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低重叠度点云拼接方法研究

激光杂志 2019年第3期40卷 84-90页

作者：甘璐豪贺赛先武汉大学电子信息学院武汉430000

针对点云数据采集过程中因扫描仪设站数少导致相邻的两片激光点云重叠度低,且难以高精度进行拼接的问题,文中提出了一种方法:首先基于法线差值和曲率差值对点云进行区域分割,利用多维特征向量(FPFH)构建点云块的特征描述子,比较特征描... 详细信息

针对点云数据采集过程中因扫描仪设站数少导致相邻的两片激光点云重叠度低,且难以高精度进行拼接的问题,文中提出了一种方法:首先基于法线差值和曲率差值对点云进行区域分割,利用多维特征向量(FPFH)构建点云块的特征描述子,比较特征描述子得到相似的点云块;其次利用迭代最近点算法(ICP)对相似的点云块进行粗拼接,点云块向垂直于其平均法向量的平面投影,利用图像匹配的方法找出图像匹配点,根据投影关系反推出可能的点云匹配点,每一对图像匹配点对应一对或多对点云匹配点,每对点云匹配点分别提取其K邻域,利用ICP算法对两个邻域进行匹配,找出重合度最好的匹配,对应的两点认为是正确的点云匹配点,最后把同一块点云上全部的正确匹配点以及它们的K邻域提取出来,利用ICP算法求出提取出来的两部分点云之间的变换矩阵,粗拼接后的点云通过该矩阵变换完成精拼接。与传统的ICP算法和基于点云特征FPFH的拼接方法作比较,实验结果证明:本文提出的方法有效地提高了低重叠度点云的拼接精度。

关键词：点云拼接点云分块 FPFH 图像匹配迭代最近点算法

基于点云采样权重估计的未知物体抓取位姿生成方法

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控制与决策 2023年第10期38卷 2859-2866页

作者：蔡子豪杨亮黄之峰电子科技大学中山学院计算机学院广东中山528402 广东工业大学自动化学院广州510006

针对机械臂在非结构环境中对未知物体抓取位姿生成困难及抓取稳定性差的问题,提出一种基于点云采样权重估计的抓取位姿生成方法.首先通过移动深度相机的方式拼接得到较完整的物体点云信息,并对物体的几何特性进行分析,有效避开物体不宜... 详细信息

针对机械臂在非结构环境中对未知物体抓取位姿生成困难及抓取稳定性差的问题,提出一种基于点云采样权重估计的抓取位姿生成方法.首先通过移动深度相机的方式拼接得到较完整的物体点云信息,并对物体的几何特性进行分析,有效避开物体不宜抓取的位置进行抓取位姿样本生成;然后结合几何约束条件实现抓取位姿搜索,并利用力封闭条件对样本稳定性进行评估;最后为了对实际的抓取位姿进行评价,根据其稳定性、夹取深度、夹取角度等设定抓取可行性指标,据此在工作空间输出最佳抓取位姿并完成指定的抓取任务.实验结果表明,采用所提方法能够高效生成大量且稳定的抓取位姿,并在仿真环境中有效实现机械臂对单个或多个随机摆放的未知物体的抓取任务.

关键词：非结构环境机械臂抓取点云拼接点云精简点云采样力封闭条件

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进化点云拼接技术的优化加速方法研究

进化点云拼接技术的优化加速方法研究

作者：邹力天津大学

学位级别：硕士

随着三维点云采集设备的不断发展,三维点云数据已成为机器视觉领域内的重要数据形式。由于视场限制和物体形貌的遮挡,很难一次获得物体的全部三维点云信息,需要通过多次变换视角进行点云采集,再将点云数据统一到同一坐标系下,从而完整... 详细信息

