基于深度学习图像描述子的三维彩色点云配准

不断发展的激光扫描技术使得获取三维空间中的彩色点云信息更加方便.但是,如何将多个采集点生成的彩色点云数据统一在同一个坐标系下,构建一个完整的数据模型仍是一个挑战.因此,提出了一种基于深度学习的图像描述子,将其应用于三维彩色点云配准中,能够以较高精度获取点云配准的初始位姿.首先,根据点云和图像之间的一一对应关系,将三维彩色点云投影为图像;其次,使用卷积神经网络提取关键点邻域的局部特征,结合方向梯度直方图,形成组合描述子;再次,根据计算出的组合描述子计算点云的匹配点对,得出点云间的转换关系,实现点云粗配准.以实际的三维彩色点云数据与多种配准算法进行对比,验证了所提方法的有效性.     

用于面部虚拟整形的三维人脸重建系统设计

为解决面部整形手术成功率低的问题,设计了用于面部虚拟整形的三维面部重建系统。该系统首先利用高精度深度相机采集人脸多角度深度图像,将每幅深度图像分别转换为对应点云模型并进行去噪预处理。接着,将正面点云和侧面点云进行粗匹配实现点云拼接,并提出一种改进的精配准算法进行精配准,得到目标人脸三维点云模型。对点云模型网格化处理后,提出一种基于半边结构的细分算法来提高重建模形精度,最后完成贴图即可构建人脸模型。为了验证所设计系统的重建精度,设计了对比实验。结果表明:系统重构人脸与其他重建系统相比,提高了人脸精度,且与真实人脸间差距小于2 mm,可以将其应用于面部虚拟整形,从而对专业医师提供术前指导,提高手术成功率。     

基于改进ICP算法的三维点云刚体配准方法

针对含有噪声和外点的三维点云刚体配准问题,由于迭代最近点(iterative closest point, ICP)算法的配准精度较低,为此,该文提出了一种基于改进ICP算法的三维点云刚体配准方法。考虑到伪Huber损失函数对噪声和外点不敏感、鲁棒性强,首先,建立了基于伪Huber损失函数的三维点云刚体配准模型。其次,利用RGB-D点云数据中颜色信息辅助建立点云对应关系,以提高改进ICP算法中对应点匹配的准确性。最后,结合奇异值分解(singular value decomposition, SVD)和Levenberg-Marquardt(LM)的优化算法对三维点云刚体配准模型进行优化求解。实验结果表明,该文所提三维点云刚体配准方法的配准精度高,能够有效抑制噪声和外点对配准精度的影响。     

基于Kinect传感器的移动机器人室内三维环境创建

针对移动服务机器人需要感知室内工作环境问题,提出了一种基于低成本Kinect传感器的三维环境创建实用方法。机器人在移动过程中,Kinect传感器实时采集RGB信息和深度信息,将RGB图像信息映射到深度图像信息中,采用联合双边滤波对深度图像进行预处理,获得质量比较高的点云数据。对采集到的大量点云数据,采用半径滤波器算法对点云进行精简,剔除离群点,减少点云数量,提高匹配速度。点云配准时,采用NDT算法完成初始配准,从而得到图像帧间粗略的转换关系,并运用GICP算法对采集的多视角点云数据进行精确配准,得到拼接的三维点云场景。实验结果表明:本文方法具有更好的重建效果和更高的效率,可以应用于室内场景三维环境创建。     

点云初始配准的优化求解算法

针对基于对应点匹配的点云配准算法过于依赖点云初始位置并且配准效率较低的问题,提出一种基于序列图像运动法重建的点云初始配准算法。首先,根据透视投影原理对相机在点云局部坐标系中的位置进行定位,获取将点云变换到对应相机坐标系的变换矩阵;然后,以图像特征点及其对应的匹配点作为同名点,通过重建序列图像对相机外参数进行全局优化;最后,根据推导的初始配准公式快速实现点云初始配准。实例验证结果表明,该初始配准算法对点云的初始位置无严格要求,能以较小的计算量获取近似全局最优的点云初始配准结果;将初始配准参数作为迭代最近点算法的初始值,可有效提高迭代最近点算法配准的稳健性,计算效率提高了30%以上。     

图像三维模型重建方法研究

提出一种基于数据挖掘技术的图像三维模型重建方法.首先对图像进行去噪处理和缺陷修复,并采用点云配准将不同图像分配到统一坐标系中,过滤掉图像中的冗杂信息;然后通过TSDF算法对点云配准后的图像进行数据融合,获取完整的点云模型;最后在OpenGl条件下对点云模型实施渲染,完成图像三维模型的重建.实验结果表明,该方法具有较高的重建效率和配准效率,重建的图像三维模型真实性高,边缘和纹理的处理效果清晰.     

