本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)領(lǐng)域中的基于迭代就近點(diǎn)(IterativeClosetPoint，ICP)算法的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法。本發(fā)明可以應(yīng)用于3D打印、3D重建等具體應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)已有的迭代就近點(diǎn)算法的局限性，根據(jù)點(diǎn)云掃描的不同方式，采取不同的點(diǎn)云配準(zhǔn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，從而構(gòu)建完整的三維點(diǎn)云模型。

背景技術(shù)：
點(diǎn)云配準(zhǔn)就是把不同角度、不同位置掃描到的若干段三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，得到完整的三維模型?，F(xiàn)有點(diǎn)云自動(dòng)配準(zhǔn)方法大致可分為三類：迭代配準(zhǔn)方法、基于曲面的配準(zhǔn)方法以及基于幾何特征的配準(zhǔn)方法等?；趲缀翁卣鞯呐錅?zhǔn)方法，利用局部特征描述、面片分割以及曲率等來(lái)尋找對(duì)應(yīng)點(diǎn)集，該方法容易受到數(shù)據(jù)密度、數(shù)據(jù)完整性和噪聲的干擾，配準(zhǔn)效果難以達(dá)到理想目標(biāo)，配準(zhǔn)精度差?；谇娴呐錅?zhǔn)方法利用點(diǎn)集的曲面特性尋找配準(zhǔn)點(diǎn)集，雖然應(yīng)用范圍較廣，但同樣存在配準(zhǔn)精度差的問(wèn)題。迭代就近點(diǎn)算法，最初是由Besl和McKay提出的，實(shí)質(zhì)上是基于最小二乘法的最優(yōu)匹配方法，它重復(fù)確定對(duì)應(yīng)關(guān)系點(diǎn)集并計(jì)算最優(yōu)剛體變換，主要用于解決基于自由形態(tài)曲面的配準(zhǔn)問(wèn)題，是一種精度較高的配準(zhǔn)算法，但是它要求待配準(zhǔn)的兩個(gè)點(diǎn)集中，其中一個(gè)點(diǎn)集是另外一個(gè)點(diǎn)集的子集，并且對(duì)掃描的點(diǎn)云的精度和初始配準(zhǔn)位置有要求，魯棒性較差，計(jì)算代價(jià)較大，匹配結(jié)果不可靠，容易陷入局部最優(yōu)解。北京信息科技大學(xué)擁有的專利技術(shù)“多視點(diǎn)云精確配準(zhǔn)方法”(專利申請(qǐng)?zhí)枺?00910170701.9，授權(quán)公告號(hào)：CN101645170B)中提出了一種多視點(diǎn)云精確配準(zhǔn)方法。該方法首先采用主方向貼合法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)云和參考點(diǎn)云的預(yù)配準(zhǔn)，然后分別求取目標(biāo)點(diǎn)云和參考點(diǎn)云中各點(diǎn)的曲率，得到特征匹配點(diǎn)對(duì)，最后利用迭代就近點(diǎn)匹配算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)云和參考點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)。該專利技術(shù)雖然在精確配準(zhǔn)前采用預(yù)配準(zhǔn)，并采用點(diǎn)的主曲率作為匹配特征，提高了配準(zhǔn)的可靠性和準(zhǔn)確性。但是，該方法仍然存在的不足是，通過(guò)點(diǎn)云的基于幾何特征尋找對(duì)應(yīng)點(diǎn)集，容易受到數(shù)據(jù)密度、數(shù)據(jù)完整性和噪聲的干擾，配準(zhǔn)效果難以達(dá)到理想目標(biāo)，配準(zhǔn)精度差。佳都新太科技股份有限公司在其申請(qǐng)的專利“一種基于拓?fù)涮卣鞯狞c(diǎn)云配準(zhǔn)算法”(專利申請(qǐng)?zhí)枺?01210488409.3，公開(kāi)號(hào)：CN103150747A)中公開(kāi)了一種基于拓?fù)涮卣鞯狞c(diǎn)云配準(zhǔn)算法。該方法首先在粗配準(zhǔn)階段采用基于拓?fù)涮卣鞯狞c(diǎn)云粗配準(zhǔn)算法，得到旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，然后在精確配準(zhǔn)階段采用迭代就近點(diǎn)算法。