随着三维点云采集设备的不断发展,三维点云数据已成为机器视觉领域内的重要数据形式。由于视场限制和物体形貌的遮挡,很难一次获得物体的全部三维点云信息,需要通过多次变换视角进行点云采集,再将点云数据统一到同一坐标系下,从而完整描述被测物体。因此,精确、高效和鲁棒的点云拼接算法是三维成像领域的一个研究热点。在点云拼接算法中,进化点云拼接算法是一种新兴的精度较高,对初始位置不敏感的拼接算法。但该类算法拼接耗时往往较长,影响了其在工程领域的实际应用。因此,本文围绕该类算法的加速策略,开展了以下研究:1.研究了目前主流的点云拼接技术,包括多种粗拼接算法、经典ICP类精确拼接算法以及两种典型的ICP改进算法、进化点云拼接算法等;并对这些算法进行了对比、分析,指出了各种算法的适用条件、局限性及改进方向。2.针对进化拼接算法中,拼接算法收敛精度远高于模型分辨率而造成的过度开发问题,提出一种基于哈希表和飞蛾火焰的进化拼接算法。所提算法利用哈希表的快速插入查找功能缓存目标函数值,避免进化群体的过度开发和重复搜索;在飞蛾火焰算法中引入新的搜索方程和重启动机制来平衡其探索和开发性能;最后利用改进的飞蛾火焰算法优化求解空间最优变换。通过与多种最新的进化拼接算法进行对比实验,验证了所提算法能够有效缩短运算时间。3.针对现有进化点云拼接算法未使用点云色彩信息这一局限性,提出一种基于色彩信息的自适应进化点云拼接算法。使用随机采样与色彩特征点相结合的方式对输入点云进行采样,以包含色彩约束的点对距离中值为目标函数,利用自适应进化算法求解两片点云间的最优空间变换,实现三维点云数据的有效拼接。4幅彩色点云的拼接实验结果表明,与仅使用空间信息的自适应进化点云拼接算法和其他两种较新的进化拼接算法相比,所提算法在保证同等拼接精度的情况下,能够有效缩短拼接时间。

关键词：三维数字化技术进化算法点云拼接彩色点云算法加速

基于三维激光测量系统的点云拼接理论与试验研究

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基于三维激光测量系统的点云拼接理论与试验研究

作者：郭扬上海交通大学

学位级别：硕士

大型高温锻件在线测量技术是锻造加工过程中的重要环节。与传统接触式锻件测量相比,非接触式测量具有测量速度快,精度高,可重复性好等优点。激光测距传感器是典型的非接触式测量工具,广泛应用于场景重构、定位与导航、目标识别与跟踪等... 详细信息

大型高温锻件在线测量技术是锻造加工过程中的重要环节。与传统接触式锻件测量相比,非接触式测量具有测量速度快,精度高,可重复性好等优点。激光测距传感器是典型的非接触式测量工具,广泛应用于场景重构、定位与导航、目标识别与跟踪等领域,非常适合尺度范围广、场地条件恶劣的大型锻件热态工况下快速在线几何尺寸、形状测量应用。为了对具有大空间尺度、复杂多曲面的大型锻件进行多方位的尺寸测量,必须从不同视角下进行采集表面点云数据,然后通过拼接重建锻件整体形貌,该内容对在线测量的应用起到至关重要的作用。因此,针对三维点云的点元、线元特征提取,空间匹配以及点云拼接等方面的研究是十分必要的,为后续曲面重构、关键尺寸测量等提供保证。围绕三维激光测量系统的点云拼接内容,本文主要在以下几个方面开展研究工作: 1、基于中心轴线空间匹配的点云拼接研究。针对轴类、筒节等锻件空间任意截面为椭圆的特点,基于测量系统激光测距传感器扫描平面内锻件分割数据,提出轴线线元提取及空间匹配的算法;在与操作机的配合工作下,通过绕轴旋转操作实现表面无明显几何特征的轴类锻件多视测量点云拼接。 2、基于分层平面特征点的点云拼接算法研究。分析测量系统自下而上、从右到左的分层扫描特点,充分利用数据点之间内在几何拓扑信息,结合角点提取、聚类分析等相关理论对扫描截面内目标对象的二维数据进行特征处理,省去复杂的三维空间特征计算。不仅为实现基于边界特征直线的点云拼接奠定了基础,而且通过分割出边界之间重叠点云,进一步为之后的精拼接算法提供了保证。 3、基于移动最小二乘曲面特征的点云拼接。基于空间曲面隐式表达的微分几何理论,结合前人对移动最小二乘法曲面拟合方法的研究结果,提取点云模型中空间不变特征量并引入欧氏距离有序关系约束,在不确定操作机工况的情况下从三维空间的角度对点元进行匹配处理,进一步为实现锻件在线测量提供有力的、具有普适性的点云拼接方法。本文以大型锻件非接触式在线测量为研究背景,利用三维激光测量系统逐行逐列扫描方式,完成了三种针对不同形式锻件内外特征在不同工况下的三维点云拼接研究,并通过试验得到验证。上述研究方法和结果可对激光测量系统点云融合、曲面重构等后续研究提供理论基础,具有一定的科研价值和实际工程意义。

