一種基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法，包括以下步驟：分別從相鄰兩個站點(diǎn)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取球標(biāo)靶特征；對于任一個站點(diǎn)，以任意三個非共線的球標(biāo)靶的球心為頂點(diǎn)構(gòu)建一個三角形，并以面積以及三個內(nèi)角作為三角形的四個旋轉(zhuǎn)不變量，則參考站構(gòu)建出一包含若干參考三角形的參考三角形集合，待配準(zhǔn)站構(gòu)建出包含若干待配準(zhǔn)三角形的待配準(zhǔn)三角形集合；將參考三角形集合和待配準(zhǔn)三角形集合匹配；確定出一個選定的同名三角形，計算待配準(zhǔn)站和參考站的變換關(guān)系。本發(fā)明以計算機(jī)自動化的方式實(shí)現(xiàn)球標(biāo)靶自動探測與自動配準(zhǔn)，有利于降低時間、人力、物力的開銷，且使得非專業(yè)用戶能夠獲取高質(zhì)量的三維數(shù)據(jù)模型。
【專利說明】一種基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光點(diǎn)云自動配準(zhǔn)方法，尤其涉及一種基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]盡管地面激光已經(jīng)成為一個比較成熟且廣泛應(yīng)用的技術(shù)，多站激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動配準(zhǔn)(簡稱“自動配準(zhǔn)”)依然是一個比較熱門的研究方向，它有助于降低時間、人力、物力的開銷，且使得非專業(yè)用戶能夠獲取高質(zhì)量的三維數(shù)據(jù)模型。
[0003]在實(shí)際作業(yè)中，較多采用標(biāo)靶或人工標(biāo)識的方法進(jìn)行配準(zhǔn)，當(dāng)目標(biāo)對象難以接近時，則限制了以上方法的使用，因此，基于特征的重疊點(diǎn)云之間的自動配準(zhǔn)方法成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)。目前基于特征的主要包括:基于局部特征描述的(spin image)、基于面片分割的(平面特征)、基于曲率的、基于三維線特征的、基于尺度不變特征的等。在實(shí)際地面激光三維掃描中，單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有點(diǎn)密度不均勻、數(shù)據(jù)不完整(遮擋、視角等)、易受噪聲影響等特點(diǎn)，因此基于曲率、局部描述特征等算法難以獲得理想效果。
[0004]球標(biāo)靶廣泛應(yīng)用于地面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)中，具有配置簡單靈活、效率高、對待配準(zhǔn)兩站數(shù)據(jù)重疊度要求不高等特點(diǎn)。但是現(xiàn)有軟件需要人工識別標(biāo)靶、建立同名關(guān)系后才可完成配準(zhǔn)，這對作業(yè)人員的軟件熟練程度、現(xiàn)場了解情況提出了要求，并且人工的干預(yù)降低了數(shù)據(jù)處理的效率，對最終的結(jié)果可能引入不利的影響。因此，有必要在單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)球標(biāo)靶的快速自動探測，并根據(jù)彼此位置關(guān)系，完成同名點(diǎn)的匹配，從而完成最終配準(zhǔn)。而這一過程的核心問題就是球標(biāo)靶的自動探測。目前，球標(biāo)靶自動探測方法主要有:模糊場景匹配、自適應(yīng)紋理表達(dá)、最大似然表面估計、基于分割的方法。這些方法都需要較復(fù)雜的運(yùn)算，在較大場景中識別較小的球體，算法效率與可靠性難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云自動配準(zhǔn)方法，降低了時間、人力、物力的開銷，并為非專業(yè)用戶提供高質(zhì)量的三維數(shù)據(jù)模型。
[0006]本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0007]一種基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一、利用激光掃描儀掃描目標(biāo)建筑物，相鄰兩個站點(diǎn)之間共用至少三個球標(biāo)靶，激光掃描儀在相鄰兩個站點(diǎn)掃描，分別獲取相鄰兩個站點(diǎn)中球標(biāo)靶和目標(biāo)建筑物的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0009]步驟二、分別從相鄰兩個站點(diǎn)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取球標(biāo)靶特征；
