一种适用于ToF相机的三维点云自动配准方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于ToF相机的三维点云自动配准方法及系统。系统包括漫反射材料铺粘在转台上表面，漫反射材料上间隔设有圆形标记点，ToF相机和可控转台均与计算机相连接。通过ToF相机采集数据，从三维点云中识别转台并结合转台转角对三维点云进行粗配准，同时通过背景分割获得被测物点云，再通过从强度图像中识别转台上的标记点并结合粗配准三维点云获得标记点点云，而后再利用局部逐渐配准的方法完成各视角标记点点云的配准，最后将标记点点云的配准结果应用于被测物点云，完成配准过程。本发明专利技术相比现有技术具有准确性好、鲁棒性强、易用性佳、成本相对较低的优点，并且应用广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于ToF相机的三维点云自动配准方法及系统
本专利技术涉及三维扫描
，尤其涉及一种适用于ToF相机的三维点云自动配准方法及系统。
技术介绍
ToF相机是基于时间飞行法(TimeofFlight)测距原理的3D成像仪，其不仅能像传统2D相机获得强度图像，还能实时获得感光器件上每个像素点到目标物体的对应距离，继而可以计算得到三维点云。由于ToF相机通过主动发射光线进行测量，对光环境的要求较低，具有较好的鲁棒性。在利用ToF相机构建三维扫描系统时，由于物体本身的遮挡，一次扫描无法获得被测物完整的三维数据，因此通常需要从被测物的不同方位进行扫描。这就需要将不同方位扫描所得的点云转化到同一坐标系，以获得被测物的完整三维点云，该过程称为点云的配准。为解决多视角点云配准问题，出现了基于转台的三维扫描系统及点云配准方法。现有的方法主要有如下几种：1.基于可控转角的转台进行多角度扫描，事先获得转台轴线的粗略位置，并根据转台转角进行粗配准，利用ICP方法进行精配准。该方法存在的问题是：由于ToF相机扫描得到的点云存在误差，甚至存在受被测物材质等影响导致局部点云形变等现象，因此直接对被测物点云使用ICP方法容易产生累积误差，导致全局优化配准难的问题。2.基于可控转角的精密转台进行多角度扫描，事先采用一定方法获得转台轴线精确位置，并结合转台转角直接计算完成配准。该方法虽避免了ICP方法带来的问题，但对转台设备要求较高，且需提前操作以获取转台轴线的精确位置，配准结果会受到轴线测量误差的直接影响。3.基于非精密转台进行多角度扫描，通过在转台上印刷或粘贴标记物，使用额外的相机拍摄并识别标记物来获得转台位置，进而对ToF相机所得点云进行配准。为此，需要事先对两相机进行标定以获取其相对位置，且需要适度的光照环境以辅助拍摄。该方法虽对转台要求不高，且避开了ICP方法带来的问题，但需要事先标定、对光环境有一定要求的特点限制了其易用性。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种适用于ToF相机的三维点云自动配准方法及系统。本专利技术采用如下技术方案：一、一种适用于ToF相机的三维点云自动配准方法，包括以下步骤：1)将被测物(4)放置于转台(1)中心，转台(1)上表面铺有漫反射材料(2)，漫反射材料(2)上间隔设有圆形标记点(3)，调节ToF相机(5)的视角朝向转台(1)中心的被测物(4)；2)从ToF相机(5)采集数据，获得原始点云Ci和原始强度图像Gi，i表示采集次数的序数；3)对原始点云Ci和原始强度图像Gi进行处理得到粗配准被测物点云CWSi和标记点点云CWMi；4)使转台旋转角度，转台转动的角度为：θ＝360/(2×3n)＝180/3n,n＝1,2,3...其中，n表示转动参数，n为固定值；5)如果转台累计转过角度达到一圈，则继续以下步骤；如果转台累计转过角度未达到一圈，则返回步骤2)再次进行采集数据计算，每次采集转台转动的角度相同；6)采用配准方法配准各次处理得到的标记点点云CWMi获得各自的精配准变换矩阵TMi；7)使用精配准变换矩阵TMi对各自对应的粗配准被测物点云CWSi进行变换，即得到精配准被测物点云CWSTi，实现被测物三维点云的配准。