該方法雖然在點(diǎn)云配準(zhǔn)過(guò)程中利用拓?fù)涮卣鳒p少了配準(zhǔn)元素、去除了錯(cuò)誤對(duì)應(yīng)點(diǎn)，從而在減少了點(diǎn)云配準(zhǔn)的計(jì)算量的同時(shí)、提高了配準(zhǔn)算法的魯棒性。但是，該方法仍然存在的不足是，該方法的配準(zhǔn)元素是邊界特征點(diǎn)和突出特征點(diǎn)，容易受到噪聲數(shù)據(jù)的影響，在減小計(jì)算量的同時(shí)沒(méi)有充分利用點(diǎn)云中的點(diǎn)，配準(zhǔn)的精度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出了一種基于迭代就近點(diǎn)算法的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法，在配準(zhǔn)點(diǎn)云過(guò)程中對(duì)其配準(zhǔn)方法進(jìn)行改進(jìn)，魯棒性和精度得到提高。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的思路是，在點(diǎn)云配準(zhǔn)過(guò)程中依據(jù)不同的掃描場(chǎng)景，利用不同的掃描方式，獲得分段點(diǎn)云，取相鄰兩段點(diǎn)云作為待配準(zhǔn)點(diǎn)云，經(jīng)過(guò)濾波和稀疏化等預(yù)處理，通過(guò)將待配準(zhǔn)點(diǎn)云劃分為多個(gè)子空間，利用迭代就近點(diǎn)算法找到最優(yōu)子空間，進(jìn)一步最大化匹配點(diǎn)數(shù)目，獲得轉(zhuǎn)換矩陣，匹配待配準(zhǔn)點(diǎn)云，最終將整個(gè)待掃描物體的點(diǎn)云完成配準(zhǔn)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的具體步驟包括如下：(1)獲取點(diǎn)云：根據(jù)場(chǎng)景選擇不同的場(chǎng)景掃描方式，獲取待掃描物體的點(diǎn)云；(2)預(yù)處理點(diǎn)云：(2a)任意選取相鄰的兩段點(diǎn)云，作為參考點(diǎn)云和預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云，分別建立參考點(diǎn)云和預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云空間坐標(biāo)系；(2b)若預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云是通過(guò)水平視角掃描方式獲得，則將預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云繞Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，作為目標(biāo)點(diǎn)云，否則，將預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云直接作為目標(biāo)點(diǎn)云；(2c)采用離群點(diǎn)過(guò)濾方法，對(duì)參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行過(guò)濾，獲得過(guò)濾后參考點(diǎn)云和過(guò)濾后目標(biāo)點(diǎn)云；(2d)采用稀疏化方法，對(duì)過(guò)濾后參考點(diǎn)云和過(guò)濾后目標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行稀疏化，獲得稀疏化參考點(diǎn)云和稀疏化目標(biāo)點(diǎn)云；(2e)用從掃描儀讀取的掃描儀最優(yōu)掃描半徑，對(duì)稀疏化參考點(diǎn)云和稀疏化目標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行限長(zhǎng)濾波，得到參考待配準(zhǔn)點(diǎn)云和目標(biāo)待配準(zhǔn)點(diǎn)云；(3)獲取待擴(kuò)展參考空間和待擴(kuò)展目標(biāo)空間：(3a)在參考待配準(zhǔn)點(diǎn)云內(nèi)，取坐標(biāo)值x≥0且y≥0的部分，作為參考重疊部分；(3b)在目標(biāo)待配準(zhǔn)點(diǎn)云內(nèi)，取坐標(biāo)值x≥0且y≥0的部分，作為目標(biāo)重疊部分；(3c)分別在參考重疊部分和目標(biāo)重疊部分上，設(shè)置相同大小的滑動(dòng)窗，獲得參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間，將滑動(dòng)窗的位置標(biāo)記為初始生成位置；(3d)將參考重疊子空間作為最優(yōu)參考子空間，目標(biāo)重疊子空間作為最優(yōu)目標(biāo)子空間，將參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間的最優(yōu)子空間配準(zhǔn)得分初始化為無(wú)窮大；(3e)采用迭代配準(zhǔn)點(diǎn)云公式，將參考重疊子空間作為參考配準(zhǔn)點(diǎn)云，目標(biāo)重疊子空間作為目標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)云，計(jì)算參考配準(zhǔn)點(diǎn)云和目標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)云的配準(zhǔn)得分，將配準(zhǔn)得分作為子空間配準(zhǔn)得分；(3f)按照下式，計(jì)算參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間的配準(zhǔn)修正得分：其中，G表示參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間的配準(zhǔn)修正得分，G′表示參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間的子空間配準(zhǔn)得分，I表示通過(guò)迭代就近點(diǎn)算法獲得的參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間內(nèi)匹配點(diǎn)的個(gè)數(shù)，T表示目標(biāo)待配準(zhǔn)點(diǎn)云內(nèi)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；(3g)對(duì)于配準(zhǔn)修正得分小于最優(yōu)子空間配準(zhǔn)得分的情況，將參考重疊子空間作為最優(yōu)參考子空間，目標(biāo)重疊子空間作為最優(yōu)目標(biāo)子空間，最優(yōu)子空間配準(zhǔn)得分更新為與配準(zhǔn)修正得分相同，對(duì)于配準(zhǔn)修正得分大于或等于最優(yōu)子空間配準(zhǔn)得分的情況，不改變最優(yōu)參考子空間、最優(yōu)目標(biāo)子空間和最優(yōu)子空間配準(zhǔn)得分；(3h)在目標(biāo)重疊部分上，沿著視角方向，將滑動(dòng)窗移動(dòng)n*p長(zhǎng)度，獲得一個(gè)目標(biāo)重疊子空間，其中，n表示一個(gè)正整數(shù)，1≤n≤5，p表示稀疏化所采用的體素邊長(zhǎng)；(3i)判斷滑動(dòng)窗是否超出目標(biāo)重疊部分，如果是，則執(zhí)行步驟(3j)，否則，執(zhí)行步驟(3e)；(3j)在目標(biāo)重疊部分上，沿視角方向的反方向，將滑動(dòng)窗移回初始生成位置；(3k)在參考重疊部分上，沿著視角方向，將滑動(dòng)窗移動(dòng)n*p長(zhǎng)度，獲得一個(gè)參考重疊子空間，其中，n表示一個(gè)正整數(shù)，1≤n≤5，p表示稀疏化所采用的體素邊長(zhǎng)；(3l)判斷滑動(dòng)窗是否超出參考重疊部分，如果是，則執(zhí)行步驟(3m)；否則，執(zhí)行步驟(3e)；(3m)將最優(yōu)參考子空間作為待擴(kuò)展參考空間，最優(yōu)目標(biāo)子空間作為待擴(kuò)展目標(biāo)空間；(4)獲取待配準(zhǔn)參考空間和待配準(zhǔn)目標(biāo)空間：(4a)將待擴(kuò)展參考空間作為參考待配準(zhǔn)重疊空間，待擴(kuò)展目標(biāo)空間作為目標(biāo)待配準(zhǔn)重疊空間，將待擴(kuò)展參考空間和待擴(kuò)展目標(biāo)空間的最優(yōu)配準(zhǔn)得分初始化為無(wú)窮大；(4b)將待擴(kuò)展參考空間沿著視角方向和視角方向的反方向，分別增加長(zhǎng)度m*Re，將增加長(zhǎng)度的待擴(kuò)展參考空間作為新的待擴(kuò)展參考空間，其中，m表示一個(gè)正整數(shù)，1≤m≤10，Re表示根據(jù)用戶要求的待掃描物體的點(diǎn)云精度所設(shè)置的掃描儀的掃描精度；(4c)將待擴(kuò)展目標(biāo)空間沿著視角方向和視角方向的反方向，分別增加長(zhǎng)度m*Re，將增加長(zhǎng)度的待擴(kuò)展目標(biāo)空間作為新的待擴(kuò)展目標(biāo)空間，其中，m表示一個(gè)正整數(shù)，1≤m≤10，Re表示根據(jù)用戶要求的待掃描物體的點(diǎn)云精度所設(shè)置的掃描儀的掃描精度；(4d)采用迭代配準(zhǔn)點(diǎn)云公式，將待擴(kuò)展參考空間作為參考配準(zhǔn)點(diǎn)云，待擴(kuò)展目標(biāo)空間作為目標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)云，計(jì)算參考配準(zhǔn)點(diǎn)云和目標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)云的配準(zhǔn)得分，將配準(zhǔn)得分作為優(yōu)化配準(zhǔn)得分；(4e)對(duì)于優(yōu)化配準(zhǔn)得分大于最優(yōu)配準(zhǔn)得分的情況，不改變參考待配準(zhǔn)重疊空間和目標(biāo)待配準(zhǔn)重疊空間，對(duì)于優(yōu)化配準(zhǔn)得分小于或等于最優(yōu)配準(zhǔn)得分的情況，將待擴(kuò)展參考空間作為參考待配準(zhǔn)重疊空間，待擴(kuò)展目標(biāo)空間作為目標(biāo)待配準(zhǔn)重疊空間，最優(yōu)配準(zhǔn)得分更新為與優(yōu)化配準(zhǔn)得分相同；(4f)判斷優(yōu)化配準(zhǔn)得分是否大于最優(yōu)配準(zhǔn)得分，如果是，則執(zhí)行步驟(4g)，否則，執(zhí)行步驟(4b)；(4g)將參考待配準(zhǔn)重疊空間作為待配準(zhǔn)參考空間，目標(biāo)待配準(zhǔn)重疊空間作為待配準(zhǔn)目標(biāo)空間；(5)配準(zhǔn)參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云：(5a)采用迭代就近點(diǎn)算法，將參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云的待配準(zhǔn)重疊空間配準(zhǔn)，獲得轉(zhuǎn)換矩陣；(5b)采用矩陣運(yùn)算，以轉(zhuǎn)換矩陣為參數(shù)，將參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，得到參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云配準(zhǔn)后的點(diǎn)云；(5c)用參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云配準(zhǔn)后的點(diǎn)云替換參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云，完成參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云的配準(zhǔn)；(6)判斷是否完成所有分段點(diǎn)云的配準(zhǔn)，如果是，則執(zhí)行步驟(7)，否則，執(zhí)行步驟(2)；(7)輸出配準(zhǔn)結(jié)果。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，由于本發(fā)明在獲取點(diǎn)云中，根據(jù)場(chǎng)景選擇不同的場(chǎng)景掃描方式，克服了現(xiàn)有技術(shù)點(diǎn)云配準(zhǔn)時(shí)，隨著場(chǎng)景的變換，配準(zhǔn)方法單一，配準(zhǔn)精度較差的缺點(diǎn)，使得本發(fā)明在不同場(chǎng)景下的點(diǎn)云配準(zhǔn)精度更高。第二，由于本發(fā)明在預(yù)處理點(diǎn)云中，采用離群點(diǎn)過(guò)濾方法和稀疏化方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)據(jù)密度和噪聲數(shù)據(jù)對(duì)配準(zhǔn)結(jié)果的影響較大的缺點(diǎn)，使得本發(fā)明點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度更高。第三，由于本發(fā)明先獲取待擴(kuò)展參考空間和待擴(kuò)展目標(biāo)空間，再獲取待配準(zhǔn)參考空間和待配準(zhǔn)目標(biāo)空間，克服了現(xiàn)有技術(shù)直接配準(zhǔn)和先粗配再精配兩種方法魯棒性低的缺點(diǎn)，使得本發(fā)明點(diǎn)云配準(zhǔn)的魯棒性更高。第四，由于本發(fā)明在獲取待擴(kuò)展參考空間和待擴(kuò)展目標(biāo)空間中，在參考重疊部分和目標(biāo)重疊部分上，設(shè)置相同大小的滑動(dòng)窗，并計(jì)算參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間的配準(zhǔn)修正得分，克服了現(xiàn)有技術(shù)容易陷入局部最優(yōu)解的缺點(diǎn)，減小了配準(zhǔn)過(guò)程中陷入局部最優(yōu)解的可能性，使得本發(fā)明配準(zhǔn)方法的魯棒性和精度更高。