三维点云配准方法研究进展

点云是一种3维表示方式,在广泛应用的同时产生了对点云处理的诸多挑战。其中,点云配准是一项非常值得研究的工作。点云配准旨在将多个点云正确配准到同一个坐标系下,形成更完整的点云。点云配准要应对点云非结构化、不均匀和噪声等干扰,要以更短的时间消耗达到更高的精度,时间消耗和精度往往是矛盾的,但在一定程度上优化是有可能的。点云配准广泛应用于3维重建、参数评估、定位和姿态估计等领域,在自动驾驶、机器人和增强现实等新兴应用上也有点云配准技术的参与。为此,研究者开发了多样巧妙的点云配准方法。本文梳理了一些比较有代表性的点云配准方法并进行分类总结,对比相关工作,尽量覆盖点云配准的各种形式,并对一些方法的细节加以分析介绍。将现有方法归纳为非学习方法和基于学习的方法进行分析。非学习方法分为经典方法和基于特征的方法;基于学习的方法分为结合了非学习方法的部分学习方法和直接的端到端学习方法。本文分别介绍了各类方法的典型算法,并对比总结算法特性,展望了点云配准技术的未来研究方向。     

深度学习刚性点云配准前沿进展

随着3维采集设备的日渐推广,点云配准在越来越多的领域得到应用。然而,传统方法在低重叠、大量噪声、多异常点和大场景等方面表现不佳,这限制了点云配准在真实场景中的应用。面对传统方法的局限性,结合深度学习技术的点云配准方法开始出现,本文将这种方法称为深度点云配准,并对深度点云配准方法研究进展予以综述。首先,根据有无对应关系对目前的深度学习点云配准方法进行区分,分为无对应关系配准和基于对应关系的点云配准。针对基于对应关系的配准,根据各类方法的主要功能进行详细的分类与总结,其中包括几何特征提取、关键点检测、点对离群值去除、姿态估计和端到端配准,并重点介绍了最新出现的一些方法;针对无对应配准方法,详细介绍了各类方法的特点并对无对应与有对应方法的特点进行了总结。在性能评估中,首先对现有主要的评价指标进行了详细的分类与总结,给出其适用场景。对于真实数据集,给出了特征匹配、点对离群值去除的对比数据,并进行了总结。在合成数据集中,给出了相关方法在部分重叠、实时性和全局配准场景下的对比数据。最后讨论了当前深度点云配准面临的挑战并给出对未来研究方向的展望。     

分形维数的全局点云初始配准算法

针对重叠率低、角度大的点云数据之间的配准进行了研究,提出基于分形维数的全局点云初始配准算法。计算点云中各点的维数值;通过维数属性,从点云中提取特征点;聚类特征点,形成全局结构;从全局结构中,获得全等三角形对,作为匹配点对,进行初始配准;进行剪枝迭代最近点（Trimmed Iterative Closest Point,Trimmed-ICP）细配准。该算法与全局最优迭代最近点（Global optimal Iterative Closest Point,Go-ICP）算法相比,能够有效缩小不同角度的点云数据之间的位姿差异,显著提升对重叠率低、角度大的点云数据的配准效果。     

基于特征相似性的RGBD点云配准

三维点云数据的配准是计算机视觉领域的重要研究课题,也是三维重建的关键步 骤。针对 RGBD 点云数据的配准问题,提出一种基于特征相似性的初始配准方法。首先需要计 算待配准的 RGBD 点云模型的曲率和颜色特征度(CFD),并对 CFD 进行统计分析,若模型颜色 特征足够丰富优先采用颜色相似性策略,反之尝试曲率相似性策略。通过特征点提取精简点云 模型,利用确定的对应点选择策略选择候选对应点对。在候选对应点对上采用优化样本一致性 算法获得初始配准变换矩阵,实现两片点云的初始配准。针对不同颜色纹理的 RGBD 点云模型, 本文方法可以自适应选择合适的特征点选择策略,实现点云间良好的初始配准。实验结果表明, 对于几何特征不明显的 RGBD 模型,本文方法能够自适应选择颜色相似性策略来较好地完成初 始配准。对于不同类型的模型配准结果较好,算法效率更高。     