关键词：三维激光测量系统点云特征提取空间匹配点云拼接

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基于对偶四元数的LIDAR点云拼接研究

基于对偶四元数的LIDAR点云拼接研究

作者：柳建锋南京航空航天大学

学位级别：硕士

激光雷达(Light Detection and Ranging,LIDAR)技术具有精度高、自主性强、自动化程度高、高效率等特点,其在导航技术、航空测绘和地质灾害预防预报等领域应用广泛。由于LIDAR探测的空间目标复杂度较高,LIDAR点云采集通常需要从不同视... 详细信息

激光雷达(Light Detection and Ranging,LIDAR)技术具有精度高、自主性强、自动化程度高、高效率等特点,其在导航技术、航空测绘和地质灾害预防预报等领域应用广泛。由于LIDAR探测的空间目标复杂度较高,LIDAR点云采集通常需要从不同视角对空间目标进行扫描,再利用拼接算法将相邻测站点云进行拼接,从而实现对空间目标的完整表达。高精度的LIDAR点云拼接是实现点云整体性和保证空间目标三维表面拓扑重建的关键。直线是LIDAR点云里高级几何特征描述符号,具有更强的几何拓扑性和几何约束性。本文提出基于对偶四元数的LIDAR点云拼接方法,利用Plücker直线表示LIDAR待拼接测站LIDAR点云与基准测站LIDAR点云间的同名直线,用对偶四元数实现同名直线在空间中的螺旋运动,再根据同名Plücker直线重合的几何拓扑关系,建立Plücker直线共线条件方程,实现待拼接测站LIDAR点云与基准测站点云间的相对位姿参数的解算。针对待拼接测站LIDAR点云和基准测站LIDAR点云存在位置、姿态和比例缩放差异的问题,提出了基于直线簇约束下的LIDAR点云拼接方法。首先根据直线间相交、平行和异面的拓扑关系,分别对待拼接测站和基准测站LIDAR点云的直线进行聚簇,构建直线簇;然后,分别将同名直线用Plücker坐标表示,通过待拼接测站LIDAR点云的直线簇在空间中的螺旋缩放运动,使其与基准测站LIDAR点云的直线簇比例尺一致,且同名Plücker直线重合,构建基于直线簇的共线条件方程,实现了比例因子和相对位姿一体化解算。本文的研究成果为实现城市空间信息的完整表达提供了数据支撑。

关键词：激光雷达点云拼接对偶四元数 Plücker直线坐标直线簇

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基于特征的点云配准与拼接技术研究

基于特征的点云配准与拼接技术研究

作者：孙小兵天津大学

学位级别：硕士

随着计算图形学的发展,逆向工程在产品制造、考古研究、虚拟现实等很多领域得到了广泛应用。作为逆向的核心技术,点云配准得到了学者的深入研究。点云配准的两个主要应用领域是工件质量评估和模型拼接。本文以工件质量评估为例,提出基... 详细信息

