用于3D扫描之间全局配准的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了第一点云和第二点云之间全局配准的计算机实施方法和计算机化装置，第一点云和第二点云是扫描装置在两个独立实例的相同空间场景上获得的。该方法包括从第一点云中提取第一组判别线对和从第二点云中提取第二组判别线对，其中判别线对与随机选择的线对相比具有高判别力。在一些实施例中，然后根据与线间关系、线的几何形状和线的位置有关的一个阈值标准，以及与扫描装置的指南针误差有关的指南针角标准，来确定两组判别线对之间的多个匹配线对组。该方法还包括通过投票找到两个点云之间最可靠的对应关系，然后计算全局转换矩阵。最后，使用全局转换矩阵来对齐两个点云。本发明专利技术实施例提供准确且有效的配准，特别是对于建筑施工应用。于建筑施工应用。于建筑施工应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于3D扫描之间全局配准的方法和系统


[0001]本专利技术涉及处理三维(3D)扫描，特别涉及一种在3D扫描之间进行全局配准(global registration)的计算机化方法和系统。

技术介绍

[0002]为了对来自相同空间场景的3D扫描的点云进行可视化和进一步的数据处理，必须将这些单一的扫描转换为一个公共坐标系。这个寻找空间转换以对齐3D扫描的过程称为“配准”。对于两个或多个具有共同点子集的3D点云，3D配准的目标是计算一个刚性转换(rigid transformation)，使这些点云对齐，提供它们之间相对姿态的估计。
[0003]现有的配准方法很多，但大多在鲁棒性(robustness)和处理时间上都有局限性。由于指南针数据(compass data)不稳定或其他问题，传统方法可能会在两个扫描的3D模型之间产生错位。因此，希望提供一种能够以有效方式提高配准的鲁棒性的方法和系统，从而产生这些点云之间的最佳对齐。

