要用途是通过三维扫描生成义齿模型，以供工厂基于义齿模型进行义齿实体制作)，且对三维扫描的效率要求高(病人和医生很难有足够的耐心容忍三维扫描仪的反复扫描操作)。

现有三维扫描技术中对于扫描所得的两片空间点云的拼接(又称配准)，是简单基于传统ICP(Iterative Closest Point，就近点搜索法)算法实现空间点云在360度的尝试角度区间进行反复拼接尝试，若反复尝试(尝试次数超过预设极限值)后拼接失败，则将本次扫描所生成的空间点云丢弃，继续尝试下一次扫描生成的空间点云与已有空间点云(如初始空间点云)进行拼接。

但是，由于空间点云拼接的不确定性(如拼接位置错误)以及手持扫描实际操作的不确定性(如人为操作无规则性、易遗漏扫描区域)，每一次扫描操作得到空间点云很难与已有空间点云都拼接成功；并且空间点云的扫描一般是从待扫描物体一端至另一端，若连续丢弃多个空间点云，则由于后续扫描区域与已有空间点云对应区域相隔较远，后续扫描得到的空间点云很难与已有空间点云拼接成功，从而导致本次三维扫描失败，需要放弃所有空间点云数据，三维扫描不得不重新开始，这样造成三维扫描耗时长、效率低。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种空间点云拼接方法和装置，旨在解决三维扫描耗时长、效率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种空间点云拼接方法，所述空间点云拼接方法包括：

当检测到扫描指令时，获取手持扫描仪扫描的当前空间点云；

将当前空间点云与初始空间点云进行拼接；

若当前空间点云与初始空间点云拼接成功，将拼接后的空间点云作为新的初始空间点云；

若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云作为新的初始空间点云保存，并与原初始空间点云一起，分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接。

可选地，所述将当前空间点云与初始空间点云进行拼接的步骤之前还包括：

判断当前空间点云是否为初始空间点云；

若当前空间点云是手持扫描仪扫描的第一个空间点云，将当前空间点云作为初始空间点云；

若当前空间点云不是初始空间点云，则执行将当前空间点云与初始空间点云进行拼接的步骤。

可选地，所述将当前空间点云与初始空间点云进行拼接的步骤包括：

统计初始空间点云的个数；

若初始空间点云为一个，则基于ICP算法将当前空间点云和初始空间点云进行拼接；

若初始空间点云为多个，则基于ICP算法将当前空间点云逐个与所有初始空间点云进行拼接。

可选地，所述若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云作为新的初始空间点云保存，并与原初始空间点云一起，分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接的步骤包括：

若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云作为新的初始空间点云保存，以与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接；

同步将原初始空间点云分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接，若原初始空间点云与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云拼接成功，则生成新的初始空间点云。

可选地，所述统计初始空间点云的个数的步骤之后还包括：

当初始空间点云的个数超过预设极限个数时，将手持扫描仪扫描生成时间距离当前时刻最远的初始空间点云丢弃。

本发明还提供一种空间点云拼接装置，所述空间点云拼接装置包括：

获取模块，用于当检测到扫描指令时，获取手持扫描仪扫描的当前空间点云；

第一拼接模块，用于将当前空间点云与初始空间点云进行拼接；

第二拼接模块，用于若当前空间点云与初始空间点云拼接成功，将拼接后的空间点云作为新的初始空间点云；若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云保存，与原初始空间点云一起，分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接。

可选地，所述空间点云拼接装置还包括判断模块，判断模块用于：

在将当前空间点云与初始空间点云进行拼接之前，判断当前空间点云是否为初始空间点云；

若当前空间点云是手持扫描仪扫描的第一个空间点云，将当前空间点云作为初始空间点云；

若当前空间点云不是初始空间点云，则触发第一拼接模块执行将当前空间点云与初始空间点云进行拼接。

可选地，所述第一拼接模块用于：

统计初始空间点云的个数；

若初始空间点云为一个，则基于ICP算法将当前空间点云和初始空间点云进行拼接；

若初始空间点云为多个，则基于ICP算法将将当前空间点云逐个与所有初始空间点云进行拼接。

可选地，所述第二拼接模块用于：

若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云作为新的初始空间点云保存，以与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接；

同步将原初始空间点云分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接，若原初始空间点云与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云拼接成功，则生成新的初始空间点云。

可选地，所述第一拼接模块还用于：

在统计初始空间点云的个数之后，当初始空间点云的个数超过预设极限个数时，将手持扫描仪扫描生成时间距离当前时刻最远的初始空间点云丢弃。

本发明通过当检测到扫描指令时，获取手持扫描仪扫描的当前空间点云，然后将当前空间点云与初始空间点云进行拼接，若当前空间点云与初始空间点云拼接成功，将拼接后的空间点云作为新的初始空间点云；若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云保存，与原初始空间点云一起，分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接；从而在当前空间点云与初始空间点云拼接失败后，并不直接丢弃当前空间点云，而是将当前空间点云和初始空间点云保留下来，以与后续扫描得到的当前空间点云进行拼接，避免出现因丢弃空间点云导致拼接持续失败又进一步大量丢弃空间点云的恶性循环，提高了三维扫描成功率，避免三维扫描频繁重新开始，减少了三维扫描耗时、提高了三维扫描效率。

