CN106683126A - 一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，其实现步骤为：①判断标靶位置是否已知，若已知则转③，若未知则获取可布设标靶的备选位置；②从备选位置中选一种标靶布设方案；③计算其对应的rDOP值；④由rDOP值来评价标靶分布质量，其中rDOP值最小的方案为最佳布设方案；⑤判断扫描仪位置是否已知，若已知则转⑦，若未知则获取扫描仪架设的备选位置；⑥从备选位置中选择1个位置；⑦计算此位置对应的tDOP值；⑧由tDOP值来评价扫描仪架设质量，其中tDOP值最小的位置为最佳架设位置。本发明首次提出通过rDOP模型和tDOP模型定量评价标靶分布的好坏，以此来帮助用户确定标靶和扫描仪的最佳布设方案，克服目前仅凭经验布设的不确定性，该方法使用方便，可操作性强。

Description

一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法

技术领域

本发明属于三维激光扫描点云配准领域，具体涉及点云配准领域中标靶分布质量的定量评价方法。

背景技术

地面激光扫描技术可方便快速地获取目标的表面空间信息，其获取的信息密度和精度远高于传统的测绘技术，在逆向工程、文物扫描、测绘行业等领域被广泛应用。由于物体遮挡或扫描仪扫描范围限制，通常情况下，需要从不同方位多个测站扫描目标，才能获取目标的完整表面信息，而不同站获取的点云属于不同独立坐标系，在进行点云建模和分析前，需将所有的点云配准到统一坐标系，因此，点云配准研究一直是研究的热点和难点。

点云配准的方法有无标靶点云配准和标靶点云配准，对于大范围复杂场景的点云配准，往往采用基于标靶的点云配准算法，其配准精度与配准模型、标靶分布、标靶特征提取精度等有关。目前众多学者在点云配准模型、标靶特征提取精度方法做了大量研究，而在标靶分布方面研究较少，仅获得一些经验性结论，而实际野外作业时，必须考虑标靶的分布，它不仅关系到作业效率，且会影响最终点云配准成果的精度。

Reshetyuk(2009)、Gordon and Lichti(2004)、Harvey(2004)发现增加标靶个数能够提高配准的精度，并建议标靶均匀分布在重叠区，不要太近，也不要放在同一直线上；Fan et al(2015)采用模拟的方法证实配准误差大小与标靶数成反比，也与标靶至所有标靶几何中心的距离和成反比，且发现待配准系扫描仪的最佳架设位置为所有标靶的几何中心；虽然还有其他学者研究标靶分布与点云配准精度的关系，也取得了一些成果，但目前所有评价标靶分布质量的方法均依据经验，都是通过已有经验定性地大致描述不同标靶布设方案的好坏，无法给出一个定量明确的评价。

在三维激光扫描技术应用中，我们急需一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，如在已布设好标靶情况下，我们需要确定最佳的扫描仪设站位置，而所有标靶的几何中心往往无法架设任何设备；在已架设好扫描仪情况下，我们需要确定最佳的标靶布设位置，而众多布设方案凭经验无法判断其优劣；在标靶和扫描仪均未布设情况下，我们需要综合确定标靶和扫描仪的布设方案，所有这些均需要一个定量的评价模型才能解决，因此，研究定量评价点云配准中标靶分布质量的方法具有重要的实际意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，克服现有理论和技术只能定性评价标靶分布质量，无法定量评价的不足。

本发明为了解决上述技术问题所采取的技术思路是：先获取标靶和扫描仪的坐标信息，然后分别计算标靶分布和扫描仪架设位置的质量指标rDOP值和tDOP值，最后通过rDOP值和tDOP值的大小来定量评价标靶分布质量和扫描仪所选架设位置的质量，rDOP值和tDOP值越小，标靶分布质量越高，扫描仪所选架设位置越好。