基于重叠域采样混合特征的点云配准算法

针对部分重叠的两片点云配准效率低、误差大等问题,提出了一种基于重叠域采样混合特征的点云配准算法。首先,通过编码和特征交互的方式预测每个点的重叠分数,获得更丰富的点云特征。其次,提取重叠点的局部几何特征,基于重叠分数和点特征的显著性保留重叠关键点。最后,利用重叠关键点的几何信息和空间信息构建混合特征矩阵,计算矩阵的匹配相似度,采取加权奇异值分解运算得到配准结果。实验结果表明,该方法具有较强的泛化能力,能在保证配准效率的同时显著提升点云配准精度。     

三维点云配准中的计算智能方法综述

随着三维数据采集设备的成熟与普及,由激光雷达、结构光传感器和立体相机等设备采集的点云数据引起了广泛关注,并以此研究出针对点云的配准、分类、分割和跟踪等算法,推动了点云相关研究领域的科研进展。点云配准是点云数据处理的一个重要研究方向,旨在找到一个刚性变换运动参数,使得运动参数作用于源点云后能够与参考点云对齐。传统的点云配准方法大多存在着对初始位姿、异常值敏感等问题,而计算智能方法在处理点云配准问题,例如去除孤立点或求解矩阵时可以有效解决这些问题,并且能够适用于点云重叠程度低的情况,表现出较强的鲁棒性和泛化性。这种方法不依赖于问题本身特性,也不需要建立精确的模型,只需要求出替代真值解的近似解,大幅简化了计算量。在计算智能中,深度学习因其强大的学习能力越来越多地应用于点云配准问题,同时由于进化计算的强大全局搜索能力以及模糊逻辑对不确定性的良好适应能力,许多研究也将这两种方法应用于配准问题。本文对点云配准领域中的计算智能方法进行全面讨论,分别从基于深度学习、进化计算和模糊逻辑的点云配准方法这 3 个方面展开论述,同时对传统的点云配准方法进行简要介绍,并对各种方法的优缺点进行了详细讨论,旨在以更全面、清晰的方式总结点云配准问题上的相关研究。     

基于区域分割的低覆盖点云配准算法

针对低覆盖点云配准的时间复杂度高、收敛速度缓慢以及对应点匹配易错等问题,提出一种基于区域分割的点云配准算法。首先,利用体积积分不变量计算点云上点的凹凸性,并提取凹凸特征点集;然后,采用基于混合流形谱聚类的分割算法对特征点集进行区域分割,并采用基于奇异值分解（SVD）的迭代最近点（ICP）算法对区域进行配准,从而实现点云的精确配准。实验结果表明,所提算法通过区域分割可以大幅提高点云区域的覆盖率,并且无需迭代即可计算刚体变换的最佳旋转矩阵,其配准精度比已有算法提高了10%以上,配准时间降低了20%以上。因此,所提算法是一种精度高、速度快的低覆盖点云配准算法。     

飞行时间3维相机的多视角散乱点云优化配准

针对目前基于飞行时间(TOF)原理的3维相机实现物体完整表面的3维点云重建过程中,多视角散乱点云配准精度低的问题,提出一种优化配准方法。该方法通过构建一个目标功能函数,并结合相邻点云的转换矩阵对该目标函数进行最小化求解,直接获取任意位置的点云到基准点云所处坐标系的绝对转换矩阵,避免了对连续点云之间的配准而引起误差的累加。对不同的物体进行实验,实验结果表明,该方法在保证点云配准速度的同时,提高了多视角点云配准的精度,物体点云模型重建效果较好,有利于实现后期3维曲面网格的重建。     

基于Kinect的点云配准方法

Kinect采集的点云存在点云数量大、点云位置有误差,直接使用迭代最近点(ICP)算法对点云进行配准时效率低.针对该问题,提出一种基于特征点法向量夹角的改进点云配准算法.首先使用体素栅格对Kinect采集的原始点云进行下采样,精简点云数量,并使用滤波器移除离群点.然后使用SIFT算法提取目标点云与待配准点云公共部分的特征点,通过计算特征点法向量之间的夹角调整点云位姿,完成点云的初始配准.最后使用ICP算法完成点云的精细配准.实验结果表明,该算法与传统ICP算法相比,在保证点云配准精度的同时,能够提高点云的配准效率,具有较高的适用性和鲁棒性.     

