智能 測量技術-智能建造技術專68課件講解

主講人：梁延龍智能測量技術智能建造技術專業(yè)資源庫知識點三維激光點云配準三維激光點云分割和分類的內(nèi)容點云配準定義點云配準方法0102三維激光點云配準點云配準定義為什么要進行點云配準？由于三維激光掃描儀設備受到測量方式和被測物體形狀的條件限制，一次掃描往往只能獲取到局部的點云信息，進而需要進行多次掃描，然后每次掃描時得到的點云都有獨立的坐標系，不可以直接進行拼接，使得要得到完整點云就需要對多個局部點云進行配準。三維激光點云配準點云配準定義

點云配準是將兩個或兩個以上坐標系中的三維點云數(shù)據(jù)轉換到統(tǒng)一坐標系統(tǒng)中的數(shù)學計算過程點云配準的實質就是空間坐標變換?？臻g坐標變換可以由三類參數(shù)唯一確定:尺度、旋轉和平移。

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

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

>基于特征點的配準方法主要是根據(jù)靶標或者手工選取特征點進行配準(六參數(shù)法)02

>基于整體迭代優(yōu)化的配準方法主要通過迭代計算兩個點集最優(yōu)匹配的幾何變換(ICP算法)03

按自動化程度可以分為人工、半自動和全自動三種類型04三維激光點云配準基于反射標志的配準這種點云直接配準方式有三個關鍵環(huán)節(jié):1.人工靶標的布設;2.人工靶標的識別;3.靶標對應關系的建立。

基于靶標的點云配準算法在商業(yè)化的點云后處理軟件中具有廣泛的應用，不同類型的地面激光掃描儀的性能有很大的差異，但基于靶標的后處理軟件實現(xiàn)的配準精度基本上可以達到毫米級的精度。三維激光點云配準基于反射標志的配準0102>布設靶標點的數(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，點云的配準以三維空間相似變換為基礎，也就是所轉換模型中有7個轉換參數(shù)，這時就需要至少三個控制點;>布設靶標的圖形，在一定數(shù)量的靶標情況下將其布設成具有較好圖形結構可以提高配準計算的可靠性和精度，不能將靶標布設在同一直線上或者形成正多邊形;人工靶標的布設三維激光點云配準基于反射標志的配準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布設得與掃描儀距離較近的地方，以便精度最高。1.通視條件，需要嚴格的考慮在不同范圍的靶標與掃描站點之間的通視條件;人工靶標的布設三維激光點云配準基于反射標志的配準人工靶標的擬合>人工標靶一般具有規(guī)則的形狀并且具有很強的回波強度，通過某種的識別程序將回波強度達到一定閾值的點數(shù)據(jù)保存到一起，然后根據(jù)掃描時的采樣間隔、掃描距離和回波強度將點數(shù)據(jù)進行分塊，根據(jù)所使用的靶標形狀對掃描數(shù)據(jù)進行圖形擬合，將擬合得到的圖形中心作為配準計算的“控制點”坐標。三維激光點云配準基于反射標志的配準

靶標對應關系建立>在識別出掃描數(shù)據(jù)中的人工靶標后就需要建立不同掃描站點之間靶標之間的對應關系以進行配準計算。常用的幾何關系有角度值和距離比值，因為靶標在掃描期間內(nèi)沒有發(fā)生位置變化，所以不共線的任意三個靶標點可以形成一個三角形，這樣就可以得到三個內(nèi)角和三條邊長作為對應點判斷條件。三維激光點云配準基于整體迭代優(yōu)化配準>ICP配準法主要用于解決基于自由形態(tài)曲面的配準問題。該算法迭代地進行以下步驟最小化兩個點集之間給定兩組數(shù)據(jù)集:首先尋找第一個點集中的每個點與最鄰近的第二個點集中的點，從而建立二者之間的對應，然后估計匹配點之間的空間變換，最后對第一點集應用計算出來的變換，不斷循環(huán)上面幾步直到收斂。02>迭代最鄰近點配準算法(簡稱ICP算法)是一個尋找兩個三維表面點集最優(yōu)匹配的幾何變換的迭代優(yōu)化過程。01三維激光點云配準基于整體迭代優(yōu)化配準第一步，通過隨機采樣的方式從源點集中選擇一部分點集P。第三步，從對應點集Р和Q中刪除距離值大于平均距離的點，剩下的點作為最后的對應點。第五步，構造并計算誤差評價函數(shù)。第二步，對點集Р中的任何一點，在目標點集中找取與之歐式距離最近的點作為對應點，得到點集Р的對應點集Q第四步，通過對應點求取坐標變換矩陣。第六步，判斷誤差評價函數(shù)的大小是否滿足要求精度如果滿足則算法終止，返回結果;如不滿足，迭代進入步驟1，此時的目標點集為原始目標點集經(jīng)過步驟4獲得的變換后的結果。123456ICP算法步驟三維激光點云配準基于整體迭代優(yōu)化配準ICP算法結果三維激光點云配準基于整體迭代優(yōu)化配準03010402>1能夠實現(xiàn)點云自動化配準;>2全局配準保證配準可靠性;>3收斂效率及結果取決于初始迭代條件，即初始配準參數(shù);>4點在目標點中的最近鄰點較耗時，導致ICP效率較低;ICP算法優(yōu)缺點三維激光點云配準基于整體迭代優(yōu)化配準

1

>1點云重采樣

2

>2對應點搜索

3

>3對應點權重的選擇ICP算法改進三維激光點云配準基于整體迭代優(yōu)化配準2、對點云進行隨機采樣;3、對點云進行特征采樣:

對點云按法向量變化、曲率強度及顏色變化等信息進行特征采樣，保留點云中的特征信息用于配準;

點云重采樣:優(yōu)點是降低樣本的數(shù)量，提高配準效率，內(nèi)容包括1、對點云進行一致性采樣:格網(wǎng)采樣;三維激光點云配準基于整體迭代優(yōu)化配準0102建空間索引提高搜索效率;在距離約束上，增加顏色、強度法向量等約束，提高最近點為同名點的可靠性;>對應點搜索:優(yōu)點是提高對應點的搜索效率，內(nèi)容包括三維激光點云配準基于整體迭代優(yōu)化配準