技术实现思路

[0004]鉴于上述背景，提供了替代的计算机实施的方法和装置，用于在由扫描装置获得的两个独立实例的相同空间场景上的两个点云之间的全局配准。
[0005]根据本专利技术的一个示例性实施例，提供了一种用于在两个独立实例的相同空间场景上由扫描装置获得的两个点云之间的全局配准的计算机实施的方法。该方法包括从第一点云中提取第一组判别线对和从第二点云中提取第二组判别线对，其中判别线对是与随机选择的线对相比具有高判别力的线对。然后确定多个匹配线对组。每个匹配线对组包括从第一组判别线对中选出的第一判别线对和从第二组判别线对中选出的第二判别线对。第一判别线对和第二判别线对满足至少一个与线间关系、线的几何形状和线的位置有关的阈值标准，以及当第一判别线对通过第一转换矩阵转换到参考坐标和第二判别线对通过第二转换矩阵转换到同一参考坐标时的指南针角标准。此外，选择第一点云和第二点云的最佳方位角，该最佳方位角是从多个匹配线对组的指南针角导出的，并根据最佳方位角、相应的第一转换矩阵和相应的第二转换矩阵的聚类，计算全局转换矩阵。然后使用全局转换矩阵来对齐第一点云和第二点云。
[0006]因此，本专利技术的一个示例实施例涉及一个计算机化系统，其包括处理器和连接到处理器的存储器。存储器和处理器一起被配置为使该计算机化系统执行根据上述实施例的动作。
[0007]与传统的点云配准技术相比，上述示例性实施例具有好处和优点。例如，本方法能够通过使用本专利技术描述的算法快速找到用于点云配准的转换矩阵并准确地对齐两个模型。
[0008]本专利技术的另一个优点是，计算机实施的方法对扫描装置的不稳定指南针数据具有鲁棒性。因此，在3D应用中，如建筑施工相关的应用中，可以实现智能3D建模解决方案，以显示建筑工地的全局布局。
附图说明
[0009]通过以下参考附图的详细描述，本专利技术实施例的上述和其他特征、优点和方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
[0010]图1显示可以应用本专利技术实施例的一个示例场景；
[0011]图2是根据本专利技术实施例提供的两个点云之间的全局配准的方法流程图；
[0012]图3A显示从点云中提取线条以形成基于线条的模型的过程；
[0013]图3B显示从视觉角度确定匹配线对的一个实施方式；
[0014]图4A
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4B显示基于线条的3D模型中的H
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线和V
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线，以及在这种模型的背景下的判别线对的一个示例；
[0015]图5A
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5B显示线对特征的两个例子；
[0016]图6A
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6B显示两个模型中由V
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线和H
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线组成的线对；
[0017]图7A
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7B显示两个模型中由两条不平行的H
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线组成的线对；
[0018]图8A
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9B显示与图6A
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6B中的线对有关的一个例子以及指南针角标准的应用；
[0019]图10A
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11B显示与图7A
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7B中的线对有关的另一个例子以及指南针角标准的应用；
[0020]图12显示在一个实施例中用于选择最佳方位角的投票方案的例子；
[0021]图13是根据本专利技术实施例的用于两个点云之间的全局配准的计算机化装置的示意性软件图；
[0022]图14是根据本专利技术实施例的用于两个点云之间的全局配准的计算机化系统的示意图。
具体实施方式
[0023]如本文和权利要求书中所使用的，术语“包括”是指包括以下要素但不排除其他要素。术语“基于”应被理解为“至少部分基于”。术语“一个示例性实施例”和“一个示例性实施方案”应被理解为“至少一个示例性实施例”。术语“另一个实施例”应被理解为“至少一个其他实施例”。
[0024]如本文和权利要求书中所使用的，“3D物体”是指在3D空间中具有姿态、尺寸和形状的任何实际物体，其可以由扫描的3D场景的点云中的多个点表示。
[0025]在本专利技术的点云配准的背景下，如在一个示例性实施例中，要对齐的两个点云被分别命名为“参考模型”和“场景模型”。这两个模型具有不同的姿态，并且是来自真实场景中的不同视图。换句话说，两个点云中的第一点云和第二点云是由扫描装置在两个独立的实例中扫描一个相同空间场景获得的，因此一个点云的数据与另一个点云的数据具有高度的对应性。
[0026]如本文和权利要求书中所使用的，除非另有说明，否则“耦合”或“连接”是指通过一个或多个电装置直接或间接地电耦合或电连接。
[0027]以下示例性实施例单独或组合地实施，以为不同行业(例如建筑施工、自动化)的各种应用提供点云配准的方法和系统。特别是，目前缺乏记录建筑工地的3D建模解决方案，成为该行业的一个挑战。由于扫描装置的指南针数据不稳定，传统的配准方法也经常导致两个扫描的3D模型错位。
[0028]现在参考图1，图1显示可以应用本专利技术实施例的一种示例性场景的图100。在该场
景中，提供了一个计算机化装置110，用于在(由131和132表示的两个独立实例处的)一个相同空间场景上由3D传感器120获得的第一点云和第二点云之间的全局配准。该3D场景可以是物理环境中的任何场景。这里显示为建筑施工应用中的平面图的俯视图，其中包括一个或多个房间，如房间1和房间2。
[0029]一个或多个3D传感器120被定位以捕获3D场景的3D视觉，并与计算机化装置110连接，以向计算机化装置110提供3D场景的3D数据。计算机化装置110对3D数据进行处理，以用于点云配准，下面会详细介绍。在点云配准之后，其结果可以进一步处理，用于3D建模或其他3D应用。