面向全自动三维扫描系统的多视角三维数据自动配准技术

针对利用高精度转台进行配准模型的顶部和底部与模型进行配准时效果不佳的问题, 提出一种面向全自动三维扫描系统的多视角三维数据自动配准方案. 对待扫描模型, 利用单轴高精度转台获取由不同角度扫描的点云数据, 先使用一种快速简单的方法求解转台中轴, 利用中轴将多片点云拼合得到模型主体; 再通过点云包围盒变换, 完成点云的初始配准, 并通过改进的ICP算法完成点云的精确配准. 实验结果表明, 该方法具有较好的操作性和较高的精度.     

三维扫描系统中的数据配准技术

通过引入特征点和改进最近点迭代法,提出了一种在三维扫描系统中对三维点云数据进行配准的方法。该方法通过对特征点的提取,首先得到一组匹配点对,然后运用SVD矩阵分解算法求出转换参数R和T,进而以此作为最近点迭代法的初始值,并对最近点的求法和迭代截止条件作了改进,得到了很好的配准效果。该文论述了该方法的基本原理,并通过不同视觉下物体三维测量点云数据配准的应用实例证明了该方法的有效性。     

基于对比度Harris的快速鲁棒图像配准算法

为进一步提高配准算法的鲁棒性、速度及自适应程度,提出了一种基于对比度Harris的快速鲁棒图像配准算法.依据中心像素与其邻域像素灰度值差异计算分块图像对比度,自适应地确定其角点检测的阈值,并通过灰度相似性剔除伪角点;在构建的尺度空间中检测角点,解决了Harris算法需凭经验手动设定阈值,所提取的角点分布不均匀,对尺度敏感且含有伪角点的问题;采用斜率和距离约束剔除粗匹配后的部分误配准点对,再通过随机抽样一致性(random sample consensus, RANSAC)进行精配准.实验结果表明,与4种同类配准算法相比,所提出的配准算法对于JPEG压缩、模糊、视角、光照及尺度变化图像都具有更好的鲁棒性,配准正确率更高,自适应性更强,且配准时间大幅减少.     

形貌约束的多视角点云分阶配准方法

为提高大数据量多视角点云的配准效率,提出一种基于多分辨率模型的多视角点云分阶配准方法。首先根据平坦形貌约束条件对点云进行递归分割,提取所得割集的核心点作为特征点构造多分辨率模型,然后采用迭代最近点算法基于该模型上层数据求解多视角点云的初始变换矩阵,将其作用于模型后逐级求解下层数据的变换矩阵,最终将复合变换矩阵同步作用于原多视角点云,实现原多视角点云的精确配准。实验结果表明,该分阶配准方法可有效缓解点云单一简化结果导致的配准精度与效率之间的矛盾,在显著降低点云规模的前提下实现原始点云精确配准;当点云规模达106级别时,与加权尺度迭代最近点(WSICP)算法相比,该方法的计算效率提高约2.5倍。     

基于点集与互信息的肺部CT图像三维弹性配准算法

针对基于互信息的肺部CT图像三维弹性配准算法精度低、耗时多的问题,提出了一种基于混合配准框架的配准算法.该方法将点集与互信息相结合,先采用点集配准算法获得点集位移向量,再求出变换函数,最后以基于互信息的方法进行细化配准.采用4组三维肺部CT图像,以标志点距离误差来验证算法精度.试验结果表明,所提方法能够快速精确地完成三维肺部CT图像弹性配准;相对于仅基于互信息的配准算法,耗时平均减少70%,配准精度平均提高5%.该方法可以用于4D肺CT图像的快速配准.     

基于三维激光扫描的大型建筑物重构

三维点云数据的准确配准拼接与坐标转换是确保大型建筑物重构精度的关键.文章利用Scan Station2三维扫描仪对大型建筑物进行多测站扫描与配准拼接,分析了平面标靶与特征点配准的误差来源,提出了改进的特征点配准方法及坐标转换策略,并实例验证了该方法的有效性与优越性.     

基于并联机构的三维视觉重构系统点云自动配准

目前点云配准方法需要在相邻的两幅深度图像上有重叠的区域来保证最后的正确匹配,不能在有平坦区域或重复几何特征的深度图像上得到正确结果.针对这一问题,将并联机构与结构光视觉技术相结合,构筑一个三维视觉重构系统.利用并联机构运动过程中的位姿信息,通过坐标变换,将各点云数据独立的变换到适当的坐标系,实现多视点点云同时自动配准.     

面向RGB-D数据的4D-ICP点云配准方法

针对三维彩色物体的配准问题,提出一种面向RGB-D数据的点云配准方法.首先利用主方向贴合方法将待配准的两片点云快速拉近,使它们近似对齐;在点云精确配准阶段,将RGB颜色值转换成单通道的灰度值,并将灰度值范围映射到几何数据的范围,由映射后的灰度值和点云的几何信息构成四维向量;然后由点的局部邻域几何信息和颜色信息构造混合特征描述子,根据混合特征描述子获得源点云的特征点,在四维向量空间,利用k近邻算法在目标点云中搜索对应点,以提高搜索效率;最后,定义了一种基于4D欧氏距离的ICP算法,通过4D-ICP迭代算法实现点云的精确配准.实验结果表明,面向RGB-D数据的4D-ICP配准方法,能够快速有效地实现RGB-D点云模型的配准,并在配准精度和保持颜色纹理方面效果突出.     