随着计算图形学的发展,逆向工程在产品制造、考古研究、虚拟现实等很多领域得到了广泛应用。作为逆向的核心技术,点云配准得到了学者的深入研究。点云配准的两个主要应用领域是工件质量评估和模型拼接。本文以工件质量评估为例,提出基于特征的稀疏点云配准算法;以模型拼接为例,提出了基于特征的点云拼接算法。工件的加工精度对产品的性能有很大影响。三坐标测量机测量精度很高,可以获取工件测量数据。由于获取的点云为稀疏点云且含有很多平面、柱面特征,所以提出基于特征的稀疏点云配准算法。先人工选出待配准区域,删除多余部分,用最小二乘法进行平面特征提取,用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法进行柱面特征提取;使用特征建立局部坐标系,求出两簇点云间的旋转变换矩阵和平移矢量,完成初始配准;最后使用改进的ICP算法完成精确配准。设计了实验验证了本文算法精度的可靠性,最后用提出的算法完成两个零件加工误差的检测。模型拼接的思路一般是在重合区域寻找对应点对,求出刚体变换,完成拼接。本文提出与现有方法不同的拼接算法,对于点云中的每一个点,通过查找邻域计算法矢,通过坐标变换和抛物面拟合来求得每一点的曲率值;设定合适的阈值来挑选出特征点集;构造一个相似度量来确定对应点对;用法矢约束来确定最优配准的三个点对,并由这三个点对求出旋转变换矩阵和平移矢量,完成初始配准;同样使用改进的ICP配准算法完成精确配准。实验表明,提出的算法精度在1μm以内。

关键词：逆向工程点云配准特征质量评估点云拼接

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基于摄影测量的多视点云全局拼接方法研究

基于摄影测量的多视点云全局拼接方法研究

作者：王沛华中科技大学

学位级别：硕士

随着现代工业零件逐渐复杂化、大型化发展,对其质量检测提出了更高的要求。面结构光测量技术因具有测量速度快、精度高、非接触等优点,广泛应用于工业零件的三维形貌测量。然而大型工业零件受整体尺寸较大的影响,单次测量无法获得完整... 详细信息

随着现代工业零件逐渐复杂化、大型化发展,对其质量检测提出了更高的要求。面结构光测量技术因具有测量速度快、精度高、非接触等优点,广泛应用于工业零件的三维形貌测量。然而大型工业零件受整体尺寸较大的影响,单次测量无法获得完整三维形貌,若要得到完整三维形貌数据,通常需要完成多视角点云数据的拼接,这一过程往往存在较大的精度损失。为此,本文提出基于摄影测量的多视点云全局拼接方法,开展大视场相机离焦标定和多视点云全局拼接两个方面的研究,最终搭建基于全局点云拼接的三维形貌测量系统。具体研究内容如下:针对大范围测量场景下,现有相机标定方法实施难度大、效率低的问题,提出了基于相位移编码圆的离焦快速标定方法。研究了相位移编码圆的设计原理,生成三步相移编码圆图案作为标定图案;采集离焦状态下的相位移编码圆图像,对离焦图像进行相位主值计算和圆心提取,获取特征点精确的图像坐标;根据得到的二维图像坐标以及标靶的空间位置信息,构建逆向投影误差最小目标方程,优化求解相机参数。该方法采用离焦标定的思路,不需要高精度的大型标靶以及大范围的标定场景;且仅需从一个固定角度拍摄三幅相位移编码圆图像,即可实现大范围视觉系统相机的快速标定。针对多视点云局部拼接方法存在累计误差的问题,提出了基于摄影测量的全局点云拼接方法。分析了摄影测量原理,利用高分辨率相机解析出测量场景中标志点的高精度全局三维坐标;随后根据标志点的空间特征不变性,完成局部标志点和全局标志点的粗匹配,并采用随机抽样一致(Random Sample Consensus,RANSAC)算法去除误匹配;最后根据匹配完成的标志点计算坐标转换矩阵,将局部点云数据转换到全局坐标系下,实现点云数据的全局拼接。所提方法既有效的减少了拼接点云重叠区域,又解决了局部拼接方法产生的累计误差问题,提升了整体测量精度。基于以上研究,搭建三维形貌测量系统,完成了大型零件完整三维形貌测量。经实验验证:基于局部拼接方法的测量绝对误差为0.206 mm,相对误差为0.021%;基于全局拼接方法的测量绝对误差为0.124 mm,相对误差为0.012%。结果表明全局拼接方法相比于局部拼接方法测量精度有显著提升,满足大尺寸工件高精度测量需求。

