智能 測(cè)量技術(shù)-智能建造技術(shù)專68課件講解

主講人：梁延龍智能測(cè)量技術(shù)智能建造技術(shù)專業(yè)資源庫(kù)知識(shí)點(diǎn)三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)三維激光點(diǎn)云分割和分類的內(nèi)容點(diǎn)云配準(zhǔn)定義點(diǎn)云配準(zhǔn)方法0102三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)點(diǎn)云配準(zhǔn)定義為什么要進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)？由于三維激光掃描儀設(shè)備受到測(cè)量方式和被測(cè)物體形狀的條件限制，一次掃描往往只能獲取到局部的點(diǎn)云信息，進(jìn)而需要進(jìn)行多次掃描，然后每次掃描時(shí)得到的點(diǎn)云都有獨(dú)立的坐標(biāo)系，不可以直接進(jìn)行拼接，使得要得到完整點(diǎn)云就需要對(duì)多個(gè)局部點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)。三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)點(diǎn)云配準(zhǔn)定義

點(diǎn)云配準(zhǔn)是將兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)系中的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)計(jì)算過程點(diǎn)云配準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)就是空間坐標(biāo)變換?？臻g坐標(biāo)變換可以由三類參數(shù)唯一確定:尺度、旋轉(zhuǎn)和平移。

點(diǎn)云配準(zhǔn)是基于地面三維激光掃描技術(shù)研究的預(yù)處理步驟之一，是將掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、顯示和表達(dá)的過程，而配準(zhǔn)后的融合點(diǎn)云是特征提取、三維建模等深度研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度直接影響了后續(xù)研究的精度和可靠性。三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)點(diǎn)云配準(zhǔn)方法

按照配準(zhǔn)算法所利用的信息，可以分為基于特征點(diǎn)的方法和基于整體迭代優(yōu)化的方法01

>基于特征點(diǎn)的配準(zhǔn)方法主要是根據(jù)靶標(biāo)或者手工選取特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)(六參數(shù)法)02

>基于整體迭代優(yōu)化的配準(zhǔn)方法主要通過迭代計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)集最優(yōu)匹配的幾何變換(ICP算法)03

按自動(dòng)化程度可以分為人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)三種類型04三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于反射標(biāo)志的配準(zhǔn)這種點(diǎn)云直接配準(zhǔn)方式有三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):1.人工靶標(biāo)的布設(shè);2.人工靶標(biāo)的識(shí)別;3.靶標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立。

基于靶標(biāo)的點(diǎn)云配準(zhǔn)算法在商業(yè)化的點(diǎn)云后處理軟件中具有廣泛的應(yīng)用，不同類型的地面激光掃描儀的性能有很大的差異，但基于靶標(biāo)的后處理軟件實(shí)現(xiàn)的配準(zhǔn)精度基本上可以達(dá)到毫米級(jí)的精度。三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于反射標(biāo)志的配準(zhǔn)0102>布設(shè)靶標(biāo)點(diǎn)的數(shù)量，根據(jù)選擇三維變換模型不同，需要具有不同數(shù)量的控制點(diǎn)，點(diǎn)云的配準(zhǔn)以三維空間相似變換為基礎(chǔ)，也就是所轉(zhuǎn)換模型中有7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，這時(shí)就需要至少三個(gè)控制點(diǎn);>布設(shè)靶標(biāo)的圖形，在一定數(shù)量的靶標(biāo)情況下將其布設(shè)成具有較好圖形結(jié)構(gòu)可以提高配準(zhǔn)計(jì)算的可靠性和精度，不能將靶標(biāo)布設(shè)在同一直線上或者形成正多邊形;人工靶標(biāo)的布設(shè)三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于反射標(biāo)志的配準(zhǔn)2.由于三維激光掃描儀的掃描精度隨著距離增大而增大，因此盡量將人工靶標(biāo)布設(shè)得與掃描儀距離較近的地方，以便精度最高。1.通視條件，需要嚴(yán)格的考慮在不同范圍的靶標(biāo)與掃描站點(diǎn)之間的通視條件;人工靶標(biāo)的布設(shè)三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于反射標(biāo)志的配準(zhǔn)人工靶標(biāo)的擬合>人工標(biāo)靶一般具有規(guī)則的形狀并且具有很強(qiáng)的回波強(qiáng)度，通過某種的識(shí)別程序?qū)⒒夭◤?qiáng)度達(dá)到一定閾值的點(diǎn)數(shù)據(jù)保存到一起，然后根據(jù)掃描時(shí)的采樣間隔、掃描距離和回波強(qiáng)度將點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，根據(jù)所使用的靶標(biāo)形狀對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形擬合，將擬合得到的圖形中心作為配準(zhǔn)計(jì)算的“控制點(diǎn)”坐標(biāo)。三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于反射標(biāo)志的配準(zhǔn)