面向三维人体重建的前、后片配准算法

针对传统三维图像配准算法需要获取目标物体多个模型数据的不便,以及三维重建过程耗时较长的不足,提出了一种基于三维人体表面前、后片模型的配准算法.该算法首先使用Kinect三维扫描设备获取的人体表面前、后片模型点云数据,作为配准过程的参考点集和目标点集;然后,选取前、后片模型的边缘轮廓信息作为配准特征点,通过迭代优化过程,使得前、后片能够较好地配准;最后,通过空间曲线插值方法填充模型边缘缝隙,得到完整的三维人体模型.试验结果表明,该算法只需要获取目标物体的前、后片三维数据,模型采集及配准效率高,配准精度好,即使针对初始位置相差较大的两个模型片也能得到准确的配准效果.     

基于正态分布变换的多位姿手掌部三维静脉识别

研究基于三维点云匹配的多位姿手部静脉识别.考虑手部静脉点云的特点,结合双目视觉原理,建立了一种结合三维特征阵列和静脉点云的扩展数据库,提出了一种基于三维特征阵列的静脉点云粗配准算法.在双目静脉图像中提取稳定特征并重建为三维特征,根据三维特征匹配结果初步消除静脉点云位姿差异.并采用改进的正态分布变换算法完成静脉点云匹配.实验表明,本文算法能够有效提高多位姿下的静脉点云识别率,即使手部位姿变化范围较大时,系统的识别率仍超过90%.      

结合图像信息和几何关系的配准算法

对图像配准中的特征点检测方法和描述方法进行了研究,提出了一种快速准确的图像配准算法.使用尺度空间理论进行特征点的检测,通过两种不同的特征点描述子对特征点进行描述:一种是基于图像信息的描述子,该描述子使用尺度空间理论上的尺度不变Harris算子的自相关矩阵来描述特征点;第二种是基于空间上的几何关系的描述子,提出了一种融合局部结构特征和全局信息的描述子.在图像配准的目标函数里,将特征点匹配矩阵和图像变换矩阵分解,分别使用两种不同的描述子对二者进行迭代求解.该算法结合了两种特征点描述方法的优点,实验结果表明该方法快速、准确,具有配准精度高和计算时间短的优点.     

Clifford代数空间上的三维颅部感兴趣区配准

针对3D颅部医学图像配准中存在的配准精度不高、运算复杂、配准效率低等问题,在创新性地圈定了感兴趣配准区域的基础上,提出了一种基于Clifford代数的全新的几何特征轴构造方法。起初从参考模态与浮动模态中依次提取特征点,通过该特征点实现配准感兴趣区(ROI)圈定;其次利用感兴趣区的点云数据集到其质心的距离测度构造几何特征轴,并计算相应的旋转算子完成浮动模态相对于参考模态的高效、高精度配准。这样的配准方式有效地避免了多模态图像成像时配准区域非完全匹配导致的误差,并减少待处理的数据量,同时消除了无效配准区域产生的局部最优点的影响,进而降低了配准的误差。实验表明,感兴趣区处理后的待配准图像,经新算法仿真配准,能够精确地定位组织器官的三维位置,执行效率高且配准误差较小,是一种有效的3D颅部医学图像配准方法。     

一种基于PVDAC描述子的RGB-D三维点云配准方法

利用RGB-D数据进行三维点云配准时容易陷入局部最优.针对这个难题,提出了一种基于多维特征的PVDAC描述子实现三维点云配准的方法.该方法首先通过ORB特征检测算法提取二维数据的关键点,并计算关键点在2D下的灰度特征,然后构建关键点在3D下的局部像素值距离、点云法线角度以及曲率特征,接着将2D特征和3D特征联合生成全新的PVDAC像素描述子,并利用PVDAC像素描述子描述关键点实现三维点云的粗配准,最后基于ICP算法完成三维点云的精细化配准.实验表明,本文算法在大场景点云配准时总体均方误差约为0.05 m2,在小场景单物体点云配准时达到了0.000 2 m2的较小误差,实现了三维点云的精确配准.     

历史建筑三维激光扫描建模方法研究

优秀历史建筑数字化保护已经成为影响广泛的社会性问题.以同济大学文远楼为例,提出了一种以三维激光扫描仪和全站仪为主要数据获取手段的针对大型历史建筑数字化工程方法 .首先对目标体进行分站扫描,获得点云数据,同时使用扫描仪和全站仪采集每站靶标数据;然后,利用Matlab编程实现转换算法,根据采集的同名点靶标数据进行配准计算,将每站点云数据转换到统一的坐标系下,并对转换模型精度进行分析;最后将完全配准的点云数据网格化并修饰处理,建立真三维的历史建筑数字化模型.实验结果表明,采用的建模方法快捷、有效,配准模型精度较高,最终建立的三维模型真实,保留了其细部的特征.