关键词：大型零件面结构光三维扫描相机标定离焦摄影测量点云拼接

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基于图优化的多站激光点云拼接算法研究

基于图优化的多站激光点云拼接算法研究

作者：崔强山东科技大学

学位级别：硕士

三维激光扫描仪在获取数据时,由于扫描仪自身的局限性及目标地物、环境的制约,扫描地物时需要从各个角度设立多个站点进行,从而得到基于相互独立的局部坐标系统下的点云数据。为获得完整的点云数据,需要对局部坐标系下的多站点云数据使... 详细信息

三维激光扫描仪在获取数据时,由于扫描仪自身的局限性及目标地物、环境的制约,扫描地物时需要从各个角度设立多个站点进行,从而得到基于相互独立的局部坐标系统下的点云数据。为获得完整的点云数据,需要对局部坐标系下的多站点云数据使用拼接算法进行处理。根据采集数据时设立测站点数量的不同,点云拼接可分为两站拼接和多站拼接。两站点云数据拼接的过程主要分为两个步骤:粗拼接、精拼接。对于多站拼接,近些年来学者们针对拼接过程中的误差积累提出了基于闭合条件约束的多站点云拼接方法,但是此方法只针对单个闭合环的多站点云拼接,对于包含多个闭合环的区域网数据并没有进行深入研究。针对目前常用多站点云拼接算法中出现的问题,本文的主要研究工作如下:1.对目前常用的粗拼接算法进行了实现和对比。将两个不同站点下的点云分数据分别作为源点云数据与目标点云数据,采用了基于快速点特征直方图描述子的采样一致性算法、Super4pcs算法、标志点法分别实现点云数据的粗拼接,并从拼接精度和拼接效率两个方面对算法进行了对比和分析。2.在粗拼接的基础上,利用PCL开源库实现了基于point-to-point、point-to-plane两种搜索方式的ICP算法及NDT算法来完成点云数据的精拼接。并用实测数据进行实验,结果表明利用这两种算法都能够有效的实现点云数据的精拼接。3.本文给出了一种基于图优化的多站激光点云拼接算法。针对闭合(包含单个或多个闭环)的多站点云数据,将每站扫描仪的位姿作为顶点,通过两站拼接得到的变换矩阵作为边,构建位姿图并进行优化,并采用地面三维激光扫描仪实测的数据进行实验,验证了该方法有效且可行。

关键词：三维激光扫描点云拼接图优化闭合约束多站拼接

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基于对偶四元数构建的直线基元点云拼接方法

光学学报 2019年第12期39卷 408-416页

作者：柴双武杨晓琴太原理工大学矿业工程学院

当不同测站采集的点云数据存在遮挡时,无法获取完全对应的同名点特征,导致基于点特征的点云拼接方法失效。鉴于此,以同名直线特征为拼接基元,利用对偶四元数统一表示旋转参数和平移参数,依据基准测站和待拼接测站的平面法向量相等建立... 详细信息

当不同测站采集的点云数据存在遮挡时,无法获取完全对应的同名点特征,导致基于点特征的点云拼接方法失效。鉴于此,以同名直线特征为拼接基元,利用对偶四元数统一表示旋转参数和平移参数,依据基准测站和待拼接测站的平面法向量相等建立一种点云拼接平差模型来迭代求解平移向量和旋转矩阵;然后根据解析几何理论求解缩放系数,并将拼接后同名直线之间的单位方向向量和矩向量偏差中误差作为评价点云拼接精度的指标。实验结果表明,该平差模型能够实现存在遮挡问题的点云拼接,且拼接后同名直线矩向量偏差中误差可降低至0.0247 m。此外,该模型不仅能保留对偶四元数不依赖参数初值、收敛速度快的优点,又能解除对直线段两端点为同名点的限制。

关键词：遥感对偶四元数直线基元法向量缩放系数点云拼接