附图说明

图1为本发明中空间点云拼接位置对齐的一场景示意图；

图2为本发明中空间点云尝试角度区间确定的一场景示意图；

图3为本发明空间点云拼接方法一实施例的流程示意图；

图4为本发明空间点云拼接方法又一实施例的流程示意图；

图5为图4中步骤S21一实施例的细化流程示意图；

图6为本发明空间点云拼接方法再一实施例的流程示意图；

图7为本发明空间点云拼接装置一实施例的模块示意图；

图8为本发明空间点云拼接装置另一实施例的模块示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现在将参考附图描述实现本发明各个实施例的移动终端。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

本发明提供一种手持扫描仪，手持扫描仪包括：扫描头，用于扫描外设物体生成空间点云；姿态传感器，用于检测所述扫描头的指向信息；控制器，与扫描头和姿态传感器电性链接，当控制器控制扫描头扫描并生成空间点云时，同步控制姿态传感器检测所述扫描头的指向信息。

扫描头中设有对外设物体(如病人牙齿)进行扫描光学组件，从而生成扫描覆盖到区域的空间点云。姿态传感器是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据。姿态传感器检测并获取手持扫描仪的扫描头每次进行扫描时的指向信息，例如姿态传感器在时刻A1、A2和A3所采集的指向信息依次为Z1、Z2、Z3，其中扫描头在时刻A1进行扫描得到空间点云C1，在时刻A3进行扫描得到空间点云C3，从而指向信息Z1与空间点云C1关联存储，指向信息Z3与空间点云C3关联存储。控制器可为控制芯片，在扫描头扫描并生成空间点云时，同步控制姿态传感器检测所述扫描头的指向信息。

此外，手持扫描仪还包括与控制器电性连接的存储器，存储器关联存储扫描头生成的空间点云和姿态传感器同步检测的扫描头指向信息。存储器可以存储由控制器执行的处理和控制操作的软件程序等等，或者可以暂时地存储己经输出或将要输出的数据(例如，已扫描生成的空间点云、拼接成功的空间点云、拼接失败的空间点云等等)。而且，存储器可以存储关联对应的空间点云和指向信息。

存储器可以包括至少一种类型的存储介质，所述存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘等等。

此外，手持扫描仪可与外界显示终端连接，显示设备包括显示单元(如触摸屏、显示屏等)，显示单元可同步显示扫描头扫描生成的空间点云以及拼接成功或失败的空间点云，以利于手持扫描仪的使用者对扫描进度有一个直观的了解。

进一步地，本发明还提供一种空间点云拼接方法，空间点云拼接方法主要应用于上述手持扫描仪，该空间点云拼接方法主要应用于牙科中牙齿扫描建模成型应用中，手持扫描仪包括用于扫描物体形成空间点云的扫描头，以及用于检测手持扫描仪扫描头指向信息的姿态传感器，姿态传感器可实时采集手持扫描仪的指向信息(即手持扫描仪的姿态信息)，当然姿态传感器也可以在手持扫描仪的扫描头进行物体扫描时，同步采集手持扫描仪进行扫描并生成空间点云时的指向信息。

在本发明空间点云拼接方法一实施例中，参照图3，空间点云拼接方法包括：

步骤S10，当检测到扫描指令时，获取手持扫描仪扫描的当前空间点云；

步骤S20，将当前空间点云与初始空间点云进行拼接；

在用户使用手持扫描仪过程中，在检测到扫描指令是，可获取手持扫描仪扫描的当前空间点云，多次检测到扫描指令就获取手持扫描仪多次扫描得到的当前空间点云，然后基于传统的ICP算法，将将当前空间点云与初始空间点云进行拼接。

可选地，参照图4，步骤S10包括：

步骤S11，当检测到扫描指令时，获取手持扫描仪扫描的当前空间点云，并基于姿态传感器获取所述扫描头的当前指向信息，其中，当前空间点云和当前指向信息关联；

步骤S20包括：

步骤S21，根据当前指向信息和初始空间点云的初始指向信息，对当前空间点云和初始空间点云进行拼接。

扫描指令可以是手持扫描仪自行生成，例如手持扫描仪在进入自动扫描模式时，手持扫描仪每秒多次生成扫描指令，以控制手持扫描仪的扫描头主动进行对应次数的扫描，并且扫描头每进行一次扫描姿态传感器也同步检测一次扫描头的指向信息。例如手持扫描仪每秒生成10个扫描指令，即扫描头每秒进行10次扫描，并基于姿态传感器获取扫描头进行这10次扫描时的指向信息。