本发明一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，包括如下步骤：

①判断标靶位置是否已知，若已知则转第③步，若未知则继续；

②选择可布设标靶的备选位置，获取所有备选位置的坐标信息；

③确定标靶数和一种标靶布设方案，获取该方案下所有标靶的坐标信息；

④计算此标靶布设方案的rDOP值，并由rDOP值的大小判断标靶的分布质量(这里rDOP值的计算由标靶的坐标信息和标靶的权阵决定)，rDOP值的计算模型为

其中，P_r(k)为k个标靶的权矩阵(通常情况下可取单位阵)，A_r(k)由标靶的坐标信息决定；

⑤循环第③～④步，计算所有方案的标靶分布质量评价值，从中找出rDOP值最小的方案，即为最佳标靶布设方案；

⑥判断扫描仪位置是否已知，若已知则转到第⑧步，若未知则继续；

⑦选择可架设扫描仪的备选位置，获取所有备选位置的坐标信息；

⑧确定一个扫描仪架设位置，获取该位置下的扫描仪坐标信息；

⑨计算此扫描仪架设位置的tDOP值，并由tDOP值的大小判断扫描仪架设位置的质量(这里tDOP值的计算由标靶的坐标信息、扫描仪架设位置信息和标靶的权阵决定)，tDOP值的计算模型为

其中，P_t(k)为k个标靶的权矩阵，A_t(k)仅与标靶位置信息和扫描仪位置信息决定；

⑩循环第⑧～⑨步，计算所有扫描仪架设位置对应的质量评价值，从中找出tDOP值最小的位置，即为最佳扫描仪架设位置。

进一步，优选的在步骤④中，A_r(k)的计算公式如下：

当获得的标靶位置信息为参考系和待配准系中的坐标信息时，A_r(k)的计算公式为

当获得的标靶位置信息仅为参考系中的坐标信息时，A_r(k)的计算公式为

当获得的标靶位置信息仅为待配准系中的坐标信息时，A_r(k)的计算公式为

式中，和由第j号标靶在参考系i和待配准系i+1中的位置和计算得到，其计算公式为

进一步，优选的在步骤⑨中，A_t(k)的计算公式如下：

当获得的扫描仪架设位置信息为参考系中的坐标信息时，A_t(k)的计算公式为

式中，(t_x0,t_y0,t_z0)为备选扫描仪在参考系i中的架设位置；

当获得的扫描仪架设位置信息为待配准系中的坐标信息时，A_t(k)的计算公式为

式中，(t_x0,t_y0,t_z0)为备选扫描仪在参考系i+1中的架设位置。

进一步，优选的在步骤②中，需要人工从目标场景中选择适合布设标靶的位置，记为标靶布设的备选位置(假设有m₁个备选标靶布设位置)，备选位置信息与已有坐标系有关，当只有参考系或待配准系的场景扫描点云时，获取参考系或待配准系中标靶备选位置的坐标信息；当有两系的场景扫描点云时，同时获取两系中标靶备选位置的坐标信息；

进一步，优选的在步骤③中，需先确定用于待配准系的专用或自制标靶个数(假设有k个标靶用于待配准系的配准)，再从m₁个备选标靶位置中选择k个位置，作为标靶的一种布设方案，获取其相应的坐标信息；

进一步，优选的在步骤⑦中，需要人工从目标场景中选择适合架设扫描仪的位置，记为扫描仪架设的备选位置(假设有m₂个备选扫描仪架设位置)，备选位置信息与已有坐标系有关，当只有参考系或待配准系的场景扫描点云时，获取参考系或待配准系中扫描仪备选位置的坐标信息，当有两系的场景扫描点云时，只需获取其中任意一系下的备选位置坐标信息；

进一步，优选的在步骤⑧中，从m₂个备选扫描仪架设位置中选择1个位置，作为扫描仪的一种架设方案，获取其相应的坐标信息。

本发明与现有技术相比具有如下有点：

第一，通过构建标靶分布质量和和扫描仪架设位置质量的评价模型rDOP和tDOP，定量获取不同布设方案的质量指标(rDOP值和tDOP值)，解决了定量评价标靶分布质量模型从无到有的问题；