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的流程圖；圖2是本發(fā)明多視角掃描方法的俯視圖；圖3是本發(fā)明水平視角掃描方法的俯視圖；圖4是本發(fā)明垂直視角掃描方法的側(cè)視圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。參照?qǐng)D1，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：步驟1，獲取點(diǎn)云。根據(jù)場(chǎng)景選擇不同的場(chǎng)景掃描方式，獲取待掃描物體的點(diǎn)云，具體來(lái)講保證相鄰兩站激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在掃描儀的掃描視角上具有重疊區(qū)域，實(shí)際的掃描中應(yīng)保證該視角至少大于90°，針對(duì)這幾種不同的掃描場(chǎng)景和掃描儀的掃描參數(shù)，調(diào)整每次掃描的視角和兩站數(shù)據(jù)的采集距離，場(chǎng)景掃描方式如下：如果場(chǎng)景是以待掃描物體為中心圍繞待掃描物體移動(dòng)掃描儀，則選擇多視角掃描，圍繞待掃描物體，從多個(gè)方向掃描，每個(gè)方向獲取一段點(diǎn)云，掃描儀初始掃描方向與掃描儀移動(dòng)方向成135°角，保證相鄰兩段點(diǎn)云存在重疊區(qū)域，如圖2所示。圖2中的視角方向就是掃描儀的移動(dòng)方向，是一個(gè)弧線形狀的路徑，兩個(gè)坐標(biāo)系，表示掃描前后，虛線表示將第一象限的點(diǎn)云分段；如果場(chǎng)景是在待掃描物體放置平面上沿固定方向移動(dòng)掃描儀，則選擇水平視角掃描，沿用戶確定的一個(gè)方向進(jìn)行掃描，掃描儀初始掃描方向與掃描儀移動(dòng)方向成45°角，將待掃描物體分為連續(xù)的多段掃描，保證相鄰兩段點(diǎn)云存在重疊區(qū)域，如圖3所示。圖3中的視角方向就是掃描儀的移動(dòng)方向，是在物體放置平面上沿物體延伸的方向，圖中的兩個(gè)坐標(biāo)系，表示掃描前后，虛線表示將第一象限的點(diǎn)云分段；如果場(chǎng)景是在垂直于待掃描物體放置平面的方向上豎直向上移動(dòng)掃描儀，則選擇垂直視角掃描，沿垂直于待掃描物體放置平面的方向，豎直向上掃描，掃描儀初始掃描方向保持一致，將待掃描物體分為連續(xù)的多段掃描，保證相鄰兩段點(diǎn)云存在重疊區(qū)域，如圖4所示。圖4中的視角方向就是掃描儀的移動(dòng)方向，是垂直于物體放置平面向上，圖中的兩個(gè)坐標(biāo)系，表示掃描前后，虛線表示將第一象限的點(diǎn)云分段。步驟2，預(yù)處理點(diǎn)云。任意選取相鄰的兩段點(diǎn)云，作為參考點(diǎn)云和預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云，分別為參考點(diǎn)云和預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云建立空間坐標(biāo)系，坐標(biāo)系建立如下：以掃描儀所在位置為坐標(biāo)系原點(diǎn)，將參考點(diǎn)云的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置為O，將預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置為O'，將掃描儀開(kāi)始掃描的方向作為X軸，與開(kāi)始掃描方向垂直的方向作為Y軸，垂直水平面方向作為Z軸，將參考點(diǎn)云的坐標(biāo)原點(diǎn)O向預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云的坐標(biāo)原點(diǎn)O'的移動(dòng)方向作為視角方向。如果預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云是通過(guò)水平視角掃描方式獲得，則將預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云繞Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，作為目標(biāo)點(diǎn)云，否則，將預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云直接作為目標(biāo)點(diǎn)云，將水平視角掃描方式獲得的預(yù)目標(biāo)點(diǎn)云旋轉(zhuǎn)的目的，在于使兩站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重疊區(qū)域都能從一個(gè)相同的視角方向進(jìn)行處理。