当然，扫描指令也可以是使用者操作手持扫描仪触发生成，当用户操作手持扫描仪的扫描键时，手持扫描仪生成一个或多个扫描指令，以控制手持扫描仪被动进行对应次数的扫描，并且扫描头每进行一次扫描姿态传感器也同步检测一次扫描头的指向信息。例如使用者每操作一次手持扫描仪生成1个扫描指令以控制扫描头进行1次扫描，并基于姿态传感器获取扫描头进行这1次扫描时的指向信息。

当检测到扫描指令时，控制手持扫描仪的扫描头对待扫描物体进行扫描，生成对应的空间点云，将这些基于扫描指令得到的空间点云作为当前空间点云，并且将姿态传感器获取的扫描头指向信息作为当前指向信息。然后根据当前空间点云的生成时间和指向信息的生成时间，将当前空间点云与当前指向信息关联起来并对应存储。例如在时刻A1、A2和A3检测到扫描指令，对应生成空间点云C1、C2和C3，姿态传感器对应同步生成对应的指向信息Z1、Z2和Z3，从而指向信息Z1与空间点云C1关联存储，指向信息Z2与空间点云C2关联存储，指向信息Z3与空间点云C3关联存储。

在得到当前空间点云和其对应的当前指向信息之后，根据当前指向信息和初始空间点云的初始指向信息，对当前空间点云和初始空间点云进行拼接。为辅助理解，以一实例解释说明，比如，指向信息Z1与空间点云C1关联存储，指向信息Z2与空间点云C2关联存储，指向信息Z3与空间点云C3关联存储，手持扫描仪依次生成空间点云C1、C2和C3，从而首先判断C1是否为初始空间点云，显然C1是初始空间点云，从而C1作为初始空间点云，C1的指向信息为Z1；然后判断C2是否为初始空间点云，显然C2不是初始空间点云，根据Z1和C2的指向信息Z2，对C1和C2进行拼接；若C1和C2拼接成功了，C1和C2共同拼接成为空间点云C12，将空间点云C12作为新的初始空间点云，C12对应的指向信息可以为Z1、Z2或由Z1和Z2求出的参考指向信息Z12。然后继续判断C3是否为初始空间点云，在判定C3不是初始空间点云后，根据C3的指向信息Z3和C12的指向信息(Z1、Z2或Z12),对C3和C12进行拼接，若C3和C12拼接失败，C12和C3共同组成新的初始空间点云，即初始空间点云可为多个；若C3和C12拼接成功，则由C3和C12拼接成的空间点云C123作为新的初始空间点云，C123的指向信息科为Z1、Z2、Z3或由Z1、Z2和Z3共同求出的参考指向信息Z123。

步骤S30，若当前空间点云与初始空间点云拼接成功，将拼接后的空间点云作为新的初始空间点云；

步骤S40，若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云保存，与原初始空间点云一起，分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接。

在基于当前指向信息和初始指向信息，对当前空间点云和初始空间点云进行拼接尝试后，判断当前空间点云和初始空间点云是否拼接成功，若当前空间点云和初始空间点云拼接成功，从而当前空间点云和初始空间点云拼接合成为一个新的空间点云，将该新的空间点云作为新的初始空间点云进行存储；若当前空间点云和初始空间点云拼接失败，当前空间点云和初始空间点云无法拼接合成为一个新的空间点云，从而将当前空间点云和当前的初始空间点云分别作为新的初始空间点云。例如前空间点云C1和初始空间点云C2拼接失败，则将C1和C2作为新的初始空间点云，若后续还有当前空间点云C3，则将当前空间点云C3分别于新的初始空间点云C1和C2进行拼接；从而可以循环地拼接当前空间点云和初始空间点云。

在本实施例中，通过当检测到扫描指令时，获取手持扫描仪扫描的当前空间点云，然后将当前空间点云与初始空间点云进行拼接，若当前空间点云与初始空间点云拼接成功，将拼接后的空间点云作为新的初始空间点云；若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云保存，与原初始空间点云一起，分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接；从而在当前空间点云与初始空间点云拼接失败后，并不直接丢弃当前空间点云，而是将当前空间点云和初始空间点云保留下来，以与后续扫描得到的当前空间点云进行拼接，避免出现因丢弃空间点云导致拼接持续失败又进一步大量丢弃空间点云的恶性循环，提高了三维扫描成功率，避免三维扫描频繁重新开始，减少了三维扫描耗时、提高了三维扫描效率。

优选地，在本发明空间点云拼接方法另一实施例中，参照图5，步骤S21包括：

步骤S211，根据当前指向信息的位移信息和初始指向信息的位移信息，将当前空间点云与初始空间点云进行拼接位置对齐；

步骤S212，根据当前指向信息的角度信息和初始指向信息的角度信息，确定当前空间点云与初始空间点云进行拼接的尝试角度区间；

步骤S213，基于ICP算法控制当前空间点云在尝试角度区间内与初始空间点云进行拼接。

姿态传感器基于三维空间的参考坐标系得出扫描头每次扫描生成空间点云所对应的指向信息，指向信息包括扫描得到空间点云时扫描头在参考坐标系中的位移信息和角度信息，位移信息表明此次扫描中扫描头的空间位置，角度信息表明此次扫描中扫描头的空间倾斜角度。

