一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法及系统，该配准方法包括步骤：S1、获取模型点云P和数据点云Q；S2、根据模型点云P和数据点云Q建立基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准模型；S3、对所述三维点云刚体配准模型进行优化，得到所述模型点云P和所述数据点云Q之间的第一刚体变换值。该方法通过建立基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准模型，伪Huber损失函数具有连续可导性，对异常点不敏感，能够有效降低外点对配准过程的影响，从而提高配准的效率和精度。

A method and system of 3D point cloud rigid body registration based on pseudo Huber loss function

【技术实现步骤摘要】
一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法及系统
本专利技术属于三维点云数据处理领域，具体涉及一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法及系统。
技术介绍
点云的刚体配准是三维点云处理的关键技术之一，是计算机视觉和图像分析等研究领域的一个关键问题。现有的点云配准算法多数都是假设两个点云数据完全相同，两者之间存在一一对应的关系，因此，现有的点云配准算只能解决完全对应点云的刚体配准问题，即待配准点云是模型点云的子集或真子集。然而，在实际点云配准问题中，由于点云采集传感器的物理限制、三维特征之间的边界、遮挡、多重反射和噪声等因素的影响，所采集的点云包含测量表面外的点，这些点称为外点。含外点的三维点云刚体配准是现阶段的一个难点和热点问题。例如，Besl等人提出的基于迭代最近点(Iterativeclosestpoint，ICP)的完全对应点云配准算法；Dalley等人采用阈值度量方法在迭代过程中排除异常点的干扰，通过计算Schultz距离来设置阈值大小，排除点云中的异常点，该方法的缺点在于阈值或距离度量不好确定且配准算法往往受到点云形状的影响，导致收敛性差。因此，在含外点的三维点云刚体配准过程中，外点将会影响点云配准的精度，从而导致得到错误的配准结果。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法及系统。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本专利技术实施例提供了一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法，包括步骤：S1、获取模型点云P和数据点云Q；S2、根据所述模型点云P和所述数据点云Q建立基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准模型；S3、对所述三维点云刚体配准模型进行优化，得到所述模型点云P和所述数据点云Q之间的第一刚体变换值。在本专利技术的一个实施例中，所述三维点云刚体配准模型为：s.t.RTR＝Idet(R)＝1其中，b为异常值阈值，R为旋转矩阵，t为平移向量，c为模型点云P和数据点云Q的空间对应关系，p为模型点云中的点，Np∈N，q为数据点云中的点，Nq∈N。在本专利技术的一个实施例中，步骤S3包括：S31、根据第二刚体变换值计算第k步优化过程的所述模型点云P和所述数据点云Q的空间对应关系；S32、根据所述空间对应关系计算第k步优化过程的所述模型点云P和所述数据点云Q的第一刚体变换值；S33、判断优化是否满足预设条件；若否，则返回步骤S31；若是，则终止优化；S34、输出所述第一刚体变换值。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S32包括：S321、根据所述空间对应关系更新所述模型点云P和所述数据点云Q；S322、利用Levenberg-Marquardt算法计算更新后的所述模型点云P和所述数据点云Q之间的第三刚体变换值；S323、根据所述第三刚体变化值计算所述第一刚体变换值。在本专利技术的一个实施例中，判断优化是否满足预设条件，包括：根据所述第一刚体变换值更新所述模型点云P和所述数据点云Q；判断更新后的所述模型点云P和所述数据点云Q之间的第一均方误差εk是否满足εk≤εmin，其中，εmin为所述模型点云P和所述数据点云Q之间的第二均方误差。在本专利技术的一个实施例中，判断优化是否满足预设条件，包括：判断优化次数k是否满足k≥kmax，其中，kmax为预设优化次数。本专利技术的另一个实施例提供了一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准系统，包括：点云获取模块，用于获取模型点云P和数据点云Q；模型建立模块，用于根据所述模型点云P和所述数据点云Q建立基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准模型；模型优化模块，用于利用预设方法对所述三维点云刚体配准模型进行优化，得到所述模型点云P和所述数据点云Q之间的第一刚体变换值。在本专利技术的一个实施例中，所述模型优化模块包括：空间对应关系获取模块，用于根据第二刚体变换值计算第k步优化过程的所述模型点云P和所述数据点云Q的空间对应关系；刚体变换值获取模块，用于根据所述空间对应关系计算第k步优化过程的所述模型点云P和所述数据点云Q的第一刚体变换值；判断模块，用于判断优化是否满足预设条件并根据判断结果对所述空间对应关系和所述第一刚体变换值进行继续优化或者终止优化；输出模块，用于输出所述第一刚体变换值。在本专利技术的一个实施例中，所述刚体变换值获取模块包括：点云更新模块，用于根据所述空间对应关系更新所述模型点云P和所述数据点云Q；第一刚体变换值获取子模块，用于计算更新后的所述模型点云P和所述数据点云Q之间的第三刚体变换值；第二刚体变换值获取子模块，用于根据所述第三刚体变化值计算所述第一刚体变换值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术通过建立基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准模型，伪Huber损失函数具有连续可导性，对异常点不敏感，能够有效降低外点对配准过程的影响，从而提高配准的效率和精度。以下将结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的另一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法的流程示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准系统的结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的另一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准系统的结构示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例一三维点云刚体配准的目的是建立两个点云之间的空间对应关系并寻找其之间的最优刚体变换关系。通常三维点云刚体配准包括求解两个内容：(1)建立两个点云之间的对应关系；(2)求解两个点云之间的刚体变换关系。刚体配准过程是利用对某特定度量函数的最小化来同时求解上述两部分内容，以获取两个点云之间的最优刚体变换关系。给定两个点云和点云假设从点云P到点云Q存在某种映射关系C:P→Q，以及点云P到点云Q的刚体变换关系T，可定义如下的相似性度量函数：J(T(P),C(P))(1)点云刚体配准过程可看成如下的优化问题：其中，R为旋转矩阵，t为平移向量。然而，在传统刚体配准过程中，由于二次曲线的快速增长，外点对求解刚体变换影响较大，导致配准结果误差较大。为了有效避免这一问题，采用外点不敏感的伪Huber损失函数建立对外点鲁棒的三维点云刚体配准模型。请参见图1，图1为本专利技术实施例提供的一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法的流程示意图。该三维点云刚体配准方法包括步骤：S1、获取模型点云P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法，其特征在于，包括步骤：/nS1、获取模型点云P和数据点云Q；/nS2、根据所述模型点云P和所述数据点云Q建立基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准模型；/nS3、对所述三维点云刚体配准模型进行优化，得到所述模型点云P和所述数据点云Q之间的第一刚体变换值。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法，其特征在于，包括步骤：
S1、获取模型点云P和数据点云Q；
S2、根据所述模型点云P和所述数据点云Q建立基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准模型；
S3、对所述三维点云刚体配准模型进行优化，得到所述模型点云P和所述数据点云Q之间的第一刚体变换值。