[0010]步驟三、在相鄰兩個站點(diǎn)中，以其中一個站點(diǎn)為參考站，以另一個站點(diǎn)為待配準(zhǔn)站，對于任一個站點(diǎn)，以任意三個非共線的球標(biāo)靶的球心為頂點(diǎn)構(gòu)建一個三角形，并以面積以及三個內(nèi)角作為三角形的四個旋轉(zhuǎn)不變量，則參考站構(gòu)建出一包含若干參考三角形的參考三角形集合，待配準(zhǔn)站構(gòu)建出包含若干待配準(zhǔn)三角形的待配準(zhǔn)三角形集合；[0011]步驟四、將參考三角形集合和待配準(zhǔn)三角形集合匹配，當(dāng)一個參考三角形與一個待配準(zhǔn)三角形的四個旋轉(zhuǎn)不變量均匹配，則該參考三角形和該待配準(zhǔn)三角形為一對候選同名三角形；
[0012]步驟五、從a個候選同名三角形中，確定出一個選定的同名三角形，利用所述選定的同名三角形計算待配準(zhǔn)站和參考站的所有的同名點(diǎn)對；
[0013]步驟六、利用所有的同名點(diǎn)對計算待配準(zhǔn)站和參考站的變換關(guān)系。
[0014]優(yōu)選的是，所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法中，所述步驟四中，當(dāng)參考三角形和待配準(zhǔn)三角形的面積之差小于第一閾值，參考三角形的第一個內(nèi)角與待配準(zhǔn)三角形的第一個內(nèi)角之差小于第二閾值，參考三角形的第二個內(nèi)角與待配準(zhǔn)三角形的第二個內(nèi)角之差小于第二閾值，參考三角形的第三個內(nèi)角與待配準(zhǔn)三角形的第三個內(nèi)角之差小于第二閾值，則該參考三角形與該待配準(zhǔn)三角形的四個旋轉(zhuǎn)不變量均匹配，每對候選同名三角形的三對頂點(diǎn)為參考站和待配準(zhǔn)站的三對候選同名點(diǎn)。
[0015]優(yōu)選的是，所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法中，所述步驟五中，所述選定的同名三角形是通過以下過程確定的:逐個驗(yàn)證a個候選同名三角形，對于任一個候選同名三角形，利用三對候選同名點(diǎn)對計算待配準(zhǔn)站和參考站的初始變換關(guān)系，根據(jù)初始變換關(guān)系將待配準(zhǔn)站中所有球標(biāo)祀的球心坐標(biāo)變換至參考站，得到所有球標(biāo)祀的球心的初始變換坐標(biāo),若一個球標(biāo)祀的球心在參考站中的初始變換坐標(biāo)與一個球標(biāo)祀的球心在參考站中的球心坐標(biāo)匹配，則判斷兩個球標(biāo)靶的球心為候選同名點(diǎn)對，以候選同名點(diǎn)對個數(shù)最多的候選同名三角形為選定的同名三角形，則以所述選定的同名三角形確定的候選同名點(diǎn)對為待配準(zhǔn)站和參考站的同名點(diǎn)對。
[0016]優(yōu)選的是，所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法中，所述步驟四中，對于任一個站點(diǎn)，在三角形集合中，將三角形按照面積排序，之后，再將一個三角形的三個內(nèi)角按照從大到小的順序排序。
[0017]優(yōu)選的是，所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法中，所述步驟三中，對于任一個站點(diǎn)，在構(gòu)建三角形時，舍棄內(nèi)角大于內(nèi)角閾值或者最大邊大于邊長閾值的三角形。
[0018]優(yōu)選的是，所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法中，所述步驟二中，從任一個站點(diǎn)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取球標(biāo)靶特征的具體過程為:
[0019](I)從一個站點(diǎn)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取邊界點(diǎn)，
[0020](2)從邊界點(diǎn)中提取全部的圓特征，
[0021](3)對于一個圓特征，從該圓特征的點(diǎn)集中計算球標(biāo)靶模型，該球標(biāo)靶模型用于求解該球標(biāo)靶的球心坐標(biāo)。