采用離群點(diǎn)過(guò)濾方法，對(duì)參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行過(guò)濾，獲得過(guò)濾后參考點(diǎn)云和過(guò)濾后目標(biāo)點(diǎn)云，離群點(diǎn)過(guò)濾方法是指，采用統(tǒng)計(jì)外點(diǎn)移除濾波器，將根據(jù)用戶要求設(shè)置的臨近點(diǎn)的個(gè)數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)，作為統(tǒng)計(jì)外點(diǎn)移除濾波器參數(shù)，分析參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)，如果臨近點(diǎn)中的任意一個(gè)點(diǎn)的距離超出平均距離的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)，則將該點(diǎn)標(biāo)記為離群點(diǎn)，同時(shí)移除該點(diǎn)。采用稀疏化方法，對(duì)過(guò)濾后參考點(diǎn)云和過(guò)濾后目標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行稀疏化，將數(shù)據(jù)量減小且數(shù)據(jù)分布均勻化，獲得稀疏化參考點(diǎn)云和稀疏化目標(biāo)點(diǎn)云，稀疏化方法是指，采用體素化網(wǎng)格濾波器，將根據(jù)用戶要求設(shè)置的邊長(zhǎng)為m*Re的立方體，作為體素，分別在過(guò)濾后參考點(diǎn)云和過(guò)濾后目標(biāo)點(diǎn)云上，創(chuàng)建一個(gè)由體素構(gòu)成的三維體素柵格，用體素中所有點(diǎn)的重心替換體素中的所有點(diǎn)，其中，m表示一個(gè)正整數(shù)，1≤m≤10，m的選擇根據(jù)數(shù)據(jù)密度、實(shí)際場(chǎng)景中的掃描精度以及要求的分辨率來(lái)平衡，Re表示根據(jù)用戶要求的待掃描物體的點(diǎn)云精度所設(shè)置的掃描儀的掃描精度。用從掃描儀讀取的掃描儀最優(yōu)掃描半徑，對(duì)稀疏化參考點(diǎn)云和稀疏化目標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行限長(zhǎng)濾波，得到參考待配準(zhǔn)點(diǎn)云和目標(biāo)待配準(zhǔn)點(diǎn)云，限長(zhǎng)濾波是指，分別以參考點(diǎn)云的坐標(biāo)原點(diǎn)O和目標(biāo)點(diǎn)云的坐標(biāo)原點(diǎn)O'為圓心，掃描儀最優(yōu)掃描半徑R為半徑的球體，將球體之外的點(diǎn)過(guò)濾掉。步驟3，獲取待擴(kuò)展參考空間和待擴(kuò)展目標(biāo)空間。(3a)在參考待配準(zhǔn)點(diǎn)云內(nèi)，取坐標(biāo)值x≥0且y≥0的部分，作為參考重疊部分。(3b)在目標(biāo)待配準(zhǔn)點(diǎn)云內(nèi)，取坐標(biāo)值x≥0且y≥0的部分，作為目標(biāo)重疊部分。(3c)分別在參考重疊部分和目標(biāo)重疊部分上，設(shè)置相同大小的滑動(dòng)窗，獲得參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間，將滑動(dòng)窗的位置標(biāo)記為初始生成位置，滑動(dòng)窗設(shè)置如下：滑動(dòng)窗是立體的窗口，如果點(diǎn)云的獲取是通過(guò)多視角方式，則窗口大小為5°的扇形，在平行于Z軸方向上的長(zhǎng)度和半徑無(wú)窮大；如果點(diǎn)云的獲取是通過(guò)水平視角或者垂直視角掃描方式，則窗口沿著視角方向的長(zhǎng)度為掃描儀最優(yōu)掃描半徑R的垂直于視角方向的長(zhǎng)度為無(wú)窮大。(3d)將參考重疊子空間作為最優(yōu)參考子空間，目標(biāo)重疊子空間作為最優(yōu)目標(biāo)子空間，將參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間的最優(yōu)子空間配準(zhǔn)得分初始化為無(wú)窮大。