2.如权利要求1所述的基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法，其特征在于，所述三维点云刚体配准模型为：



s.t.RTR＝Idet(R)＝1
其中，b为异常值阈值，R为旋转矩阵，t为平移向量，c为模型点云P和数据点云Q的空间对应关系，p为模型点云中的点，Np∈N，q为数据点云中的点，Nq∈N。


3.如权利要求1所述的基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法，其特征在于，步骤S3包括：
S31、根据第二刚体变换值计算第k步优化过程的所述模型点云P和所述数据点云Q的空间对应关系；
S32、根据所述空间对应关系计算第k步优化过程的所述模型点云P和所述数据点云Q的第一刚体变换值；
S33、判断优化是否满足预设条件；若否，则返回步骤S31；若是，则终止优化；
S34、输出所述第一刚体变换值。


4.如权利要求3所述的基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法，其特征在于，所述步骤S32包括：
S321、根据所述空间对应关系更新所述模型点云P和所述数据点云Q；
S322、利用Levenberg-Marquardt算法计算更新后的所述模型点云P和所述数据点云Q之间的第三刚体变换值；
S323、根据所述第三刚体变化值计算所述第一刚体变换值。


5.如权利要求3所述的基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准方法，其特征在于，判断优化是否满足预设条件，包括：
根据所述第一刚体变换值更新所述模型点云P...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪霖，尚舒阳，彭进业，姜博，张璞，周延，李艳艳，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61