第二，通过rDOP值来定量评价标靶分布的好坏，克服了现有评价方法完全依赖经验定性估计，无法明确指出“标靶分布的好坏程度”的缺点；并给出了“从所有可能的标靶布设方案中找出最佳标靶布设方案”的方法，即rDOP值最小的方案为最佳标靶布设方案，解决了现有评价方法无法找到最佳标靶布设方案的难题。

第三，通过tDOP值来定量评价扫描仪架设位置的好坏，克服了现有评价方法完全依赖经验定性估计，无法明确指出“扫描仪架设位置的好坏程度”的缺点；并给出了“从所有可能的扫描仪架设方案中找出最佳扫描仪架设方案”的方法，即tDOP值最小的方案为最佳扫描仪架设方案，解决了现有评价方法无法找到最佳扫描仪架设方案的难题。

附图说明

图1为本发明rDOP值的计算流程图；

图2为本发明tDOP值的计算流程图；

图3为本发明定量评价点云配准中标靶分布质量的方法流程图。

具体实施方式

具体实施中，我们常会碰到三种实际情况，下面将结合附图和实际情况，对本发明作进一步说明。

实际情况1“标靶已固定，需确定待配准系扫描仪的最佳架设位置”

按流程图2实施，计算扫描仪架设位置的tDOP值，找出tDOP值最小的位置为最佳扫描仪架设位置(对应上述步骤⑦～⑩)，其计算tDOP值的详细步骤如下：

首先，在目标场景点云中选择m₂个备选扫描仪架设位置

然后，从备选位置中选1个位置o_j，作为扫描仪的一种架设方案，其坐标为(t_x0,t_y0,t_z0)；

接着，由标靶的坐标信息、扫描仪架设位置和标靶权阵P_t(k)计算其中，P_t(k)通常情况下可取单位阵，A_t(k)仅与标靶的坐标信息有关，其计算公式分两种情况，即

当坐标信息为参考系中坐标时，A_t(k)为

当坐标信息为待配准系中坐标时，A_t(k)为

最后，由“从所有备选方案中找出tDOP值最小的方案”，即为最佳扫描仪架设方案。

实际情况2“待配准系扫描仪已架设，需确定标靶的最佳布设位置”

按流程图1实施，计算布设标靶的rDOP值，找出rDOP值最小的位置为最佳标靶布设位置(对应上述步骤④～⑤)，其计算rDOP值的详细步骤如下：

首先，在目标场景点云中选择m₁个备选标靶布设位置

然后，从m₁个备选标靶位置中选择k个标靶所布设的位置作为标靶的一种布设方案；

最后，由标靶的坐标信息和标靶权阵P_r(k)计算其中，P_r(k)通常情况下可取单位阵，A_r(k)仅与标靶的坐标信息有关，其计算公式分三种情况，即

当坐标信息为参考系和待配准系两系统中的坐标时，A_r(k)为

当坐标信息仅为参考系中的坐标时，A_r(k)为

当坐标信息仅为待配准系中的坐标时，A_r(k)为

式中，和由第j号标靶在参考系i和待配准系i+1中的位置和计算得到，其计算公式为

实际情况3“标靶和扫描仪位置均未知，需确定标靶和扫描仪的布设位置”

按流程图1和图2综合实施，计算布设标靶的rDOP值，先找出rDOP值最小的标靶布设位置(对应上述步骤④～⑤)，再计算布设标靶的tDOP值，找出tDOP值最小的位置为最佳标靶布设位置(对应上述步骤⑦～⑩)，其详细步骤如下：

首先，在目标场景点云中选择m₁个备选标靶布设位置

接着，从m₁个备选标靶位置中选择k个标靶所布设的位置作为标靶的一种布设方案，并由此方案的标靶坐标信息和标靶权阵P_r(k)，按上述公式(5)～(9)计算rDOP值，找出rDOP值最小的方案作为标靶的布设方案；

然后，在目标场景点云中选择m₂个备选扫描仪架设位置

再接着，从备选位置中选1个位置o_j，作为扫描仪的一种架设方案；

最后，由标靶的坐标信息、扫描仪架设位置和标靶权阵P_t(k)，按上述公式(1)～(4)计算tDOP值，找出tDOP值最小的方案作为扫描仪的架设方案。

另外，需要说明的是，尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被其它相关领域，这对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现修改，因此，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出的流程图。