[0022]優(yōu)選的是，所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法中，所述步驟(I)中，從一個站點(diǎn)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中逐個選擇當(dāng)前有效點(diǎn)，分別計算位于該當(dāng)前有效點(diǎn)周圍鄰域的8個有效點(diǎn)到當(dāng)前有效點(diǎn)之間的三維空間距離，如其中一個有效點(diǎn)到當(dāng)前有效點(diǎn)的距離大于球標(biāo)靶的半徑，則判定該當(dāng)前有效點(diǎn)為邊界點(diǎn)。
[0023]優(yōu)選的是，所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法中，步驟(2)中，還包括:
[0024](a)標(biāo)識所有邊界點(diǎn)為待分類點(diǎn)，[0025](b)選取一個待分類點(diǎn)，利用該待分類點(diǎn)創(chuàng)建聚類結(jié)點(diǎn)Ci,
[0026](c)選擇Ci所有成員中的一個分類點(diǎn)作為當(dāng)前分類點(diǎn)，分別計算位于當(dāng)前分類點(diǎn)周圍鄰域的8個待分類點(diǎn)到當(dāng)前分類點(diǎn)的距離，當(dāng)一個待分類點(diǎn)到當(dāng)前分類點(diǎn)的距離小于第三閾值，則該待分類點(diǎn)加入聚類結(jié)點(diǎn)Ci，并將其分類標(biāo)識修改為分類點(diǎn)，第三閾值為
【權(quán)利要求】
1.一種基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、利用激光掃描儀掃描目標(biāo)建筑物，相鄰兩個站點(diǎn)之間共用至少三個球標(biāo)靶，激光掃描儀在相鄰兩個站點(diǎn)掃描，分別獲取相鄰兩個站點(diǎn)中球標(biāo)祀和目標(biāo)建筑物的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 步驟二、分別從相鄰兩個站點(diǎn)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取球標(biāo)靶特征； 步驟三、在相鄰兩個站點(diǎn)中，以其中一個站點(diǎn)為參考站，以另一個站點(diǎn)為待配準(zhǔn)站，對于任一個站點(diǎn)，以任意三個非共線的球標(biāo)靶的球心為頂點(diǎn)構(gòu)建一個三角形，并以面積以及三個內(nèi)角作為三角形的四個旋轉(zhuǎn)不變量，則參考站構(gòu)建出一包含若干參考三角形的參考三角形集合，待配準(zhǔn)站構(gòu)建出包含若干待配準(zhǔn)三角形的待配準(zhǔn)三角形集合； 步驟四、將參考三角形集合和待配準(zhǔn)三角形集合匹配，當(dāng)一個參考三角形與一個待配準(zhǔn)三角形的四個旋轉(zhuǎn)不變量均匹配，則該參考三角形和該待配準(zhǔn)三角形為一對候選同名三角形； 步驟五、從a個候選同名三角形中，確定出一個選定的同名三角形，利用所述選定的同名三角形計算待配準(zhǔn)站和參考站的所有的同`名點(diǎn)對； 步驟六、利用所有的同名點(diǎn)對計算待配準(zhǔn)站和參考站的變換關(guān)系。
2.如權(quán)利要求1所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟四中，當(dāng)參考三角形和待配準(zhǔn)三角形的面積之差小于第一閾值，參考三角形的第一個內(nèi)角與待配準(zhǔn)三角形的第一個內(nèi)角之差小于第二閾值，參考三角形的第二個內(nèi)角與待配準(zhǔn)三角形的第二個內(nèi)角之差小于第二閾值，參考三角形的第三個內(nèi)角與待配準(zhǔn)三角形的第三個內(nèi)角之差小于第二閾值，則該參考三角形與該待配準(zhǔn)三角形的四個旋轉(zhuǎn)不變量均匹配，每對候選同名三角形的三對頂點(diǎn)為參考站和待配準(zhǔn)站的三對候選同名點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求2所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟五中，所述選定的同名三角形是通過以下過程確定的:逐個驗(yàn)證a個候選同名三角形，對于任一個候選同名三角形，利用三對候選同名點(diǎn)對計算待配準(zhǔn)站和參考站的初始變換關(guān)系，根據(jù)初始變換關(guān)系將待配準(zhǔn)站中所有球標(biāo)靶的球心坐標(biāo)變換至參考站，得到所有球標(biāo)祀的球心的初始變換坐標(biāo),若一個球標(biāo)祀的球心在參考站中的初始變換坐標(biāo)與一個球標(biāo)靶的球心在參考站中的球心坐標(biāo)匹配，則判斷兩個球標(biāo)靶的球心為候選同名點(diǎn)對，以候選同名點(diǎn)對個數(shù)最多的候選同名三角形為選定的同名三角形，則以所述選定的同名三角形確定的候選同名點(diǎn)對為待配準(zhǔn)站和參考站的同名點(diǎn)對。