所述步骤3)对原始点云Ci和原始强度图像Gi进行处理得到粗配准被测物点云CWSi和标记点点云CWMi具体为：3.1)从原始点云Ci中识别出转台并获得转台内点、转台中心与转台法向；3.2)计算原始点云Ci的粗配准变换矩阵Ti；3.3)使用粗配准变换矩阵Ti对原始点云Ci进行变换，得到粗配准点云CWi；3.4)根据已知数据对粗配准点云CWi进行背景分割，得到粗配准被测物点云CWSi；3.5)根据原始点云Ci中各点与原始强度图像Gi中各像素的对应关系，结合转台内点，从原始强度图像Gi中抠取出转台强度图像GPi；3.6)在转台强度图像GPi中识别出各圆形标记点(3)的中心，根据上述对应关系，结合粗配准点云CWi，用双线性内插法求得各圆形标记点(3)中心的三维坐标，得到标记点点云CWMi。所述步骤3.1)中从原始点云Ci中识别出转台并获得转台内点、转台中心与转台法向具体包括：3.1.1)对原始点云Ci进行多平面拟合获得所有平面及各平面的内点；3.1.2)对于每一平面，将其内点投影到该平面上，计算所有投影点的凸包；3.1.3)对于每一凸包，取其上的所有点，用最小二乘法拟合圆；3.1.4)筛选出拟合度达到圆拟合度阈值的拟合结果；3.1.5)从筛选出的拟合结果中选取拟合半径最接近转台半径的拟合数据，获得转台内点、转台中心与转台法向。所述步骤3.2)中计算原始点云Ci的粗配准变换矩阵Ti具体包括：3.2.1)计算原始点云Ci变换到转台中心坐标系OT的转台中心变换矩阵Ta，转台中心坐标系OT是以转台中心为原点，转台法向为Z轴方向，转台中心指向视点的矢量在转台平面上的投影方向为Y轴方向；3.2.2)计算绕转台中心坐标系OT的Z轴向转台旋转相反方向转过转台所累计转角的转台旋转变换矩阵Tb；3.2.3)将转台中心变换矩阵Ta与转台旋转变换矩阵Tb相乘得到粗配准变换矩阵Ti＝Ta×Tb。所述步骤3.4)中，已知数据是指Z轴分割的起止范围以及转台半径；所述背景分割具体是在粗配准点云CWi的转台上方建立一个圆柱形区域，并选取圆柱形区域内部的所有点作为粗配准被测物点云CWSi，圆柱形区域的圆柱轴线与粗配准点云CWi所在坐标系的Z轴重合，圆柱形区域的半径为转台半径，圆柱形区域的高度方向起止范围作为Z轴分割的起止范围。所述步骤3.6)中在转台强度图像GPi中识别出各圆形标记点(3)的中心具体包括：3.6.1)使用Canny计算方法获得转台强度图像GPi的边缘，分割不连通的边缘；3.6.2)对于每一边缘进行椭圆拟合，筛选出拟合度达到椭圆拟合度阈值、长短轴分别处于长轴值域内和短轴值域内的椭圆作为圆形标记点(3)，椭圆中心作为圆形标记点(3)的中心。所述步骤6)中配准方法具体包括：6.1)为每一幅标记点点云CWMi建立一个与之对应的迭代变换矩阵TLi，并将其初始化为单位矩阵；6.2)将各幅标记点点云CWMi作为待处理点云，对待处理点云进行处理，得到前最终点云CX与后最终点云CY；6.3)以前最终点云CX为目标点云，以后最终点云CY为源点云，进行ICP配准，得到最终变换矩阵TY；6.4)将最终变换矩阵TY分别累乘到组成后最终点云CY的各幅标记点点云CWMi所对应的迭代变换矩阵TLi中，获得所有精配准变换矩阵TMi。所述步骤6.2)中对待处理点云进行处理具体包括：6.2.1)对于各幅待处理点云，按采集的顺序将每相邻的三幅点云分为一组，对各组点云进行处理，每组各得到一幅点云；6.2.2)将各组得到的点云作为待处理点云，重复上述步骤6.2.1)再进行处理，直到得到仅剩的两幅最终点云，以采集顺序在前的点云为前最终点云CX，采集顺序在后的点云为后最终点云CY；所述步骤6.2.1)中对各组点云进行处理具体包括：6.2.1.1)对于每组中的三幅点云，以采集顺序在中的中待处理点云CB为目标点云，以采集顺序在前的前待处理点云CA和采集顺序在后的后待处理点云CC为源点云，分别进行ICP配准，得到前待处理点云CA、后待处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于ToF相机的三维点云自动配准方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)将被测物(4)放置于转台(1)中心，转台(1)上表面铺有漫反射材料(2)，漫反射材料(2)上间隔设有圆形标记点(3)，调节ToF相机(5)的视角朝向转台(1)中心的被测物(4)；2)从ToF相机(5)采集数据，获得原始点云Ci和原始强度图像Gi，i表示采集次数的序数；3)对原始点云Ci和原始强度图像Gi进行处理得到粗配准被测物点云CWSi和标记点点云CWMi；4)使转台旋转角度，转台转动的角度为：θ＝360/(2×3n)＝180/3n,n＝1,2,3...其中，n表示转动参数，n为固定值；5)如果转台累计转过角度达到一圈，则继续以下步骤；如果转台累计转过角度未达到一圈，则返回步骤2)再次进行采集数据计算，每次采集转台转动的角度相同；6)采用配准方法配准各次处理得到的标记点点云CWMi获得各自的精配准变换矩阵TMi；7)使用精配准变换矩阵TMi对各自对应的粗配准被测物点云CWSi进行变换，即得到精配准被测物点云CWSTi，实现被测物三维点云的配准。