(3e)采用迭代配準(zhǔn)點(diǎn)云公式，將參考重疊子空間作為參考配準(zhǔn)點(diǎn)云，目標(biāo)重疊子空間作為目標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)云，計(jì)算參考配準(zhǔn)點(diǎn)云和目標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)云的配準(zhǔn)得分，將配準(zhǔn)得分作為子空間配準(zhǔn)得分，迭代配準(zhǔn)點(diǎn)云公式如下：其中，G′表示參考配準(zhǔn)點(diǎn)云和目標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)云的配準(zhǔn)得分，A表示參考配準(zhǔn)點(diǎn)云和目標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)云內(nèi)匹配點(diǎn)的個(gè)數(shù)，B表示目標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)云內(nèi)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。(3f)按照下式，計(jì)算參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間的配準(zhǔn)修正得分：其中，G表示參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間的配準(zhǔn)修正得分，G′表示參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間的子空間配準(zhǔn)得分，I表示通過(guò)迭代就近點(diǎn)算法獲得的參考重疊子空間和目標(biāo)重疊子空間內(nèi)匹配點(diǎn)的個(gè)數(shù)，T表示目標(biāo)待配準(zhǔn)點(diǎn)云內(nèi)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。(3g)對(duì)于配準(zhǔn)修正得分小于最優(yōu)子空間配準(zhǔn)得分的情況，將參考重疊子空間作為最優(yōu)參考子空間，目標(biāo)重疊子空間作為最優(yōu)目標(biāo)子空間，最優(yōu)子空間配準(zhǔn)得分更新為與配準(zhǔn)修正得分相同，對(duì)于配準(zhǔn)修正得分大于或等于最優(yōu)子空間配準(zhǔn)得分的情況，不改變最優(yōu)參考子空間、最優(yōu)目標(biāo)子空間和最優(yōu)子空間配準(zhǔn)得分。在求取最優(yōu)參考子空間和最優(yōu)目標(biāo)子空間過(guò)程中，還要注意陷入局部解的可能，最優(yōu)解滿足這樣的特征：隨著最優(yōu)目標(biāo)子空間的不斷變化，配準(zhǔn)得分基本滿足先逐步減小，減小到一定程度后又逐步變大這一情況；對(duì)于得分突然變大或者變小的情況，則說(shuō)明當(dāng)前的解不可靠。在實(shí)際中如果前后兩次配準(zhǔn)得分相差超過(guò)兩倍，需要跳過(guò)該組點(diǎn)云數(shù)據(jù)。(3h)在目標(biāo)重疊部分上，沿著視角方向，將滑動(dòng)窗移動(dòng)n*p長(zhǎng)度，獲得一個(gè)目標(biāo)重疊子空間，其中，n表示一個(gè)正整數(shù)，1≤n≤5，n選擇越小計(jì)算的復(fù)雜度越大，配準(zhǔn)的精度越高，實(shí)際的應(yīng)用中，根據(jù)對(duì)精度和計(jì)算復(fù)雜度要求進(jìn)行平衡，p表示稀疏化所采用的體素邊長(zhǎng)。(3i)判斷滑動(dòng)窗是否超出目標(biāo)重疊部分，如果是，則執(zhí)行步驟(3j)，否則，執(zhí)行步驟(3e)。(3j)在目標(biāo)重疊部分上，沿視角方向的反方向，將滑動(dòng)窗移回初始生成位置。(3k)在參考重疊部分上，沿著視角方向，將滑動(dòng)窗移動(dòng)n*p長(zhǎng)度，獲得一個(gè)參考重疊子空間，其中，n表示一個(gè)正整數(shù)，1≤n≤5，n選擇越小計(jì)算的復(fù)雜度越大，配準(zhǔn)的精度越高，實(shí)際的應(yīng)用中，根據(jù)對(duì)精度和計(jì)算復(fù)雜度要求進(jìn)行平衡，p表示稀疏化所采用的體素邊長(zhǎng)。(3l)判斷滑動(dòng)窗是否超出參考重疊部分，如果是，則執(zhí)行步驟(3m)；否則，執(zhí)行步驟(3e)。(3m)將最優(yōu)參考子空間作為待擴(kuò)展參考空間，最優(yōu)目標(biāo)子空間作為待擴(kuò)展目標(biāo)空間。步驟4，獲取待配準(zhǔn)參考空間和待配準(zhǔn)目標(biāo)空間。(4a)將待擴(kuò)展參考空間作為參考待配準(zhǔn)重疊空間，待擴(kuò)展目標(biāo)空間作為目標(biāo)待配準(zhǔn)重疊空間，待擴(kuò)展參考空間和待擴(kuò)展目標(biāo)空間的最優(yōu)配準(zhǔn)得分初始化為無(wú)窮大。