所以根据当前空间点云的位移信息和初始空间点云的位移信息，将当前空间点云与初始空间点云进行空间位置定位，即根据当前空间点云的扫描生成位置和初始空间点云的扫描生成位置，粗略地确定当前空间点云与初始空间点云存在相同点云区域以进行拼接的位置，也就是将当前空间点云与初始空间点云进行拼接位置对齐。为了辅助理解拼接位置对齐，列举一简单实例，例如，参照图1，当前空间点云C1中一部分的位移信息为D1、一部分的位移信息为D2(具体地空间点云位移信息是一个点对应一个位移信息，此处只为方便理解，以最简单情形进行说明)，初始空间点云C2中一部分的位移信息为D1、一部分的位移信息为D3，从而C1和C2的拼接区域很有可能在位移信息为D1的区域中，从而基于位移信息D1将C1和C2拼接位置对齐。

在前空间点云与初始空间点云进行拼接位置对齐之后，根据当前空间点云的角度信息和初始空间点云的角度信息，确定当前空间点云与初始空间点云进行拼接的尝试角度区间。为了辅助理解尝试角度区间的确定原理，列举一简单实例，例如，参照图2，当前空间点云C1和初始空间点云C2的拼接位置是位移信息D1，当前空间点云C1的角度信息对应空间角为E1，初始空间点云C2的角度信息对应空间角为E2，因为初始空间点云C2的空间角为E2，那么当前空间点云C1应当在空间角E2附近的角度范围内进行拼接，这样拼接成功率才会很高，所以根据空间角E1和E2，确定当前空间点云与初始空间点云进行拼接的尝试角度区间。在得到尝试角度区间之后，基于ICP算法控制当前空间点云在尝试角度区间内与初始空间点云进行拼接，以完成当前空间点云与初始空间点云的拼接。

从而本申请将尝试角度区间作为传统ICP算法的约束条件，可以大大收敛传统ICP算法所需尝试迭代的次数，在不增加手持扫描仪的空间点云拼接处理装置硬件成本的前提下，大大提高了空间点云拼接速度，有效降低了三维扫描耗时、提高了三维扫描的效率。同时，基于一个空间点云拼接规律：“两片空间点云存在相同点越多，该两片空间点云的拼接尝试次数越少；相同点的特征越明显(特征明显是指三维特征明显少见、变化剧烈)该两片空间点云的拼接尝试次数越少”，本发明无需减少进行拼接的抽取点个数、只抽取少部分点以组成一个“稀疏点云”来做空间点云拼接，无需以此来提高空间点云拼接速度，从而避免因基于“稀疏点云”进行拼接所带来的点云拼接精度差的问题。并且，本发明无法基于提取特征明显的点来减少拼接尝试次数，在特征明显点较少时，也能保证拼接速度和拼接精度，即本发明无需牺牲拼接精度，也能显著提高拼接速度。

可选地，参照图6，步骤S20之前还包括：

步骤S51，判断当前空间点云是否为初始空间点云；

步骤S52，若前空间点云是手持扫描仪扫描的第一个空间点云，则将当前空间点云作为初始空间点云；

步骤S53，若当前空间点云不是初始空间点云，则执行将当前空间点云与初始空间点云进行拼接的步骤。

在当前空间点云和当前指向信息关联之后，判断手持扫描仪中是否还存有其他空间点云，即判断当前空间点云是否为初始空间点云，若当前空间点云时初始空间点云，则将当前空间点云作为初始空间点云；若当前空间点云不是初始空间点云，则获取当前空间点云的当前指向信息以及手持扫描仪中存储的初始空间点云的初始指向信息，根据当前指向信息和初始指向信息，对当前空间点云和初始空间点云进行拼接；从而提供了一种当前空间点云与初始空间点云转化模式。

进一步地，在本发明空间点云拼接方法又一实施例中，步骤S20包括：

步骤S22，统计初始空间点云的个数；

步骤S23，若初始空间点云为一个，则基于ICP算法将当前空间点云和初始空间点云进行拼接；

步骤S24，若初始空间点云为多个，则基于ICP算法将当前空间点云逐个与所有初始空间点云进行拼接。

在获取当前空间点云之后，对初始空间点云的个数进行统计，初始空间点云为一个时，则直接根据传统的ICP算法，对当前空间点云和初始空间点云进行拼接，当然初始空间点云可能存在多个，所有当前空间点云逐个与初始空间点云进行匹配，例如上一次空间点云拼接过程中，上一次拼接的当前空间点云和初始空间点云拼接失败，从而上一次的当前空间点云和初始空间点云均作为新的初始空间点云。为辅助理解初始空间点云为多个的情形，现举一实例说明，当前空间点云为C1，初始空间点云包括C2、C3和C4，将C1逐个与C2、C3和C4，若C1和C2拼接成功形成空间点云C12，C1和C3、C1和C4拼接失败，则将C12、C3和C4作为新的初始空间点云；此外，若C1同时与C2、C3拼接成功，则将C1、C2和C3拼接所成的C123作为新的初始空间点云。在本实施例中，通过限制条件，形成当前空间点云和初始空间点云拼接循环，而不是将拼接失败的空间点云直接丢弃，在一定程度减少了扫描头进行再次扫描的次数。

