基于弧长密度的自动邻域半径鉴别FPFH提取算法

在快速点特征直方图(FPFH)的特征计算过程中,需要人工多次选择邻域半径,计算过程复杂且效率较低。针对该问题,提出基于弧长密度的自动邻域半径鉴别FPFH特征提取算法。给出点云弧长密度的计算方法,依据弧长密度估算多对点云的邻域半径,以提取FPFH特征并完成采样一致性初始配准,确定配准性能最优的半径与弧长密度值。在此基础上,使用最小二乘法拟合邻域半径与弧长密度之间的函数表达式,并与FPFH特征提取算法结合得到自动邻域半径鉴别FPFH特征提取算法。实验结果表明,该算法可根据点云弧长密度自动鉴别出合适的邻域半径,运算速度较快。     

改进的采样一致性点云配准算法

为解决传统迭代最近点(iterativeclosestpoint,ICP)算法存在配准效率低等问题,提出一种改进的采样一致性点云配准算法。通过自适应体素网格滤波法对点云进行处理,可以根据点云量级自动修改体素立方体大小,剔除偏差较大的噪点,降低点云数据量级;在快速点特征直方图(fastpointfeatureshistogram,FPFH)中引入距离的二次函数,降低远距离邻域点的权值,提高近距离邻域点的权值。运用公开数据集Bunny点云数据进行实验的结果表明,该算法相对于传统点云配准算法的配准精度提升了54.65%,配准效率提升了39.39%。运用多组数据验证了该算法的有效性。     

一种应用于大角度变换点云的配准方法

针对传统配准法不能很好解决大角度变换点云的配准这一问题,提出一种基于精 确对应特征点对及其 K 邻域点云的配准方法。首先分别计算两组点云的 FPFH 值,根据特征值 建立点云间的对应关系;然后通过 RANSAC 滤除其中错误的匹配点对,得到相对精确的特征点 对集合;之后通过 KD-tree 搜索的方式分别找出特征点对 R 半径邻域内的点,应用 ICP 算法得 到两部分点云的最优收敛;最后将计算得到的相对位置关系应用到原始点云上得到配准结果。 通过对斯坦福大学点云库中 Dragon、Happy Buddha 模型以及 Kinect 采集的石膏像数据进行配 准和比较,实验表明该方法能够有效解决大角度变换点云的配准问题,是一种具有高精度和高 鲁棒性的三维点云配准方法。     

一种基于降采样后关键点优化的点云配准方法

针对工件点云数据多而导致点云配准耗时长的问题,提出一种基于降采样后关键点优化的点云配准方法。计算点云若干体素的重心,利用kd-tree快速遍历重心的邻近点来代替该体素;提出自适应的点云平均距离计算方法,对降采样后的点云提取ISS3D关键点,并采用基于球邻域的边界点判断方法对其优化;对优化后的关键点进行FPFH特征描述,利用SAC-IA求解近似变换阵,使用ICP算法精配准而解得工件的精确位姿信息。实验结果表明,相较于其他四种配准算法,配准精度分别提高了96.9%、98.1%、93.3%和3.5%,配准速度分别提高了77.2%、77.7%、76.9%和85.4%,表明了该方法的有效性。     

大型工件部分点云与整体点云的配准方法

部分点云与整体点云的高效、高精度配准是完成大型工件尺寸快速评价工作的基础,但由于部分点云和整体点云全局特征的差异性,使用现有的局部特征描述符进行点对匹配搜索计算量大,点云配准耗时长.为此,针对部分点云与全局点云的几何特征,提出一种基于区域均值特征描述符的部分点云与整体点云配准方法.首先提出一种区域均值特征描述符,能够有效地描述点云中关键点的邻域几何特征;然后通过评价点云区域均值特征描述符的特征度选择数据点作为待配准关键点,搜索与之匹配的描述符,完成部分点云与整体点云的关键点匹配;最后使用奇异值分解法计算点云之间的转换矩阵,基于迭代最近点算法完成部分点云与整体点云的配准.利用斯坦福公共数据库点云集和大型发动机舱段的三维扫描点云数据,对配准算法的配准准确度和配准速度进行实验的结果表明,与现有的几种基于局部特征描述符(PFH,HoPPF,PPFH,FPFH)的点云配准方法相比,所提方法配准准确度平均提高56.75%,配准速度平均提高45.57%,验证了该方法的有效性.     

