專利名稱：基于控制網(wǎng)的海量點(diǎn)云快速配準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)繪學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及視覺技術(shù)領(lǐng)域的一種海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速配準(zhǔn)方法。在虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字城市、古建筑保護(hù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、3D重建領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
背景技術(shù)：
利用三維激光掃描儀采集目標(biāo)物體完整的形狀信息須采用多站多視點(diǎn)掃描，然后將多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系中。因此，配準(zhǔn)技術(shù)是三維掃描技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，配準(zhǔn)結(jié)果的好壞直接影響到后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和三維建模的精度。點(diǎn)云的配準(zhǔn)可分為基于特征的配準(zhǔn)和無特征的配準(zhǔn)無特征的配準(zhǔn)就是直接利用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，比較有代表性的就是ICP算法。1992年，計(jì)算機(jī)視覺研究者Besl和Mckay介紹了一種高層次的基于自由形態(tài)曲面的配準(zhǔn)方法，也稱為迭代最近點(diǎn)法ICP(Iterative Closest Point)?；谔卣鞯呐錅?zhǔn)是利用特征重名點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，比較有代表性的方法是利用特征重名點(diǎn)計(jì)算出六個(gè)參數(shù)，即三個(gè)角度轉(zhuǎn)換量Φ、ω、K，三個(gè)坐標(biāo)平移量ΔΧ、ΔΥ、ΔΖ，按最小
二乘法原理平差求解。在實(shí)際應(yīng)用中，采集的多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間并不存在完全意義上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，因此探討基于特征的配準(zhǔn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)多視點(diǎn)散亂點(diǎn)云提出基于控制網(wǎng)的特征配準(zhǔn)方法，配準(zhǔn)算法采用基于控制網(wǎng)和球面靶標(biāo)的方法，該方法能夠?qū)⑺袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到所需的控制網(wǎng)坐標(biāo)系下，能夠滿足諸如數(shù)字城市建設(shè)的特定需求，并采用基于M-估計(jì)的穩(wěn)健標(biāo)靶球定位方法擬合球靶標(biāo)中心點(diǎn)，提高了配準(zhǔn)模型的精度和效率。步驟一首先在目標(biāo)周圍設(shè)置控制網(wǎng)，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系；步驟二 利用掃描儀和全站儀分別采集球標(biāo)靶公共點(diǎn)坐標(biāo)，以此作為控制點(diǎn)來獲取坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。球標(biāo)靶為一個(gè)立體模型，布設(shè)方便，可在任意方向擬合提取其球心坐標(biāo)；步驟三控制網(wǎng)下球體坐標(biāo)的獲??；步驟四采用基于M-估計(jì)的穩(wěn)健球標(biāo)靶定位方法擬合球靶標(biāo)掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；步驟五利用全站儀實(shí)測(cè)的球標(biāo)靶坐標(biāo)(X，Y，Ζ)和標(biāo)靶在當(dāng)前掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(χ，y，Ζ)，將所有點(diǎn)云配準(zhǔn)到控制網(wǎng)坐標(biāo)系內(nèi)。


圖1全站儀測(cè)球心坐標(biāo)
圖2點(diǎn)云配準(zhǔn)流程3配準(zhǔn)前點(diǎn)云圖4配準(zhǔn)結(jié)果圖5穩(wěn)健球面擬合結(jié)果圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。1方法概述針對(duì)多視點(diǎn)散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)提出基于控制網(wǎng)的特征配準(zhǔn)方法，配準(zhǔn)算法采用基于控制網(wǎng)和球面靶標(biāo)的方法，首先在目標(biāo)周圍設(shè)置控制網(wǎng)，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系；然后利用掃描儀和全站儀分別采集球標(biāo)靶公共點(diǎn)坐標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)所有點(diǎn)云配準(zhǔn)到控制網(wǎng)坐標(biāo)系內(nèi)。圖二給出了整個(gè)點(diǎn)云配準(zhǔn)算法的流程圖。2數(shù)據(jù)采集2. 1控制網(wǎng)坐標(biāo)系下球靶標(biāo)坐標(biāo)利用全站儀在球體水平方向及垂直方向瞄準(zhǔn)球標(biāo)靶的邊緣，測(cè)出水平方位角Al，A2和天頂距Al、A2，取平均得到A和Z ；據(jù)此測(cè)出測(cè)站到表面中心的距離S’，然后根據(jù)Z和S’，求出球的半徑r和測(cè)站至球標(biāo)靶中心的斜距S，如圖1所示。r = (S' +r)*sinZS = S' +r根據(jù)極坐標(biāo)測(cè)定空間點(diǎn)位的公式可得球心的三維坐標(biāo)為X = XA+S*sinZ*cosAY = YA+S*sinZ*sinAZ = ZA+S*cosZ2. 2基于M-估計(jì)的穩(wěn)健球標(biāo)靶擬合方法設(shè)ri為第i個(gè)數(shù)據(jù)的殘差，M-估計(jì)將殘差的平方和￥替換成另一個(gè)關(guān)于殘差的