Claims (7)

1.一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，其特征在于：包括如下步骤：

①判断标靶位置是否已知，若已知则转第③步，若未知则继续；

②选择可布设标靶的备选位置，获取所有备选位置的坐标信息；

③确定标靶数和一种标靶布设方案，获取该方案下所有标靶的坐标信息；

④计算此标靶布设方案的rDOP值，并由rDOP值的大小判断标靶的分布质量，rDOP值的计算模型为

$rDOP=\sqrt{tr\left(G_k^{-1}\right)}$

其中，P_r(k)为k个标靶的权矩阵，A_r(k)由标靶的坐标信息决定；

⑤循环第③～④步，计算所有方案的标靶分布质量评价值，从中找出rDOP值最小的方案，即为最佳标靶布设方案；

⑥判断扫描仪位置是否已知，若已知则转到第⑧步，若未知则继续；

⑦选择可架设扫描仪的备选位置，获取所有备选位置的坐标信息；

⑧确定一个扫描仪架设位置，获取该位置下的扫描仪坐标信息；

⑨计算此扫描仪架设位置的tDOP值，并由tDOP值的大小判断扫描仪架设位置的质量，tDOP值的计算模型为

$tDOP=\sqrt{tr\left(H_k^{-1}\right)}$

其中，P_t(k)为k个标靶的权矩阵，A_t(k)仅与标靶位置信息和扫描仪位置信息决定；

⑩循环第⑧～⑨步，计算所有扫描仪架设位置对应的质量评价值，从中找出tDOP值最小的位置，即为最佳扫描仪架设位置。

2.根据权利要求1所述的一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，其特征在于，在步骤④中，A_r(k)的计算公式如下：

当获得的标靶位置信息为参考系和待配准系中的坐标信息时，A_r(k)的计算公式为

$A_{r\left(k\right)}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\α}}_k\end{array}\right],{\mathrm{\α}}_j=\left[\begin{array}{ccc}0& -{\mathrm{\τ}}_{jz}& {\mathrm{\τ}}_{jy}\\ {\mathrm{\τ}}_{jz}& 0& -{\mathrm{\τ}}_{jx}\\ -{\mathrm{\τ}}_{jy}& {\mathrm{\τ}}_{jx}& 0\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_{jx}\\ {\mathrm{\τ}}_{jy}\\ {\mathrm{\τ}}_{jz}\end{array}\right]=p_{jc}^i+p_{jc}^{i+1}$

当获得的标靶位置信息仅为参考系中的坐标信息时，A_r(k)的计算公式为

$A_{r\left(k\right)}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\α}}_k\end{array}\right],{\mathrm{\α}}_j=\left[\begin{array}{ccc}0& -{\mathrm{\τ}}_{jz}& {\mathrm{\τ}}_{jy}\\ {\mathrm{\τ}}_{jz}& 0& -{\mathrm{\τ}}_{jx}\\ -{\mathrm{\τ}}_{jy}& {\mathrm{\τ}}_{jx}& 0\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_{jx}\\ {\mathrm{\τ}}_{jy}\\ {\mathrm{\τ}}_{jz}\end{array}\right]=2p_{jc}^i$

当获得的标靶位置信息仅为待配准系中的坐标信息时，A_r(k)的计算公式为

$A_{r\left(k\right)}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\α}}_k\end{array}\right],{\mathrm{\α}}_j=\left[\begin{array}{ccc}0& -{\mathrm{\τ}}_{jz}& {\mathrm{\τ}}_{jy}\\ {\mathrm{\τ}}_{jz}& 0& -{\mathrm{\τ}}_{jx}\\ -{\mathrm{\τ}}_{jy}& {\mathrm{\τ}}_{jx}& 0\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_{jx}\\ {\mathrm{\τ}}_{jy}\\ {\mathrm{\τ}}_{jz}\end{array}\right]=2p_{jc}^{i+1}$