面向RGBD深度数据的快速点云配准方法

目的 真实物体的3维重建一直是计算机图形学、机器视觉等领域的研究热点。针对基于RGBD数据的非匀速非固定角度旋转物体的3维重建问题,提出一种利用旋转平台重建物体3维模型的配准方法。方法 首先通过Kinect采集位于旋转平台上目标物的深度数据和颜色数据,对齐融合并使用包围盒算法去除背景噪声和不需要的外部点云,获得带有颜色信息的点云数据。并使用基于标定物不同角度上的点云数据标定出旋转平台中心轴的位置,从而获得Kinect与旋转平台之间的相对关系;然后通过曲率特征对目标点云进行特征点提取并寻找与相邻点云的对应点;其中对于特征点的选取,首先针对点云中的任意一点利用kd-tree搜寻其k个邻近点,对这些点进行曲面拟合,进而计算其高斯曲率,将高斯曲率绝对值较大的n个点作为点云的特征点。n的取值由点云的点个数、点密度和复杂度决定,具体表现为能反映物体的大致轮廓或表面特征信息即可。对于对应点的选取,考虑到欧氏距离并不能较好反映点云中的点对在旋转过程中的对应关系,在实际配准中,往往会因为点云重叠或距离过远等原因找到大量错误的对应点。由于目标物在扫描过程中仅绕旋转轴进行旋转,因此采用圆弧最小距离寻找对应点可有效减少错误点对。随后,使用二分迭代寻找绕中心轴的最优旋转角度以满足点云间的匹配误差最小;最后,将任意角度获取的点云数据配准到统一的坐标系下并重建模型。结果 使用斯坦福大学点云数据库和自采集数据库分别对该方法和已有方法在算法效率和配准结果上进行对比实验,实验结果显示在拥有平均75 000个采样点的斯坦福大学点云数据库上与传统ICP算法和改进ICP算法相比,迭代次数分别平均减少86.5%、57.5%,算法运行时间分别平均减少87%、60.75%,欧氏距离误差平方和分别平均减少70%、22%;在具有平均57000个采样点的自采集点云数据库上与传统ICP算法和改进ICP算法相比,迭代次数分别平均减少94%、75%,算法运行时间分别平均减少92%、69%,欧氏距离误差平方和分别平均减少61.5%、30.6%;实验结果显示使用该方法进行点云配准效率较高且配准误差更小;和KinectFusion算法相比在纹理细节保留上也表现出较好的效果。结论 本文提出的基于旋转平台标定的点云配准算法,利用二分迭代算法能够有效降低算法复杂度。与典型ICP和改进的ICP算法的对比实验也表明了本文算法的有效性。另外,与其他方法在具有纹理的点云配准对比实验中也验证了本文配准方法的优越性。该方法仅采用单个Kinect即可实现对非匀速非固定角度旋转物体的3维建模,方便实用,适用于简单快速的3维重建应用场合。     

一种无标记点三维点云自动拼接技术

基于相位投影和双目的三维光学测量系统已经广泛应用于各领域.受投影光测量系统单次测量范围大小的限制,对大型物体的测量需要在表面粘贴圆形标记点进行多次拼接的缺点,探讨一种基于SIFT的无标记点自动拼接技术.该技术采用SIFT方法获取两次测量的特征点,其次结合RANSAC求出图像特征点的匹配关系,再根据立体匹配中图像特征点与三维点云之间的对应关系,将二维特征点的对应关系映射到三维点云的对应关系上,最后由SVD奇异值分解算法求得旋转和平移矩阵实现拼接.实验证明:该方法可以避免在被测量对象上粘贴标记点,能够快速准确地实现自动拼接.     

基于局部特征的点云配准算法

针对覆盖率较低的点云,提出一种基于局部特征的点云配准算法。首先提取点云 的局部深度、法线偏角和点云密度等局部特征,得到局部特征描述子;然后计算局部特征集的 相关性,得到相关候选点集;再次通过删减外点达到点云粗配准的目的;最后采用基于旋转角 约束和动态迭代系数的改进迭代最近点(ICP)算法,实现点云的细配准。实验结果表明,基于局 部特征的点云配准算法可以实现覆盖率较低点云的精确配准,是一种精度高、速度快的点云配 准算法。     

