三维点云数据的快速拼接技术研究

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1、三维点云数据的快速拼接技术研究　　摘要：在获取物体表面数据过程中，由于物体过大或者单幅不能实现完全测量时，需要对测量点云进行拼接处理。文章通过简化的ICP算法（IterativeClosetPointAlgorithm）实现多幅扫描点云的快速拼接，该方法不仅能够解决复杂的拼接问题，而且提高了运算速度，达到实际应用的要求。　　关键词：逆向工程；光学测量；三维拼接　　引言　　三维光学测量技术[1]是一种通过光学手段获取物体三维空间信息（主要是物体表面三维形状信息）的方法和技术。随着生产水平的提高，制造出的产品零件大多采用复杂

2、不规则的曲面，在其生产的各个环节中都需要三维测量和数字化，因此三维测量技术和反求逆向设计技术就显得尤为重要。XJTUOM型三维光学点云测量系统能够实现不规则复杂曲面产品零件的移动便携式三维测量和逆向设计，它是利用三维扫描仪采用非接触式测量方法进行扫描，从而获得被扫描对象表面的三维位置数据，然后采用一定的处理方法得到对象的模型，优点是速度快，而且精度高。　　用于建模的数据质量的好坏很大程度上是取决于点云数据的精度以及是否能够完整。如果要获得完整的数据模型，那么就需要多幅的点云进行拼接以及处理，最终得到的模型精度主要是和点云

3、拼接的处理有关。三维点云拼接和处理既是承上启下的作用，又是模型构建成功的决定性因素，因此，在逆向工程里，点云的拼接和处理就是非常关键的一部分。　　1数据采集　　对于面扫描工程研究，首要工作是将所研究对象的表面三维坐标提取出来，获取其几何特征信息。这种获取几何信息的方式称之为数据点云的采集，即利用一定的设备和方法测出研究对象其表明上若干特征点的三维坐标[2]。　　1.1标定扫描仪　　为了能够准确获得扫描点的三维坐标，需要对扫描仪进行标定，即采用标定装置，根据一定的算法得出扫描头的内外部结构参数。当扫描头重新安装，或者任意一

4、个摄像头镜头调整后均需要重新标定仪器。标定完成后，计算机在数秒内会在屏幕上显示出标定极差，极差越小，表示标定结果越准确，如果标定结果太大，系统会提示标定失败，即偏差较大，必须重新进行标定。　　1.2布设拼接点　　人体模型作为不规则的几何体，它非常复杂，研究起来比较困难，由于扫描仪的扫描范围有限，如果不进行重复扫描，就很难获取准确、完整的信息。基于此本实验从多个角度进行扫描，从而提取完整的人体模型信息。为了保证数据的精度定位和实现良好的拼接效果，采用在扫描物体表面布设非编码点。对于布设的标志点，在扫描时，要求能够很好地对扫

5、描仪实现反射，从而使扫描仪更准确的识别标志点，获取其三维坐标。　　参考点的布设应遵循以下原则：　　（1）为保证模型的拼合，在进行测量时，相邻的两次之间应不少于三个参考点重合。　　（2）参考点位置选取时应保证位于相邻区域边界上。　　（3）参考点的位置避免处于同一条直线上。　　（4）参考点的分布尽量避免成规则点阵，而且点与点之间的距离不能相同。　　（5）高低要有层次。　　1.3主要测量设备　　本文实验采用的是XJTUOM型三维光学密集点云测量系统，测量时采用非接触式方法获取人体模特的表面点位的空间位置。　　XJTUOM-II

6、的基本原理是：测量时光栅投影装置投影多幅多频光栅到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用立体匹配技术、三角形测量原理，解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。　　XJTUOM-II便携性好，在现场根据工作位置要求可以任意搬动，而且仪器的角度可根据实际情况做任意调整，从而实现了全方位的测量。与传统的三坐标测量仪和激光三维扫描仪相比具有速度快、精度高、易操作、可移动等特点，并且XJTUOM-II输出点云文件，可用Surfacer、Geomagic等专业点云处理软件进行进一

7、步处理。　　2粗差剔除　　在实际测量时，无论是接触式还是非接触式的测量，由于振动、温度变化和被测物体表面粗糙度等原因，都不可避免地在真实数据点中混入不合理的噪声点（毛刺或偏离点），产生这些粗差的原因很多，但一般都是由于不可抗拒的随机原因产生的。粗差剔除，是指对测量过程中由于系统设备或测量外部环境等因素造成的噪声点进行识别及消除其对测量成果数据质量的影响。　　2.1粗差分?　　按照粗差产生的原因划分，可分为两类：　　（1）非参考噪声点：物体表面、模型架及周围物体上存在圆形或近似圆形图案且符合参考点的构图条件的白色斑迹、小孔

8、等，就可能在图像检测中产生这类参考点粗差，由于参考点是自动编号的，这类粗差的存在，对后续的非编码点匹配，有很大的影响。　　（2）同一参考噪声点：这类粗差点产生于模型表面粘贴的参考点处，从XJTUDP系统测量原理可知，参考点的三维坐标是拍摄的多幅图像上同一参考点基于交会原理优化解算出来的，当一个参考点在多幅图像上都被识