(4b)將待擴(kuò)展參考空間沿著視角方向和視角方向的反方向，分別增加長(zhǎng)度m*Re，將增加長(zhǎng)度的待擴(kuò)展參考空間作為新的待擴(kuò)展參考空間，其中，m表示一個(gè)正整數(shù)，1≤m≤10，Re表示根據(jù)用戶要求的待掃描物體的點(diǎn)云精度所設(shè)置的掃描儀的掃描精度。(4c)將待擴(kuò)展目標(biāo)空間沿著視角方向和視角方向的反方向，分別增加長(zhǎng)度m*Re，將增加長(zhǎng)度的待擴(kuò)展目標(biāo)空間作為新的待擴(kuò)展目標(biāo)空間，其中，m表示一個(gè)正整數(shù)，1≤m≤10，m的選擇依賴于具體的掃描場(chǎng)景和掃描的實(shí)體對(duì)精度的要求，選擇的值越小，配準(zhǔn)結(jié)果精度越高，同時(shí)耗時(shí)也越長(zhǎng)，Re表示根據(jù)用戶要求的待掃描物體的點(diǎn)云精度所設(shè)置的掃描儀的掃描精度。(4d)采用迭代配準(zhǔn)點(diǎn)云公式，將待擴(kuò)展參考空間作為參考配準(zhǔn)點(diǎn)云，待擴(kuò)展目標(biāo)空間作為目標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)云，計(jì)算參考配準(zhǔn)點(diǎn)云和目標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)云的配準(zhǔn)得分，將配準(zhǔn)得分作為優(yōu)化配準(zhǔn)得分。(4e)對(duì)于優(yōu)化配準(zhǔn)得分大于最優(yōu)配準(zhǔn)得分的情況，不改變參考待配準(zhǔn)重疊空間和目標(biāo)待配準(zhǔn)重疊空間，對(duì)于優(yōu)化配準(zhǔn)得分小于或等于最優(yōu)配準(zhǔn)得分的情況，將待擴(kuò)展參考空間作為參考待配準(zhǔn)重疊空間，待擴(kuò)展目標(biāo)空間作為目標(biāo)待配準(zhǔn)重疊空間，最優(yōu)配準(zhǔn)得分更新為與優(yōu)化配準(zhǔn)得分相同。(4f)判斷優(yōu)化配準(zhǔn)得分是否大于最優(yōu)配準(zhǔn)得分，如果是，則執(zhí)行步驟(4g)，否則，執(zhí)行步驟(4b)。(4g)將參考待配準(zhǔn)重疊空間作為待配準(zhǔn)參考空間，目標(biāo)待配準(zhǔn)重疊空間作為待配準(zhǔn)目標(biāo)空間。步驟5，配準(zhǔn)參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云。采用迭代就近點(diǎn)算法，將參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云的待配準(zhǔn)重疊空間配準(zhǔn)，獲得轉(zhuǎn)換矩陣，迭代就近點(diǎn)算法是指選取點(diǎn)云庫(kù)PCL中的迭代就近點(diǎn)算法，將待配準(zhǔn)的兩段點(diǎn)云作為輸入，通過(guò)對(duì)其中一段點(diǎn)云作剛體變換，將兩段點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，得到轉(zhuǎn)換矩陣。采用矩陣運(yùn)算，以轉(zhuǎn)換矩陣為參數(shù)，將參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，得到參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云配準(zhǔn)后的點(diǎn)云，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如下：其中，(x′,y′,z′)表示利用轉(zhuǎn)換矩陣中的參數(shù)轉(zhuǎn)換之后的坐標(biāo)，R表示旋轉(zhuǎn)矩陣，(x,y,z)表示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之前的坐標(biāo)，T表示平移向量。用參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云配準(zhǔn)后的點(diǎn)云替換參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云，完成參考點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云的配準(zhǔn)。步驟6，判斷是否完成所有分段點(diǎn)云的配準(zhǔn)，如果是，則執(zhí)行步驟7，否則，執(zhí)行步驟2。步驟7，輸出配準(zhǔn)結(jié)果。