靶標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系建立>在識(shí)別出掃描數(shù)據(jù)中的人工靶標(biāo)后就需要建立不同掃描站點(diǎn)之間靶標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以進(jìn)行配準(zhǔn)計(jì)算。常用的幾何關(guān)系有角度值和距離比值，因?yàn)榘袠?biāo)在掃描期間內(nèi)沒有發(fā)生位置變化，所以不共線的任意三個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)可以形成一個(gè)三角形，這樣就可以得到三個(gè)內(nèi)角和三條邊長(zhǎng)作為對(duì)應(yīng)點(diǎn)判斷條件。三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于整體迭代優(yōu)化配準(zhǔn)>ICP配準(zhǔn)法主要用于解決基于自由形態(tài)曲面的配準(zhǔn)問題。該算法迭代地進(jìn)行以下步驟最小化兩個(gè)點(diǎn)集之間給定兩組數(shù)據(jù)集:首先尋找第一個(gè)點(diǎn)集中的每個(gè)點(diǎn)與最鄰近的第二個(gè)點(diǎn)集中的點(diǎn)，從而建立二者之間的對(duì)應(yīng)，然后估計(jì)匹配點(diǎn)之間的空間變換，最后對(duì)第一點(diǎn)集應(yīng)用計(jì)算出來的變換，不斷循環(huán)上面幾步直到收斂。02>迭代最鄰近點(diǎn)配準(zhǔn)算法(簡(jiǎn)稱ICP算法)是一個(gè)尋找兩個(gè)三維表面點(diǎn)集最優(yōu)匹配的幾何變換的迭代優(yōu)化過程。01三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于整體迭代優(yōu)化配準(zhǔn)第一步，通過隨機(jī)采樣的方式從源點(diǎn)集中選擇一部分點(diǎn)集P。第三步，從對(duì)應(yīng)點(diǎn)集Р和Q中刪除距離值大于平均距離的點(diǎn)，剩下的點(diǎn)作為最后的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。第五步，構(gòu)造并計(jì)算誤差評(píng)價(jià)函數(shù)。第二步，對(duì)點(diǎn)集Р中的任何一點(diǎn)，在目標(biāo)點(diǎn)集中找取與之歐式距離最近的點(diǎn)作為對(duì)應(yīng)點(diǎn)，得到點(diǎn)集Р的對(duì)應(yīng)點(diǎn)集Q第四步，通過對(duì)應(yīng)點(diǎn)求取坐標(biāo)變換矩陣。第六步，判斷誤差評(píng)價(jià)函數(shù)的大小是否滿足要求精度如果滿足則算法終止，返回結(jié)果;如不滿足，迭代進(jìn)入步驟1，此時(shí)的目標(biāo)點(diǎn)集為原始目標(biāo)點(diǎn)集經(jīng)過步驟4獲得的變換后的結(jié)果。123456ICP算法步驟三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于整體迭代優(yōu)化配準(zhǔn)ICP算法結(jié)果三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于整體迭代優(yōu)化配準(zhǔn)03010402>1能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)云自動(dòng)化配準(zhǔn);>2全局配準(zhǔn)保證配準(zhǔn)可靠性;>3收斂效率及結(jié)果取決于初始迭代條件，即初始配準(zhǔn)參數(shù);>4點(diǎn)在目標(biāo)點(diǎn)中的最近鄰點(diǎn)較耗時(shí)，導(dǎo)致ICP效率較低;ICP算法優(yōu)缺點(diǎn)三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于整體迭代優(yōu)化配準(zhǔn)

1

>1點(diǎn)云重采樣

2

>2對(duì)應(yīng)點(diǎn)搜索

3

>3對(duì)應(yīng)點(diǎn)權(quán)重的選擇ICP算法改進(jìn)三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于整體迭代優(yōu)化配準(zhǔn)2、對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行隨機(jī)采樣;3、對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行特征采樣:

對(duì)點(diǎn)云按法向量變化、曲率強(qiáng)度及顏色變化等信息進(jìn)行特征采樣，保留點(diǎn)云中的特征信息用于配準(zhǔn);

點(diǎn)云重采樣:優(yōu)點(diǎn)是降低樣本的數(shù)量，提高配準(zhǔn)效率，內(nèi)容包括1、對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行一致性采樣:格網(wǎng)采樣;三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于整體迭代優(yōu)化配準(zhǔn)0102建空間索引提高搜索效率;在距離約束上，增加顏色、強(qiáng)度法向量等約束，提高最近點(diǎn)為同名點(diǎn)的可靠性;>對(duì)應(yīng)點(diǎn)搜索:優(yōu)點(diǎn)是提高對(duì)應(yīng)點(diǎn)的搜索效率，內(nèi)容包括三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)基于整體迭代優(yōu)化配準(zhǔn)