基于平移域估计的点云全局配准算法

针对迭代最近点(ICP)算法需要两幅点云具有良好的初始位置,否则易陷入局部最优的问题,提出了一种基于平移域估计的点云全局配准算法。首先分别计算数据点云和模型点云的去模糊主方向点云,利用两者平行于坐标轴的包围盒估计平移域范围;其次利用改进的全局ICP算法在估计出的平移域和[-π,π]³的旋转域中进行全局搜索配准。该算法可以根据待配准点云自适应地估计平移域的大小,进行全局自动配准,配准过程中不需要计算点云的特征信息,所需设置的参数少,对点云的初始位置没有要求。实验结果表明,所提算法能够获取全局优化的精确的配准结果,同时提高了全局配准的效率。     

基于面部特征点的单幅图像人脸姿态估计方法

针对目前基于学习的姿态估计方法对训练样本及设备要求较高的问题,提出一种基于面部特征点定位的无需训练即能估计单幅图像中人脸姿态的方法。通过Adrian Bulat人脸特征点定位器和Candide-3构建稀疏通用人脸模型并获得五官特征点,确定模型绕Z轴的旋转范围及搜索步长,在指定Z轴旋转角度下,使用修正牛顿法通过模型的旋转、平移及缩放变换对齐模型和图像中人脸五官角点,得到该角度下模型绕X轴、Y轴的旋转角度及绕Z轴候选角度下的损失函数值,根据最小损失函数值确定人脸绕3个轴旋转的最佳值。实验结果表明,该方法能够快速估计自遮挡的大姿态角度人脸,在公共人脸库Multi-PIE、BIWI和AFLW上的平均误差分别为3.79°、4.37°和6.04°,明显高于同类人脸姿态估计算法,具有较好的实用性能。     

一种高程相关的机载LiDAR点云配准方法

针对现有配准方法难以提取大范围机载LiDAR点云特征信息的问题,提出了一种基于2片待配准机载LiDAR点云高程数据相关的点云自动配准方法。首先,将待配准点一定范围内的点云拟合局部曲面;然后,在另一点云片中确定搜索区域,利用拟合结果求解搜索区域内的点云在拟合曲面上的高程;最后,通过计算拟合高程与实际高程的相关系数,选择搜索区域内相关系数最大位置作为配准的关键点参与点云配准,反复迭代直到完成配准。文章用实际采集的机载LiDAR数据进行了实验分析,并与传统的ICP算法进行了对比。实验结果表明,该方法在配准精度上能达到较高的水准,能够满足机载LiDAR点云配准的要求。     

基于曲率信息的人工蜂群点云配准算法

针对仅使用群智能优化算法及点云空间信息进行点云配准时,优化过程寻找两片点云对应点耗时较长,收敛速度较慢的缺点,提出一种基于曲率信息的人工蜂群点云配准算法。算法根据曲率信息提取特征点,通过改进人工蜂群算法优化目标函数得到可以使两片点云重合的最佳变换矩阵。在种群优化过程中根据曲率信息约束对应点寻找范围,缩小参与计算点云的规模。对比实验表明,与仅采用随机选点方法和使用点云空间坐标信息的配准算法等相比,所提出算法可以在不降低配准精度的同时,有效加快配准收敛速度,显著缩短点云配准所用时间。     

基于特征点和改进ICP的三维点云数据配准算法

在光学非接触三维测量中,复杂对象的重构需要多组测量数据的配准。最近点迭代(ICP)算法是三维激光扫描数据处理中点云数据配准的一种经典的数学方法,为了获得更好的配准结果,在ICP算法的基础之上,提出了结合基于特征点的等曲率预配准方法和邻近搜索ICP改进算法的精细配准,自动进行点云数据配准的算法,经对牙齿点云模型实验发现,点云数据量越大,算法的配准速度优势越明显,采用ICP算法的运行时间(194.58 s)远大于本算法的运行时间(89.13 s)。应用实例表明:该算法具有速度快、精度高的特点,算法效果良好。     

基于点云配准的人脸三维尺寸测量

接触式人脸三维尺寸测量易损坏表面特征,依赖于特征点标定,常含冗余信息.针对该问题,提出一种基于结构光与多视图图像点云配准的非接触式人脸三维尺寸测量方法.首先利用改进的迭代最近点算法建立转换函数,求出尺度因子、旋转矩阵和平移向量;然后基于模糊C均值算法对人脸面部进行聚类分割以获得候选区域;针对人脸表面离散点云不平整问题,...