此外，由于初始空间点云需要设置进程进行管理，如需要进程后台将初始空间点云与新扫描生成的空间点云进行拼接尝试，或者将初始空间点云与新拼接成功的空间点云进行再拼接尝试，并且初始空间点云也需要占用缓存，所以在硬件基础一定情况下，初始空间点云不应无限保留。所以需要实时或定时对初始空间点云的个数进行统计，当初始空间点云的个数超过预设极限个数时，应当对初始空间点云进行丢弃，丢弃规则如将生成时间距离当前时刻最久的初始空间点云丢弃、将空间点云中点数最少或特征最少的初始空间点云丢弃，从而避免了因初始空间点云存储过多而造成资源浪费、系统运行运行速度慢等问题。丢弃规则优选为将手持扫描仪扫描生成时间距离当前时刻最远的初始空间点云丢弃。

此外，在本发明空间点云拼接方法又一实施例中，步骤S40包括：

步骤S41，若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云作为新的初始空间点云保存，以与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接；

步骤S42，同步将原初始空间点云分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接，若原初始空间点云与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云拼接成功，则生成新的初始空间点云。

若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云作为新的初始空间点云保存，距离当前时刻最近的初始空间点云优先与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接；并行地，将原初始空间点云分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接，即最新的当前空间点云与最新的初始空间点云进行拼接时，初始空间点云之间、最新的当前空间点云与非最新的初始空间点云之间后台进行拼接，相对于用户是透明的。

基于上述手持扫描仪的硬件结构，提出本发明手空间点云拼接装置各实施例，空间点云拼接装置可为手持扫描仪的一部分(如手持扫描仪控制器的一部分)，也可以是手持扫描仪外界装置，该空间点云拼接装置主要应用于牙科中牙齿扫描建模成型应用中，手持扫描仪包括用于扫描物体形成空间点云的扫描头，以及用于检测手持扫描仪扫描头指向信息的姿态传感器，姿态传感器可实时采集手持扫描仪的指向信息(即手持扫描仪的姿态信息)，当然姿态传感器也可以在手持扫描仪的扫描头进行物体扫描时，同步采集手持扫描仪进行扫描并生成空间点云时的指向信息。

进一步地，在本发明空间点云拼接装置一实施例中，参照图7，所述空间点云拼接装置包括：

获取模块10，用于当检测到扫描指令时，获取手持扫描仪扫描的当前空间点云；

第一拼接模块20，用于将当前空间点云与初始空间点云进行拼接；

在用户使用手持扫描仪过程中，在检测到扫描指令是，获取模块10可获取手持扫描仪扫描的当前空间点云，多次检测到扫描指令就获取手持扫描仪多次扫描得到的当前空间点云，然后第一拼接模块20基于传统的ICP算法，将将当前空间点云与初始空间点云进行拼接。

可选地，所述获取模块10用于：

当检测到扫描指令时，获取手持扫描仪扫描的当前空间点云，并基于姿态传感器获取所述扫描头的当前指向信息，其中，当前空间点云和当前指向信息关联；

所述第一拼接模块20用于：

根据当前指向信息和初始空间点云的初始指向信息，对当前空间点云和初始空间点云进行拼接。

扫描指令可以是手持扫描仪自行生成，例如手持扫描仪在进入自动扫描模式时，手持扫描仪每秒多次生成扫描指令，以控制手持扫描仪的扫描头主动进行对应次数的扫描，并且扫描头每进行一次扫描姿态传感器也同步检测一次扫描头的指向信息。例如手持扫描仪每秒生成10个扫描指令，即扫描头每秒进行10次扫描，并基于姿态传感器获取扫描头进行这10次扫描时的指向信息。

当然，扫描指令也可以是使用者操作手持扫描仪触发生成，当用户操作手持扫描仪的扫描键时，手持扫描仪生成一个或多个扫描指令，以控制手持扫描仪被动进行对应次数的扫描，并且扫描头每进行一次扫描姿态传感器也同步检测一次扫描头的指向信息。例如使用者每操作一次手持扫描仪生成1个扫描指令以控制扫描头进行1次扫描，并基于姿态传感器获取扫描头进行这1次扫描时的指向信息。

当检测到扫描指令时，获取模块10控制手持扫描仪的扫描头对待扫描物体进行扫描，生成对应的空间点云，将这些基于扫描指令得到的空间点云作为当前空间点云，并且第一拼接模块20将姿态传感器获取的扫描头指向信息作为当前指向信息。然后根据当前空间点云的生成时间和指向信息的生成时间，将当前空间点云与当前指向信息关联起来并对应存储。例如在时刻A1、A2和A3检测到扫描指令，对应生成空间点云C1、C2和C3，姿态传感器对应同步生成对应的指向信息Z1、Z2和Z3，从而指向信息Z1与空间点云C1关联存储，指向信息Z2与空间点云C2关联存储，指向信息Z3与空间点云C3关联存储。