[0030]可在此使用的示例性3D传感器包括但不限于3D扫描仪、数码相机和其他类型的能够捕获真实世界物体和/或场景的图像本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于第一点云和第二点云之间全局配准的计算机实施方法，所述第一点云和第二点云是由扫描装置在两个独立实例的相同空间场景上获得的，所述方法包括：从所述第一点云中提取第一组判别线对，从所述第二点云中提取第二组判别线对，其中所述判别线对与随机选择的线对相比具有高判别力；确定多个匹配线对组，每个匹配线对组包括从所述第一组判别线对中选出的第一判别线对和从所述第二组判别线对中选出的第二判别线对，其中所述第一判别线对和所述第二判别线对满足：与线间关系、线的几何形状和线的位置有关的至少一个阈值标准；和当所述第一判别线对通过第一转换矩阵转换到一个参考坐标并且所述第二判别线对通过第二转换矩阵转换到所述参考坐标时的指南针角标准；为所述第一点云和所述第二点云选择一个最佳方位角，所述最佳方位角是从所述多个匹配线对组的指南针角导出的；基于所述最佳方位角、相应第一转换矩阵和相应第二转换矩阵的聚类，计算全局转换矩阵；以及使用所述全局转换矩阵对齐所述第一点云和所述第二点云。2.根据权利要求1所述的方法，其中每个判别线对中的第一线条和第二线条的关系如下：所述第一线条为垂直线(V
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线)且所述第二线条为水平线(H
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线)；或者所述第一线条和所述第二线条都是两条不平行的水平线(H
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线)。3.根据权利要求1所述的方法，还包括为每个判别线对生成线对特征向量的步骤，其中所述生成步骤包括：计算所述判别线对的第一线条和第二线条之间的最小距离和锐角；计算所述第一线条和所述第二线条的长度；以及确定所述第一线条和所述第二线条的中心点位置。4.根据权利要求3所述的方法，其中确定所述多个匹配线对组包括：对于所述第一组判别线对中的每个线对，其指的是第一线对，将所述第一线对的线对特征向量和所述第二组判别线对中的线对的相应线对特征向量进行比较；如果所述第一线对的线对特征向量和所述第二组判别线对中一个或多个线对的线对特征向量满足至少一个阈值标准，则确定所述第二组判别线对中的所述一个或多个线对作为与所述第一线对匹配的候选匹配线对；以及将所述第一线对和所述候选匹配线对分组为一个匹配线对组，所述第一线对为所述第一判别线对，所述候选匹配线对为所述第二判别线对。5.根据权利要求3所述的方法，其中一个匹配线对组中的第一判别线对和第二判别线对满足的至少一个阈值标准包括：以下各项均在各自的预定阈值范围内：所述第一判别线对的最小距离与所述第二判别线对的最小距离之间的绝对差；所述第一判别线对的第一线条的长度与所述第二判别线对的第一线条的长度之间的绝对差；所述第一判别线对的第二线条的长度与所述第二判别线对的第二线条的长度之间的绝对差；所述第一判别线对的第一线条的中心点的垂直值与所述第二判别线对的第一线条的中心点的垂直值之间的绝对差；
所述第一判别线对的第二线条的中心点的垂直值与所述第二判别线对的第二线条的中心点的垂直值之间的绝对差；以及所述第一判别线对的锐角与所述第二判别线对的锐角之间的绝对差。6.根据权利要求4所述的方法，其中确定所述多个匹配线对组还包括：通过对所述第一判别线对上的每个点应用第一转换矩阵，将所述第一判别线对转换为所述参考坐标，使所述第一判别线对的所述第一线条与所述参考坐标的X轴对齐；将所述第一判别线对的所述第二线条投影到所述参考坐标的Y
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Z平面上，得到第一投影线；获取所述第一投影线与所述参考坐标的Y轴之间的第一锐角；通过对所述第二个判别线对上的每个点应用第二转换矩阵，将所述第二判别线对转换为所述参考坐标，使所述第二判别线对的所述第一线条与所述参考坐标的X轴对齐；将所述第二判别线对的所述第二线条投影到所述Y
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Z平面上，得到第二投影线；获得所述第二投影线与所述参考坐标的Y轴之间的第二锐角；计算所述第一锐角和所述第二锐角之间的绝对差，作为指南针角差；以及如果所述指南针角绝对差小于所述扫描装置的指南针误差的阈值，则确定所述第一判别线对和所述第二判别线对构成所述匹配线对组。7.根据权利要求1所述的方法，还包括：对于所述多个匹配线对组中的每一个，计算所述第一判别线对的所述第一转换矩阵，使所述第一判别线对的第一线条与所述参考坐标的X轴对齐；以及计算所述第二判别线对的所述第二转换矩阵，使所述第二判别线对的第一线条与所述参考坐标的X轴对齐。8.根据权利要求6所述的方法，其中选择所述最佳方位角包括：在所述多个匹配线对组的所有判别线对中，通过投票方案从所述计算出的指南针角差中选择一个指南针角差作为所述第一点云和所述第二点云之间的最佳方位角。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述投票方案包括：建立一个投票表，其中所述投票表的行表示所述第一组判别线对，所述投票表的列表示与量化的指南针角差对应的有限数量的角度区间，其中所述投票表中的所有单元被初始化为零；对于所述投票表中的每一行，从所述多个匹配线对组中确定所述第二判别线对的一个候选集，其中所述候选集的第一判别线对与该行相对应，并使用该行作为索引；对于所述候选集中的每个条目，检索与该条目对应的所述第二判别线对和与该行相对应的所述第一判别线对之间的所述指南针角差；如果检索到的指南针角差落入该行的一个特定角度区间，则递增与该行的特定角度区间相对应的投票表单元；对每一列的计数进行统计；以及确定与具有最大值的列相对应的指南针角差作为所述最佳方位角。10.根据权利要求9所述的方法，其中计算所述全局转换矩阵包括：基于相应第一转换矩阵的第一聚类、相应第二转换矩阵的第二聚类、和所述最佳方位角来构建转换矩阵的一个候选集，其中所述相应第一转换矩阵是从对应于所述最佳方位角的表列内具有非零值的那些第一转换矩阵聚类而来，所述相应第二转换矩阵是由来自同一表列的那些第二转换矩阵聚类而成的；
通过使用来自所述转换矩阵的候选集的相应转换矩阵，计算来自所述第二组判别线对的多个匹配线对组中的每条线的估计姿态；通过找到相...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐学燕，李淑玲，
申请(专利权)人：香港应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：