4.如權(quán)利要求3所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟四中，對于任一個站點(diǎn)，在三角形集合中，將三角形按照面積排序，之后，再將一個三角形的三個內(nèi)角按照從大到小的順序排序。
5.如權(quán)利要求3所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟三中，對于任一個站點(diǎn)，在構(gòu)建三角形時，舍棄內(nèi)角大于內(nèi)角閾值或者最大邊大于邊長閾值的三角形。
6.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟二中，從任一個站點(diǎn)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取球標(biāo)靶特征的具體過程為: (I)從一個站點(diǎn)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取邊界點(diǎn)，(2)從邊界點(diǎn)中提取全部的圓特征， (3)對于一個圓特征，從該圓特征的點(diǎn)集中計算球標(biāo)靶模型，該球標(biāo)靶模型用于求解該球標(biāo)靶的球心坐標(biāo)。
7.如權(quán)利要求6所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟(1)中，從一個站點(diǎn)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中逐個選擇當(dāng)前有效點(diǎn)，分別計算位于該當(dāng)前有效點(diǎn)周圍鄰域的8個有效點(diǎn)到當(dāng)前有效點(diǎn)之間的三維空間距離，如其中一個有效點(diǎn)到當(dāng)前有效點(diǎn)的距離大于球標(biāo)靶的半徑，則判定該當(dāng)前有效點(diǎn)為邊界點(diǎn)。
8.如權(quán)利要求7所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法，其特征在于，步驟(2)中，還包括: (a)標(biāo)識所有邊界點(diǎn)為待分類點(diǎn)， (b)選取一個待分類點(diǎn)，利用該待分類點(diǎn)創(chuàng)建聚類結(jié)點(diǎn)Ci, (c)選擇Ci所有成員中的一個分類點(diǎn)作為當(dāng)前分類點(diǎn)，分別計算位于當(dāng)前分類點(diǎn)周圍鄰域的8個待分類點(diǎn)到當(dāng)前分類點(diǎn)的距離，當(dāng)一個待分類點(diǎn)到當(dāng)前分類點(diǎn)的距離小于第三閾值，則該待分類點(diǎn)加入聚類結(jié)點(diǎn)Ci,并將其分類標(biāo)識修改為分類點(diǎn)，第三閾值為1=攀+知2 ,其中s為激光掃描儀掃描時的角度增量，+y2 +Z2:為當(dāng)前分類點(diǎn)到掃描儀的距離， (d)執(zhí)行步驟(c)，對Ci擴(kuò)展，直到Ci成員不再增加， (e)重復(fù)步驟(b)~(d)，直至完成對所有的邊界點(diǎn)的判斷，從而將所有的邊界點(diǎn)區(qū)分為多個聚類結(jié)點(diǎn)； 所述步驟(3)中，在每個聚類結(jié)點(diǎn)中提取一個圓特征。
9.如權(quán)利要求8所述的基于球標(biāo)靶探測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟(3)中，從每個圓特征的點(diǎn)集中計算球標(biāo)靶模型，其具體過程為: (a)在圓特征的點(diǎn)集抽取兩個采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)及其法向確定一條空間直線，以兩個空間直線之間最短垂線段的中點(diǎn)作為球心，以球心到兩個采樣點(diǎn)的平均距離作為半徑，從而建立一個候選球模型， (b)當(dāng)圓特征的點(diǎn)集中的一個點(diǎn)到球心的距離在第四閾值內(nèi)，并且該點(diǎn)的法向與該點(diǎn)在候選球模型上的投影點(diǎn)的法向的夾角小于第五閾值時，該點(diǎn)屬于該候選球模型的一致集， (C)重復(fù)(a)和(b)，從而建立若干候選球模型， (d)以若干候選球模型中一致集中的點(diǎn)的數(shù)目最大的候選球模型作為最優(yōu)球模型，該最優(yōu)球模型為球標(biāo)靶模型。
【文檔編號】G06F17/50GK103646156SQ201310746219
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】王晏民, 石宏斌 申請人:北京建筑大學(xué)