在得到当前空间点云和其对应的当前指向信息之后，根据当前指向信息和初始空间点云的初始指向信息，对当前空间点云和初始空间点云进行拼接。为辅助理解，以一实例解释说明，比如，指向信息Z1与空间点云C1关联存储，指向信息Z2与空间点云C2关联存储，指向信息Z3与空间点云C3关联存储，手持扫描仪依次生成空间点云C1、C2和C3，从而首先判断C1是否为初始空间点云，显然C1是初始空间点云，从而C1作为初始空间点云，C1的指向信息为Z1；然后判断C2是否为初始空间点云，显然C2不是初始空间点云，根据Z1和C2的指向信息Z2，对C1和C2进行拼接；若C1和C2拼接成功了，C1和C2共同拼接成为空间点云C12，将空间点云C12作为新的初始空间点云，C12对应的指向信息可以为Z1、Z2或由Z1和Z2求出的参考指向信息Z12。然后继续判断C3是否为初始空间点云，在判定C3不是初始空间点云后，根据C3的指向信息Z3和C12的指向信息(Z1、Z2或Z12),对C3和C12进行拼接，若C3和C12拼接失败，C12和C3共同组成新的初始空间点云，即初始空间点云可为多个；若C3和C12拼接成功，则由C3和C12拼接成的空间点云C123作为新的初始空间点云，C123的指向信息科为Z1、Z2、Z3或由Z1、Z2和Z3共同求出的参考指向信息Z123。

第二拼接模块30，用于若当前空间点云与初始空间点云拼接成功，将拼接后的空间点云作为新的初始空间点云；若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云保存，与原初始空间点云一起，分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接。

在基于当前指向信息和初始指向信息，对当前空间点云和初始空间点云进行拼接尝试后，第二拼接模块30判断当前空间点云和初始空间点云是否拼接成功，若当前空间点云和初始空间点云拼接成功，从而当前空间点云和初始空间点云拼接合成为一个新的空间点云，将该新的空间点云作为新的初始空间点云进行存储；若当前空间点云和初始空间点云拼接失败，当前空间点云和初始空间点云无法拼接合成为一个新的空间点云，从而将当前空间点云和当前的初始空间点云分别作为新的初始空间点云。例如前空间点云C1和初始空间点云C2拼接失败，则将C1和C2作为新的初始空间点云，若后续还有当前空间点云C3，则将当前空间点云C3分别于新的初始空间点云C1和C2进行拼接；从而可以循环地拼接当前空间点云和初始空间点云。

在本实施例中，通过当检测到扫描指令时，获取模块10获取手持扫描仪扫描的当前空间点云，然后第一拼接模块20将当前空间点云与初始空间点云进行拼接，若当前空间点云与初始空间点云拼接成功，第二拼接模块30将拼接后的空间点云作为新的初始空间点云；若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，第二拼接模块30将当前空间点云保存，与原初始空间点云一起，分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接；从而在当前空间点云与初始空间点云拼接失败后，并不直接丢弃当前空间点云，而是将当前空间点云和初始空间点云保留下来，以与后续扫描得到的当前空间点云进行拼接，避免出现因丢弃空间点云导致拼接持续失败又进一步大量丢弃空间点云的恶性循环，提高了三维扫描成功率，避免三维扫描频繁重新开始，减少了三维扫描耗时、提高了三维扫描效率。

优选地，第一拼接模块20还用于：

根据当前指向信息的位移信息和初始指向信息的位移信息，将当前空间点云与初始空间点云进行拼接位置对齐；

根据当前指向信息的角度信息和初始指向信息的角度信息，确定当前空间点云与初始空间点云进行拼接的尝试角度区间；

基于ICP算法控制当前空间点云在尝试角度区间内与初始空间点云进行拼接。

姿态传感器基于三维空间的参考坐标系得出扫描头每次扫描生成空间点云所对应的指向信息，指向信息包括扫描得到空间点云时扫描头在参考坐标系中的位移信息和角度信息，位移信息表明此次扫描中扫描头的空间位置，角度信息表明此次扫描中扫描头的空间倾斜角度。

所以第一拼接模块20根据当前空间点云的位移信息和初始空间点云的位移信息，将当前空间点云与初始空间点云进行空间位置定位，即根据当前空间点云的扫描生成位置和初始空间点云的扫描生成位置，粗略地确定当前空间点云与初始空间点云存在相同点云区域以进行拼接的位置，也就是将当前空间点云与初始空间点云进行拼接位置对齐。为了辅助理解拼接位置对齐，列举一简单实例，例如，参照图1，当前空间点云C1中一部分的位移信息为D1、一部分的位移信息为D2(具体地空间点云位移信息是一个点对应一个位移信息，此处只为方便理解，以最简单情形进行说明)，初始空间点云C2中一部分的位移信息为D1、一部分的位移信息为D3，从而C1和C2的拼接区域很有可能在位移信息为D1的区域中，从而基于位移信息D1将C1和C2拼接位置对齐。

