基于标志点的三维点云自动拼接技术

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1、２０１４年９月计算机工程与设计Ｓｅｐｔ．２０１４第３５卷第９期ＣＯＭＰＵＴＥＲＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＡＮＤＤＥＳＩＧＮＶｏｌ．３５Ｎｏ．９基于标志点的三维点云自动拼接技术杨帆，权巍＋，白宝兴，薛耀红（长春理工大学计算机科学技术学院，吉林长春１３００２２）摘要：为实现三维点云的自动拼接，提出一种标志点的三维点云自动拼接方法。根据标志点的空间特征不变性，匹配３个标志点，利用三点法求取坐标变换矩阵，对目标标志

2、点集合进行坐标变换；采用ｋ－ｄ树搜索最接近标志点，设置距离阈值排除错误标志点对，通过哈希表替换坐标变换后的标志点；运用最小二乘法求解点云的变换矩阵，进行点云拼接。三维拼接实验结果表明，该方法拼接精度高、错误率低，能够实现快速、自动拼接。关键词：计算机视觉；标志点；自动匹配；最小二乘法；拼接中图法分类号：ＴＰ３９１．４１文献标识号：Ａ文章编号：１０００－７０２４（２０１４）０９－３３２１－０５Ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｓｔｉｔｃｈｉｎｇ３Ｄｐｏｉｎｔ－ｃｌｏｕｄｂａｓｅｄｏｎｍａｒｋｅｄｐｏｉｎｔＹＡＮＧＦａｎ，

3、ＱＵＡＮＷｅｉ＋，ＢＡＩＢａｏ－ｘｉｎｇ，ＸＵＥＹａｏ－ｈｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｔｉｔｃｈｔｈｅ３Ｄｐｏｉｎｔ－ｃｌｏｕｄａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ，ａｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｓｔｉｔｃｈｉｎｇ３Ｄｐｏｉｎｔ－ｃｌｏｕｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｒｋｅｄｐｏｉｎｔｗａｓｐｒｏｐｏｓ

4、ｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｒｅｅｍａｒｋｅｄｐｏｉｎｔｓｗｅｒｅｍａｔｃｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｎｖａｒｉａｎｔｆｅａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍａｒｋｅｄｐｏｉｎｔｓ’ｓｐａｃｅ，ａｎｄｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｍａｔｒｉｘｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｐｏｉｎｔｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｏｆｔｈｅｓｅｔｏｆｔａｒｇｅｔｍａｒｋｅｄｐｏｉｎｔｓｗｅｒｅｃｈａｎｇｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｃｌｏｓｅｓｔｍａｒｋｅｄｐｏｉｎｔｐａｉｒ

5、ｓｗｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｋ－ｄｔｒｅｅ，ｅｒｒｏｒｍａｒｋｅｄｐｏｉｎｔｐａｉｒｓｗｅｒｅｅｌｉｍｉｎａｔｅｄｂｙｓｅｔｔｉｎｇｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ａｎｄｔｈｅｍａｒｋｅｄｐｏｉｎｔｗａｓｒｅｐｌａｃｅｄａｆｔｅｒｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｕｓｉｎｇｔｈｅＨａｓｈｔａｂｌｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｍａｔｒｉｘｗａｓｓｏｌｖｅｄｔｈｒｏｕｇｈｕｓｉｎｇｔｈｅｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｓｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｔｈｅｐｏｉｎｔｓｃｌｏｕｄｓｔｉｔｃｈｉｎｇ

6、ｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｉｔｃｈｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｔｈｅｈｉｇｈｓｔｉｔｃｈｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｔｈｅｌｏｗｅｒｒｏｒｒａｔｅ，ａｎｄｉｔｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｒａｐｉｄｌｙａｎｄｓｔｉｔｃｈａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎ；ｍａｒｋｅｄｐｏｉｎｔ；ａｕｔｏｍａｔｉｃｍａｔｃｈｉｎｇ；ｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｓｍｅｔｈｏ

7、ｄ；ｓｔｉｔｃｈｉｎｇ０引言点云拼接［１］的方法中，最常用的是在物体表面粘贴标志点，通过标志点的匹配进行变换矩阵的求解，再对点云数据进行拼接。目前，点云拼接所面临的问题是拼接自动化程度不是很高，而且拼接的速度和精度也有待提高。为此，本文提出了一种基于标志点的三维点云自动拼接算法，首先匹配重叠区域内标志点，然后利用最小二乘法求取坐标变换矩阵进行点云拼接。１标志点的自动匹配对于通过三维扫描仪测量得到的２组点云，其重叠区域一定位于２组点云的边界区域；为了自动匹配重叠区域内的标志点，首先根据标志点间的空间不变性，匹配

8、位于重叠区域最外围的３个标志点。然后，通过三点法［２］求取三对标志点的变换矩阵。最后，匹配重叠区域内其它标志点。１．１匹配重叠区域内的三对标志点设２组点云的标志点集合分别为移动标志点集合Ｐ和参考标志点集合Ｑ。首先，获取Ｐ中ｘ坐标值最大的３个标志点，分别用Ｐｘｍａｘ１、Ｐｘｍａｘ２、Ｐｘｍａｘ３表示，并计算ｘ坐标值最大的标志点到其它两标志点的距离，用‖Ｐｘｍａｘ１Ｐｘｍａｘ２‖２、‖Ｐｘ