一种邻域自适应的双阈值点云特征提取方法

点云数据的特征提取是点云数据处理环节中的一项重要内容,对几何分析、数据分割、点云配准、模型重建等研究起关键作用。研究了基于法向量和曲率的点云特征提取技术,阐明了特征提取过程中邻域选取与单一参数计算存在的问题,提出了邻域自适应的双阈值点云特征提取方法。通过实验对比了该算法与基于曲率的特征提取算法的提取效果,验证了本算法的稳定性、准确性。该算法对于几何特征复杂的点云具有较好的提取效果,对提高点云特征点提取的精度及效率具有重要的意义。     

基于相对几何不变性的点云粗配准算法研究

针对目前点云在大数据量下的自动配准算法计算效率低下,粗配准初值匹配稳定性差,参数难以设置等问题,提出一种基于匹配对间相对几何不变性特点的快速粗配准算法。通过点云邻域特征值筛选一定量的关键点,利用快速点特征直方图（fast point feature histogram,FPFH）描述子初步获取最邻近匹配对;通过点云特征的对称候选寻点策略及两组正确匹配对在源点云与目标点云对应边的2-范数比例不变的特性获取精确的匹配对;利用奇异值分解算法（singular value decomposition,SVD）求解配准目标函数。实验表明,算法策略合理可靠,参数设置相对简易,具有显著的效率及稳定性优势,能够为后续精配准提供稳定精确的初始参数。     

改进的基于FPFH特征配准点云的方法

ICP(Iterative Closest Point)算法是点云配准中最常用的算法,而点云的FPFH(Fast Point Feature Histograms)特征可在点云配准中为其提供初始匹配信息。针对该方法的初始匹配中距离测度等问题,提出一种改进的基于FPFH特征配准点云的方法。点云配准时首先计算2个点云的点的FPFH特征之间的巴氏距离,以k-d树检索巴氏距离最小的对应点,然后利用奇异值分解计算初始转换矩阵,进行ICP算法精细匹配,求得最终变换矩阵。实验结果表明,改进的基于FPFH特征配准点云的方法能为ICP算法提供良好的初始变换矩阵,在同等迭代次数下该方法具有更高的精度。     

基于多核并行和动态阈值的点云配准算法

针对点云配准中存在错误匹配点对、精度不高等问题,提出一种基于多核并行和动态阈值的点云配准算法。该算法采用改进的SAC-IA算法进行点云粗配准,利用OpenMP实现点云查询点的法向量、FPFH等特征的并行加速提取以及对应点对的并行查找,从而使整个配准算法的速度得到保持甚至提升。在点云精配准阶段,使用改进的ICP算法进行精配准,改进点着眼于错误对应点对的剔除及其阈值的动态确定,即以配准点重心作为参照点,按照动态阈值,使用点对距离约束剔除错误对应点对。实验结果表明,本文算法在提升配准精度的情况下,配准速度也得到了提升。     

基于邻域几何特征约束的植株三维形态配准方法研究

为提高不同角度多次测量得到的植株点云配准速度和精度,提出一种基于植株点云邻域几何特征约束改进的三维形态配准方法。首先,针对点云量大并缺少拓扑信息,选取关键点集并估计其中每个点的支撑邻域来拟合出支撑曲面,进一步计算出邻域几何特征。其次,采用特征相似度的方法实现点云的初始配准。最后,在初始配准的基础上,加入两个新的夹角几何特征约束匹配点对改进ICP算法进行配准优化。利用bunny、兵马俑模型点云对算法的精度和通用性进行测试,并在实际应用中验证了配准效果和算法鲁棒性。结果表明,与传统的特征配准方法相比,该方法配准速度提高约10%以上,精确配准误差约为传统算法误差的1%。     

基于 FPFH 特征提取的散乱点云精简算法

针对原始点云模型中存在大量冗余数据问题,提出一种基于快速点特征直方图(FPFH)特征提取的点云精简算法,有效兼顾了特征信息保留和整体完整性。算法首先查找并保留原始模型的边缘点;然后计算非边缘点的 FPFH 值,由此得到点云的特征值,并进行排序且划分出特征区域和非特征区域,保留特征区域内的点;最后将非特征区域划分为 k 个子区间,对每个子区间用改进的最远点采样算法进行采样。将该算法与最远点采样算法、非均匀网格法、k-means 算法和自适应曲率熵算法进行对比实验,并用标准化信息熵评价方法对精简后的点云进行评价,实验表明其优于其他精简算法。此外,可视化结果也表明,该算法能够在保证精简模型完整性的同时,较好地保留住点云大部分特征信息。     