在前空间点云与初始空间点云进行拼接位置对齐之后，第一拼接模块20根据当前空间点云的角度信息和初始空间点云的角度信息，确定当前空间点云与初始空间点云进行拼接的尝试角度区间。为了辅助理解尝试角度区间的确定原理，列举一简单实例，例如，参照图2，当前空间点云C1和初始空间点云C2的拼接位置是位移信息D1，当前空间点云C1的角度信息对应空间角为E1，初始空间点云C2的角度信息对应空间角为E2，因为初始空间点云C2的空间角为E2，那么当前空间点云C1应当在空间角E2附近的角度范围内进行拼接，这样拼接成功率才会很高，所以根据空间角E1和E2，确定当前空间点云与初始空间点云进行拼接的尝试角度区间。在得到尝试角度区间之后，第一拼接模块20基于ICP算法控制当前空间点云在尝试角度区间内与初始空间点云进行拼接，以完成当前空间点云与初始空间点云的拼接。

从而本申请将尝试角度区间作为传统ICP算法的约束条件，可以大大收敛传统ICP算法所需尝试迭代的次数，在不增加手持扫描仪的空间点云拼接处理装置硬件成本的前提下，大大提高了空间点云拼接速度，有效降低了三维扫描耗时、提高了三维扫描的效率。同时，基于一个空间点云拼接规律：“两片空间点云存在相同点越多，该两片空间点云的拼接尝试次数越少；相同点的特征越明显(特征明显是指三维特征明显少见、变化剧烈)该两片空间点云的拼接尝试次数越少”，本发明无需减少进行拼接的抽取点个数、只抽取少部分点以组成一个“稀疏点云”来做空间点云拼接，无需以此来提高空间点云拼接速度，从而避免因基于“稀疏点云”进行拼接所带来的点云拼接精度差的问题。并且，本发明无法基于提取特征明显的点来减少拼接尝试次数，在特征明显点较少时，也能保证拼接速度和拼接精度，即本发明无需牺牲拼接精度，也能显著提高拼接速度。

可选地，所述空间点云拼接装置还包括判断模块40，参照图8，判断模块40用于：

在将当前空间点云与初始空间点云进行拼接之前，判断当前空间点云是否为初始空间点云；

当前空间点云是手持扫描仪扫描的第一个空间点云，将当前空间点云作为初始空间点云；

若当前空间点云不是初始空间点云，则触发第一拼接模块执行将当前空间点云与初始空间点云进行拼接。

在当前空间点云和当前指向信息关联之后，判断模块40判断手持扫描仪中是否还存有其他空间点云，即判断当前空间点云是否为初始空间点云，若当前空间点云时初始空间点云，则判断模块40将当前空间点云作为初始空间点云；若当前空间点云不是初始空间点云，则判断模块40获取当前空间点云的当前指向信息以及手持扫描仪中存储的初始空间点云的初始指向信息，根据当前指向信息和初始指向信息，对当前空间点云和初始空间点云进行拼接；从而提供了一种当前空间点云与初始空间点云转化模式。

进一步地，在本发明空间点云拼接装置又一实施例中，所述第一拼接模块20还用于：

统计初始空间点云的个数；

若初始空间点云为一个，则基于ICP算法将当前空间点云和初始空间点云进行拼接；

若初始空间点云为多个，则基于ICP算法将当前空间点云逐个与所有初始空间点云进行拼接。

在获取当前空间点云之后，第一拼接模块20对初始空间点云的个数进行统计，初始空间点云为一个时，则第一拼接模块20直接对当前空间点云和初始空间点云进行拼接，当然初始空间点云可能存在多个，第一拼接模块20控制所有当前空间点云逐个与初始空间点云进行匹配，例如上一次空间点云拼接过程中，上一次拼接的当前空间点云和初始空间点云拼接失败，从而上一次的当前空间点云和初始空间点云均作为新的初始空间点云。为辅助理解初始空间点云为多个的情形，现举一实例说明，当前空间点云为C1，初始空间点云包括C2、C3和C4，将C1逐个与C2、C3和C4，若C1和C2拼接成功形成空间点云C12，C1和C3、C1和C4拼接失败，则将C12、C3和C4作为新的初始空间点云；此外，若C1同时与C2、C3拼接成功，则将C1、C2和C3拼接所成的C123作为新的初始空间点云。在本实施例中，通过限制条件，形成当前空间点云和初始空间点云拼接循环，而不是将拼接失败的空间点云直接丢弃，在一定程度减少了扫描头进行再次扫描的次数。