函數(shù)，使參數(shù)估計(jì)的目標(biāo)函數(shù)成為
權(quán)利要求
1.基于控制網(wǎng)的海量點(diǎn)云快速配準(zhǔn)方法，其特征在于，基于控制網(wǎng)的配準(zhǔn)方法步驟包括步驟一采用全站儀在目標(biāo)周圍設(shè)置控制網(wǎng)，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系；步驟二 利用全站儀和掃描儀分別采集球標(biāo)靶同名點(diǎn)坐標(biāo)，以此作為控制點(diǎn)來獲取坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)；步驟三利用全站儀數(shù)據(jù)求取控制網(wǎng)下球體中心坐標(biāo)；步驟四采用基于M-估計(jì)的穩(wěn)健球標(biāo)靶定位方法擬合掃描儀坐標(biāo)系下球靶標(biāo)的中心坐標(biāo)；步驟五利用全站儀實(shí)測(cè)的球標(biāo)靶坐標(biāo)(X，Y，Z)和當(dāng)前掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(X，y，ζ)，實(shí)現(xiàn)所有點(diǎn)云的配準(zhǔn)。
2.按權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，都是采用激光掃描儀產(chǎn)生的原始坐標(biāo)。
3.按權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述的控制網(wǎng)布設(shè)方法為全站儀與精密水準(zhǔn)儀聯(lián)合作業(yè)，全站儀測(cè)出每條邊的長(zhǎng)度及每個(gè)控制點(diǎn)上的內(nèi)角，通過控制網(wǎng)平差得到各控制點(diǎn)坐標(biāo)，利用水準(zhǔn)儀測(cè)量高程控。
4.按權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，利用全站儀測(cè)角及測(cè)距求取控制網(wǎng)下球體中心坐標(biāo)，全站儀在球體水平及垂直方向瞄準(zhǔn)球邊緣，測(cè)出水平方位角A1, A2和天頂距Z1,Z2，取平均得到A和Ζ;據(jù)此測(cè)出測(cè)站到球表面中心的距離S'，然后根據(jù)Z和S'，求出球半徑r = (S' +r)*sin Z和測(cè)站到球中心的斜距S = S' +r，則得球心三維坐標(biāo)X =XA+S*sinZ*cosA, Y = YA+S*sinZ*sinA, Z = ZA+S*cosZ。
5.按權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述基于M-估計(jì)擬合出球靶標(biāo)中心坐標(biāo)，其中擬合球面時(shí)需構(gòu)造帶權(quán)最小二乘問題，此最小二乘問題是球面點(diǎn)數(shù)據(jù)到球心的殘差的絕對(duì)值，再乘以權(quán)函數(shù)的積的和的最小值問題。
6.按權(quán)利要求4所述的方法其特征在于，所述權(quán)函數(shù)，是以1Iri I < 1.5 σ^yf- 1-5 σ< |r,|< 2.5 σ為權(quán)值，σ是殘差標(biāo)準(zhǔn)偏差。02.5 σ < \η |
7.按權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，利用全站儀實(shí)測(cè)的球標(biāo)靶坐標(biāo)(X，Y，Ζ)和當(dāng)前掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(X，y，Ζ)，解算七個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)Φ、ω、κ、ΔΧ、ΔΥ、ΔΖ、λ，考慮模型縮放因子為λ = 1，共需要六個(gè)參數(shù)，即三個(gè)角度轉(zhuǎn)換量Φ、ω、Κ，三個(gè)坐標(biāo)平移量ΔΧ、ΔΥ、Δ Ζ，按最小二乘法原理平差求解。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種針對(duì)多視點(diǎn)散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基于控制網(wǎng)的球靶標(biāo)特征配準(zhǔn)方法，該方法利用全站儀及水準(zhǔn)儀在目標(biāo)周圍布設(shè)控制網(wǎng)，通過計(jì)算球靶標(biāo)同名點(diǎn)坐標(biāo)，解算出每站六個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到所需的控制網(wǎng)坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。本發(fā)明針對(duì)多視點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用六參數(shù)配準(zhǔn)方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同設(shè)站的統(tǒng)一配準(zhǔn)，速度快；利用球靶標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，提高了配準(zhǔn)模型的精度和效率；采用基于M-估計(jì)的球心擬合算法，具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性，且精度較高。方法中控制網(wǎng)的采用能夠?qū)崿F(xiàn)特定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，在數(shù)字城市、三維仿真、實(shí)物3D重建等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102393183SQ20111009849
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者馮文江, 張鴻飛, 程效軍 申請(qǐng)人:馮文江, 張鴻飛, 程效軍