基于领域知识的3维动态场景目标识别和配准

为了增强遥操作系统的临场感,使操作者更好地融入远程工作环境,提出了基于领域知识的3维动态场景目标识别和配准算法.首先,通过离线解析和切分虚拟样机CAD（计算机辅助设计）模型构建包含多视角点云特征和装配约束的领域知识库.其次,通过动态采集场景点云并计算CVFH（clustered viewpoint feature histogram）和FPFH（fast point feature histogram）特征,利用领域知识库中多视角点云特征和点云CVFH特征进行比对实现目标识别,并由FPFH特征经过两步配准实现目标姿态确定.最后,利用装配约束知识库实现以遥操作机器人工作状态变化为驱动的指导信息的精确配准和实时推送.实验结果表明,该系统不但可以有效地指导远程机器人完成维修操作,还可以提高遥操作的精度和效率.     

基于邻域曲率的低特征辨识度点云配准方法

在对特征辨识度低的点云进行配准的过程中,传统的基于局部特征提取和匹配的方法通常精度不高,而基于全局特征匹配的方法精度和效率也难以保证。针对这一问题,提出一种改进的局部特征配准方法。在初步配准阶段,设计了一种基于法向量投影协方差分析的关键点提取方法,结合快速特征直方图(FPFH)对关键点进行特征描述,定义多重匹配条件对特征点进行筛选,最后将对应点的最近距离之和作为优化目标进行粗匹配;在精配准阶段,采用以点到平面的最小距离作为迭代优化对象的改进迭代最近点(ICP)算法进行精确配准。实验结果表明,在配准特征辨识度低的点云时,相较于其他三种配准方法,该方法能保持高配准精度的同时降低配准时间。     

基于动态网格k邻域搜索的激光点云精简算法

由非接触式扫描方法获得的点云数据存在大量的冗余点,为便于模型重构, 提出一种新的基于动态网格k邻域搜索的点云精简方法.首先,对点云进行k邻域搜索,在k邻域搜索过程中采用动态网格的方法快速寻找k邻域点;然后,根据数据点的k邻域计算点的曲率、点与邻域点法向夹角的平均值、点与邻域点的平均距离,并利用这3个参数定义特征判别参数和特征阈值,比较大小,对特征点进行提取;最后,利用包围盒法对非特征点进行二次精简,将精简后的点云与特征点拼接,实现精简目的.实验结果表明,所提出方法与其他k邻域搜索方法相比,提高了计算效率,并且将特征提取与二次精简方法相结合,既可保留模型的几何特征,又能避免空洞区域的产生,在精度和速度上都取得了较好的效果.     

基于特征点提取的三维点云模型水印算法

为了有效提高三维水印的透明性、抗噪能力和水印提取准确度,针对三维网格中不固定点云数据,提出一种基于局部特征点提取的三维点云模型水印算法。根据协方差分析提取出三维模型初始特征点,以初始特征点为核心,在它K近邻邻域中,构建不跨越区域最小三角形为嵌入单元的底面,将剩余顶点按照升序排列,寻找合适的嵌入顶点,构建局部嵌入单元,通过改变嵌入顶点信息来嵌入水印。其中通过顶点在平面投影产生的夹角确定水印索引值,实现盲水印。算法通过保留特征点信息,改变非特征点嵌入水印信息能有效提高透明性和抗噪能力,通过限制嵌入单元区域提高水印提取准确率,同时实现了盲水印检测。     

基于多重特征匹配的点云配准算法

针对最近点迭代（ICP）算法搜索匹配点对规则单一、准确度低的问题,提出一种基于多重特征匹配的点云配准算法。首先采用改进自适应八叉树算法分割点云,通过移动最小二乘法（MLS）对其叶节点进行局部拟合后,计算点的多重特征;然后提出了基于多重特征的点对相似度,选取满足相似度约束的点对作为匹配点对,进而求取旋转矩阵和平移矩阵实现点云配准。实验表明,该算法能在保持点云配准速度较高的基础上,有效提升配准的准确度,且准确度的提升幅度随着点集数量的增大呈升高趋势。