【技术特征摘要】
1.一种适用于ToF相机的三维点云自动配准方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)将被测物(4)放置于转台(1)中心，转台(1)上表面铺有漫反射材料(2)，漫反射材料(2)上间隔设有圆形标记点(3)，调节ToF相机(5)的视角朝向转台(1)中心的被测物(4)；2)从ToF相机(5)采集数据，获得原始点云Ci和原始强度图像Gi，i表示采集次数的序数；3)对原始点云Ci和原始强度图像Gi进行处理得到粗配准被测物点云CWSi和标记点点云CWMi；4)使转台旋转角度，转台转动的角度为：θ＝360/(2×3n)＝180/3n,n＝1,2,3...其中，n表示转动参数，n为固定值；5)如果转台累计转过角度达到一圈，则继续以下步骤；如果转台累计转过角度未达到一圈，则返回步骤2)再次进行采集数据计算，每次采集转台转动的角度相同；6)采用配准方法配准各次处理得到的标记点点云CWMi获得各自的精配准变换矩阵TMi；7)使用精配准变换矩阵TMi对各自对应的粗配准被测物点云CWSi进行变换，即得到精配准被测物点云CWSTi，实现被测物三维点云的配准。2.根据权利要求1所述的一种适用于ToF相机的三维点云自动配准方法，其特征在于：所述步骤3)对原始点云Ci和原始强度图像Gi进行处理得到粗配准被测物点云CWSi和标记点点云CWMi具体为：3.1)从原始点云Ci中识别出转台并获得转台内点、转台中心与转台法向；3.2)计算原始点云Ci的粗配准变换矩阵Ti；3.3)使用粗配准变换矩阵Ti对原始点云Ci进行变换，得到粗配准点云CWi；3.4)根据已知数据对粗配准点云CWi进行背景分割，得到粗配准被测物点云CWSi；3.5)根据原始点云Ci中各点与原始强度图像Gi中各像素的对应关系，结合转台内点，从原始强度图像Gi中抠取出转台强度图像GPi；3.6)在转台强度图像GPi中识别出各圆形标记点(3)的中心，根据上述对应关系，结合粗配准点云CWi，用双线性内插法求得各圆形标记点(3)中心的三维坐标，得到标记点点云CWMi。3.根据权利要求2所述的一种适用于ToF相机的三维点云自动配准方法，其特征在于：所述步骤3.1)中从原始点云Ci中识别出转台并获得转台内点、转台中心与转台法向具体包括：3.1.1)对原始点云Ci进行多平面拟合获得所有平面及各平面的内点；3.1.2)对于每一平面，将其内点投影到该平面上，计算所有投影点的凸包；3.1.3)对于每一凸包，取其上的所有点，用最小二乘法拟合圆；3.1.4)筛选出拟合度达到圆拟合度阈值的拟合结果；3.1.5)从筛选出的拟合结果中选取拟合半径最接近转台半径的拟合数据，获得转台内点、转台中心与转台法向。4.根据权利要求2所述的一种适用于ToF相机的三维点云自动配准方法，其特征在于：所述步骤3.2)中计算原始点云Ci的粗配准变换矩阵Ti具体包括：3.2.1)计算原始点云Ci变换到转台中心坐标系OT的转台中心变换矩阵Ta，转台中心坐标系OT是以转台中心为原点，转台法向为Z轴方向，转台中心指向视点的矢量在转台平面上的投影方向为Y轴方向；3.2.2)计算绕转台中心坐标系OT的Z轴向转台旋转相反方向转过转台所累计转角的转台旋转变换矩阵Tb；3.2.3)将转台中心变换矩阵Ta与转台旋转变换矩阵Tb相乘得到粗配准变换矩阵Ti＝Ta×Tb。5.根据权利要求2所述的一种适用于ToF相机的三维点云自动配准方法，其特征在于：所述步骤3.4)中，已知...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋焕煜，胡杨，吴茜，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33