【CN109685841A】三维模型与点云的配准方法及系统【专利】

( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910005488 .X
(22)申请日 2019 .01 .03
(71)申请人 上海狮迈科技有限公司 地址 201807 上海市嘉定区嘉唐公路1521 号 申请人 上海数设科技有限公司
(72)发明人 田大将Βιβλιοθήκη Baidu牟全臣 张仕进 曾继跃
其中，P重为模型点云P的重心，Q重为模型点云Q的重心。 4 .如权利要求3所述的三维模型与点云的配准方法，其特征在于，旋转矩阵R0和平移向 量T0分别为：
T0＝P重-R0*Q重。
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CN 109685841 A
权 利 要 求 书
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5 .一种三维模型与点云的配准系统，其特征在于，包括： 离散模块，用于将三维模型离散成若干三角面片； 上采样模块 ，用于对各三 角面片进行上采样 ，使所述三维模型中三 角面片内的 点的 总 数与外部点云Q中点的 总数大致相同 ，得到模型点云P ； 重心及特征向量计算模块，用于计算模型点云P和外部点云Q的重心，并对模型点云P和 外部点云Q进行主成分分析，得到模型点云P和外部点云Q的特征向量； 第一旋转矩阵和平移向量计算模块，用于根据模型点云P和外部点云Q的重心以及模型 点云P和外部点云Q的特征向量，计算模型点云P与外部点云Q进行粗配准需要的旋转矩阵R0 和平移向量T0； 粗配准模块，用于对所述模型点云P应用所述旋转矩阵R0和平移向量T0，以与外部点云 Q进行粗配准； 对应点参数计算模块 ，用于通过Kd -Tree近邻搜索方法 ，搜索模型点云P中点Pi在外部 点云Q中对应的点云集M，分别计算Pi与点云集元素包含元素Mi之间的距离Di、法线夹角αi 和曲率差Ki； 对应点查找模块，用于针对计算得到的距离Di、法线夹角αi和曲率差Ki，分别计算三者 的平均值，筛除掉值大于均值的点，得到精简后的对应点筛选点云集M1，随后根据这三个参 数计算在点云集M1中对应点对应程度δ，取δ最小值为点位Pi的对应点； 第二旋转矩阵和平移量计算模块，用于根据查找出的模型点云P和外部点云Q所有的对 应点，计算相应的旋转矩阵R1和平移向量T1； 迭代模块，用于对所述外部点云Q应用所述旋转矩阵R1和平移向量T1后，计算对应点之 间的均方差E，当均方差E满足终止要求时终止迭代，否则跳转至所述对应点参数计算模块。 6 .如权利要求5所述的三维模型与点云的配准系统 ，其特征在于，所述上采样模块包 括： 点云密度计算模块，用于计算所述三维模型的面积和S总，并根据外部点云Q中点的总数 N点云，求得点云密度ρ＝N点云/S总； 模型点云生成模块 ，用于分 别计算每个三 角面片的 面积S1 ，并 据此求得每个三 角面片 中包含的点的个数N1＝S1*ρ，根据每个三角面片中包含的点的个数，将相应数量的点均匀分 布在各三角面片中，得到模型点云P。 7 .如权利要求5所述的三维模型与点云的配准系统，其特征在于，计算模型点云P和外 部点云Q的重心的公式为：
(74)专利代理机构 北京润泽恒知识产权代理有 限公司 11319
代理人 莎日娜
(51)Int .Cl . G06T 7/33(2017 .01) G06T 17/20(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109685841 A (43)申请公布日 2019.04.26
( 54 )发明 名称 三维模型与点云的配准方法及系统
权利要求书3页 说明书6页 附图5页
CN 109685841 A
CN 109685841 A
权 利 要 求 书
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1 .一种三维模型与点云的配准方法，其特征在于，包括： 步骤1：将三维模型离散成若干三角面片； 步骤2：对各三角面片进行上采样，使所述三维模型中三角面片内的点的总数与外部点 云Q中点的 总数大致相同 ，得到模型点云P ； 步骤3：计算模型点云P和外部点云Q的重心，并对模型点云P和外部点云Q进行主成分分 析，得到模型点云P和外部点云Q的特征向量； 步骤4：根据模型点云P和外部点云Q的重心以及模型点云P和外部点云Q的特征向量，计 算模型点云P与外部点云Q进行粗配准需要的旋转矩阵R0和平移向量T0； 步骤5：对所述模型点云P应用所述旋转矩阵R0和平移向量T0，以与外部点云Q进行粗配 准； 步骤6 ：通过Kd-Tree近邻搜索方法 ，搜索模型点云P中点Pi在外部点云Q中对应的 点云 集M，分别计算Pi与点云集元素包含元素Mi之间的距离Di、法线夹角αi和曲率差Ki； 步骤7：针对计算得到的距离Di、法线夹角αi和曲率差Ki，分别计算三者的平均值，筛除 掉值大于均值的 点 ，得到精简后的 对应点筛选点云集M1 ；随 后根据这三个参数计算在点云 集M1中对应点对应程度δ，取δ最小值为点位Pi的对应点； 步骤8：根据查找出的模型点云P和外部点云Q所有的对应点，计算相应的旋转矩阵R1和 平移向量T1； 步骤9 ：对所述外部点云Q应 用所述旋转矩阵 R1 和平移向 量T1 后 ，计算对应点之间的 均 方差E，当均方差E满足终止要求时终止迭代，否则返回步骤6。 2 .如权利要求1所述的三维模型与点云的配准方法，其特征在于，对各三角面片进行上 采样的方法包括： 计算所 述三维 模型的 面 积 和S总，并 根 据外部点云 Q中 点的 总数 N点云，求得 点云 密 度ρ＝ N点云/S总； 分别计算每个三角面片的面积S1，并据此求得每个三角面片中包含的点的个数N1＝S1* ρ，根据每个三 角面片中包含的点的 个数 ，将相应数量的点均匀分布在各三 角面片中 ，得到 模型点云P。 3 .如权利要求1所述的三维模型与点云的配准方法，其特征在于，计算模型点云P和外 部点云Q的重心的公式为：
( 57 )摘要 本发明公开了一种三维模型与点云的配准
方法及系统 ，通过对三维模型进行离散和上采 样，得到模型点云P，计算点云P和外部点云Q的重 心和特征向量，并据此计算粗配准所需旋转矩阵 R0和平移向量T0，然后根据旋转矩阵R0和平移向 量T0对点云P与点云Q进行粗配准 ，最后通过KdTree近邻搜索方法 ，搜索点云Q中的 对应点云集 M，并根据距离、法线夹角及曲率差量化计算对应 点的 对应程 度 ，随 后从点云集M中 筛选出所有对 应点，然后据此计算相应旋转矩阵R1和平移向量 T1并对点云Q应 用旋转矩阵R1 和平移向量T1 ，计 算对应点之间的均方差E，当均方差E满足终止要 求时终止迭代 ，完成精配准 ，最终实现三维模型 与点云的 精确配准 ，降 低了对应点选取复 杂度 ， 提高了配准精度。