此外，由于初始空间点云需要设置进程进行管理，如需要进程后台将初始空间点云与新扫描生成的空间点云进行拼接尝试，或者将初始空间点云与新拼接成功的空间点云进行再拼接尝试，并且初始空间点云也需要占用缓存，所以在硬件基础一定情况下，初始空间点云不应无限保留。所以第一拼接模20块还用于实时或定时对初始空间点云的个数进行统计，当初始空间点云的个数超过预设极限个数时，(空间点云拼接装置中新增超数控制模块)增超数控制模块应当对初始空间点云进行丢弃，丢弃规则如将生成时间距离当前时刻最久的初始空间点云丢弃、将空间点云中点数最少或特征最少的初始空间点云丢弃，从而避免了因初始空间点云存储过多而造成资源浪费、系统运行运行速度慢等问题。丢弃规则优选为将手持扫描仪扫描生成时间距离当前时刻最远的初始空间点云丢弃。

此外，在本发明空间点云拼接装置又一实施例中，第二拼接模块30用于：

若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云作为新的初始空间点云保存，以与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接；

同步将原初始空间点云分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接，若原初始空间点云与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云拼接成功，则生成新的初始空间点云。

若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云作为新的初始空间点云保存，距离当前时刻最近的初始空间点云优先与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接；并行地，将原初始空间点云分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接，即最新的当前空间点云与最新的初始空间点云进行拼接时，初始空间点云之间、最新的当前空间点云与非最新的初始空间点云之间后台进行拼接，相对于用户是透明的。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种空间点云拼接方法，其特征在于，所述空间点云拼接方法包括：

当检测到扫描指令时，获取手持扫描仪扫描的当前空间点云；

将当前空间点云与初始空间点云进行拼接；

若当前空间点云与初始空间点云拼接成功，将拼接后的空间点云作为新的初始空间点云；

若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云作为新的初始空间点云保存，并与原初始空间点云一起，分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接。

2.如权利要求1所述的空间点云拼接方法，其特征在于，所述将当前空间点云与初始空间点云进行拼接的步骤之前还包括：

判断当前空间点云是否为初始空间点云；

若当前空间点云是手持扫描仪扫描的第一个空间点云，将当前空间点云作为初始空间点云；

若当前空间点云不是初始空间点云，则执行将当前空间点云与初始空间点云进行拼接的步骤。

3.如权利要求1或2所述的空间点云拼接方法，其特征在于，所述将当前空间点云与初始空间点云进行拼接的步骤包括：

统计初始空间点云的个数；

若初始空间点云为一个，则基于ICP算法将当前空间点云和初始空间点云进行拼接；

若初始空间点云为多个，则基于ICP算法将当前空间点云逐个与所有初始空间点云进行拼接。

4.如权利要求3所述的空间点云拼接方法，其特征在于，

所述若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云作为新的初始空间点云保存，并与原初始空间点云一起，分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接的步骤包括：

若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云作为新的初始空间点云保存，以与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接；

同步将原初始空间点云分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接，若原初始空间点云与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云拼接成功，则生成新的初始空间点云。

5.如权利要求3所述的空间点云拼接方法，其特征在于，所述统计初始空间点云的个数的步骤之后还包括：

当初始空间点云的个数超过预设极限个数时，将手持扫描仪扫描生成时间距离当前时刻最远的初始空间点云丢弃。

6.一种空间点云拼接装置，其特征在于，所述空间点云拼接装置包括：

获取模块，用于当检测到扫描指令时，获取手持扫描仪扫描的当前空间点云；

第一拼接模块，用于将当前空间点云与初始空间点云进行拼接；

第二拼接模块，用于若当前空间点云与初始空间点云拼接成功，将拼接后的空间点云作为新的初始空间点云；若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云保存，与原初始空间点云一起，分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接。

7.如权利要求6所述的空间点云拼接装置，其特征在于，所述空间点云拼接装置还包括判断模块，判断模块用于：

在将当前空间点云与初始空间点云进行拼接之前，判断当前空间点云是否为初始空间点云；

若当前空间点云是手持扫描仪扫描的第一个空间点云，将当前空间点云作为初始空间点云；

若当前空间点云不是初始空间点云，则触发第一拼接模块执行将当前空间点云与初始空间点云进行拼接。

8.如权利要求6或7所述的空间点云拼接装置，其特征在于，所述第一拼接模块用于：

统计初始空间点云的个数；

若初始空间点云为一个，则基于ICP算法将当前空间点云和初始空间点云进行拼接；

若初始空间点云为多个，则基于ICP算法将将当前空间点云逐个与所有初始空间点云进行拼接。

9.如权利要求8所述的空间点云拼接装置，其特征在于，所述第二拼接模块用于：

若当前空间点云与初始空间点云拼接失败，将当前空间点云作为新的初始空间点云保存，以与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接；

同步将原初始空间点云分别与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云进行拼接，若原初始空间点云与后续扫描指令触发手持扫描仪扫描的当前空间点云拼接成功，则生成新的初始空间点云。

10.如权利要求8所述的空间点云拼接装置，其特征在于，所述第一拼接模块还用于：

在统计初始空间点云的个数之后，当初始空间点云的个数超过预设极限个数时，将手持扫描仪扫描生成时间距离当前时刻最远的初始空间点云丢弃。