式中，和由第j号标靶在参考系i和待配准系i+1中的位置和计算得到，其计算公式为

$p_{jc}^i=\left[\begin{array}{c}{x}_{jc}^i\\ y_{jc}^i\\ z_{jc}^i\end{array}\right]=p_j^i-p_c^i,p_{jc}^{i+1}=\left[\begin{array}{c}{x}_{jc}^{i+1}\\ y_{jc}^{i+1}\\ z_{jc}^{i+1}\end{array}\right]=p_j^{i+1}-p_c^{i+1},j=1,2,...,k$

$p_c^i=\frac{1}{k}\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_j^i,p_c^{i+1}=\frac{1}{k}\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_j^{i+1}.$

3.根据权利要求1所述的一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，其特征在于：在步骤⑨中，A_t(k)的计算公式如下：

当获得的扫描仪架设位置信息为参考系中的坐标信息时，A_t(k)的计算公式为

$A_{t\left(k\right)}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\β}}_k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{l}_{1x}& m_{1y}& l_{kz}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ l_{kx}& m_{ky}& n_{kz}\end{array}\right],{\mathrm{\β}}_j=\[\begin{array}{ccc}{l}_{jx}& m_{jy}& n_{jz}\end{array}\]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{x_j^i-t_{x0}}{d_{j0}^i}& \frac{y_j^i-t_{y0}}{d_{j0}^i}& \frac{z_j^i-t_{z0}}{d_{j0}^i}\end{array}\right]$

$d_{j0}^i=\sqrt{{(x_j^i-t_{x0})}^2+{(y_j^i-t_{y0})}^2+{(z_j^i-t_{z0})}^2}$

式中，(t_x0,t_y0,t_z0)为备选扫描仪在参考系i中的架设位置；

当获得的扫描仪架设位置信息为待配准系中的坐标信息时，A_t(k)的计算公式为

$A_{t\left(k\right)}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\β}}_k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{l}_{1x}& m_{1y}& l_{kz}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ l_{kx}& m_{ky}& n_{kz}\end{array}\right],{\mathrm{\β}}_j=\[\begin{array}{ccc}{l}_{jx}& m_{jy}& n_{jz}\end{array}\]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{x_j^{i+1}-t_{x0}}{d_{j0}^{i+1}}& \frac{y_j^{i+1}-t_{y0}}{d_{j0}^{i+1}}& \frac{z_j^{i+1}-t_{z0}}{d_{j0}^{i+1}}\end{array}\right]$

$d_{j0}^{i+1}=\sqrt{{(x_j^{i+1}-t_{x0})}^2+{(y_j^{i+1}-t_{y0})}^2+{(z_j^{i+1}-t_{z0})}^2}$

式中，(t_x0,t_y0,t_z0)为备选扫描仪在参考系i+1中的架设位置。

4.根据权利要求1所述的一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，其特征在于：在步骤②中，需要人工从目标场景中选择适合布设标靶的位置，记为标靶布设的备选位置，备选位置信息与已有坐标系有关，当只有参考系或待配准系的场景扫描点云时，获取参考系或待配准系中标靶备选位置的坐标信息；当有两系的场景扫描点云时，同时获取两系中标靶备选位置的坐标信息。

5.根据权利要求1和4所述的一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，其特征在于：在步骤③中，需先确定用于待配准系的专用或自制标靶个数，再从m₁个备选标靶位置中选择k个位置，作为标靶的一种布设方案，获取其相应的坐标信息。

6.根据权利要求1所述的一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，其特征在于：在步骤⑦中，需要人工从目标场景中选择适合架设扫描仪的位置，记为扫描仪架设的备选位置，备选位置信息与已有坐标系有关，当只有参考系或待配准系的场景扫描点云时，获取参考系或待配准系中扫描仪备选位置的坐标信息，当有两系的场景扫描点云时，只需获取其中任意一系下的备选位置坐标信息。

7.根据权利要求1和6所述的一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，其特征在于：在步骤⑧中，从m₂个备选扫描仪架设位置中选择1个位置，作为扫描仪的一种架设方案，获取其相应的坐标信息。