专利名称：光学三维测量中多视点云数据的全局优化配准方法
技术领域：
本发明属于数字图像处理技术领域，具体涉及一种光学三维测量中多视点云数据 的全局优化配准方法。
背景技术：
光学三维测量是信息光学研究的前沿技术，具有非接触、无破坏、数据获取速度 快、操作简单等优势，因此，光学三维测量技术在机器视觉、自动加工、工业在线检测、产品 质量控制、实物仿形、生物医学等领域得到广泛的应用。但是，受测量环境、被测物体和测量 设备本身的限制，单次测量只能获得被测物体有限区域的数据，要得到被测物体轮廓的完 整数据需要通过变换不同的测量角度进行多次测量，也称多视测量。由于每次测量角度的 变化，导致得到的多视测量数据无法直接统一到一个坐标系下，将多个视点的测量数据统 一到同一坐标系下这一过程称之为配准。目前，实现配准主要采用以下几种方法
(1)、提取形状特征法从测得的多视点云数据中提取相应的曲率或形状等特征，利用 这些特征实现多视数据的配准。但这一过程运算量大、运算速度慢、运算精度低，而且，有些 待测物体特征不明显，因此，采用这一方法对待测物体进行三维测量有很大的局限性，可靠 性没有保证。(2)、辅助装置测量法借助关节臂、运动平台等辅助装置检测被测物体与测量设 备之间的相对运动，直接获得多视数据间的坐标变换关系。但是，辅助装置的使用不仅提高 了整个测量系统的成本，而且增加了其复杂度。并且测量系统的工作范围受限制，无法对较 大型被测物体进行三维测量。(3)、特征标记点配准法在被测物体表面做出特征标记点，为实现两组测量数据 在同一坐标系下进行坐标统一，要保证至少三个公共特征标记点在两次测量中能够被识别 出来。但是，受到观测角度的影响，多次测量同一公共标志点时，对公共标记点的识别存在 一定的偏差，导致出现误差传递，使配准的结果具有累积误差。
发明内容
本发明的目的是为解决特征标记点测量法中对公共标记点的测量存在偏差的问 题，提供了一种光学三维测量中多视点云数据的全局优化配准方法。本发明是通过下述方案予以实现的，光学三维测量中多视点云数据的全局优化配 准方法，所述方法基于一个包括有采集装置和计算机控制装置的硬件系统平台，待测物体 上粘贴有标记点作为待测物体特征标记点，计算机控制装置控制采集装置分别从N个视点 采集待测物体的测量数据信息，获得N组待测物体的二维测量数据，从中提取出N组待测物 体特征标记点的二维测量数据，将其恢复为N组待测物体特征标记点的三维测量数据，其 中，N为采集装置采集待测物体的视点数目，且N为大于1的整数；
N个视点采集的待测物体特征标记点的三维测量数据进行配准的方法 将第一个视点作为目标视点，第二个视点作为待转换视点，从目标视点的待测物体特征标记点的三维测量数据及待转换视点的待测物体特征标记点的三维测量数据中识别出 M1个待测物体公共特征标记点，所述目标视点的待测物体公共特征标记点的三维测量数据 作为目标数据，所述待转换视点的待测物体公共特征标记点的三维测量数据作为待转换数 据；
进行数据配准的过程为将待配准数据向目标数据进行配准，获得配准结果数据，将这 个配准结果数据作为下一次配准的目标数据；
选择第i个视点作为待转换视点，从目标视点的待测物体特征标记点的三维测量数据 及待转换视点的待测物体特征标记点的三维测量数据中识别出Mi个待测物体公共特征标 记点，所述待转换视点的待测物体公共特征标记点的三维测量数据作为待转换数据，然后 重复上述数据配准过程，直到所有视点都作为待转换视点完成数据配准为止，其中，i=3、 4、……N，MpMi为大于2的整数;
所述的将待配准数据向目标数据进行配准的方法具体为
步骤一、根据待配准数据及目标数据，计算机控制装置计算出将Mi个公共特征标记点 从待配准数据向目标数据进行配准时的旋转矩阵和平移向量，将所述的旋转矩阵以单位四 元数的形式存储，且单位四元数的实数分量为正，单位四元数与平移向量构成坐标变换向 量；
步骤二、根据待配准数据及目标数据，将Mi个公共特征标记点的待配准数据投影到目 标视点所对应的平面上，获得Mi个投影图像公共特征标记点的二维坐标，令一个投影图像 公共特征标记点的二维坐标为查，
该公共特征标记点在目标视点的二维测量数据的坐标为X，将步骤一中获得的坐标变换向 量作为待优化的坐标变换向量,
步骤三、根据成像原则，投影图像公共特征标记点的二维坐标、与待优化的坐标变换 向量的关系表示为i =n Pn )，计算公共特征标记点在目标视点的二维测量数据的坐标
为X与投影图像公共特征标记点的二维坐柠力Z间的偏差为e = 到，其中，/(·)为投 影函数；
步骤四、判断步骤三中所述的偏差e是否在预先设定的允许偏差范围内，判断结果为 是，执行步骤六，判断结果为否，执行步骤五；
步骤五、利用光束平差法计算待优化的坐标变换向量的变化量 ，修正待优化的坐标 变换向量4 ,修正后的待优化的坐标变换向量ft =A)+4，并将所述的修正后的待优化的 坐标变换向量Λ定义为待优化的坐标变换向量A，返回步骤三；
步骤六、将待优化的坐标变换向量定义为优化后的坐标变换向量P ,执行步骤七；
步骤七、根据步骤六中获得的优化后的坐标变换向量P ,将待配准数据进行配准，得到 配准结果数据。本发明中所述的识别出的M个公共特征标记点的个数至少为3，用以保证能够实 现多组测量数据的坐标统一。本发明步骤三中所述的单位四元数的实数分量为正，采用本发明所述的限定方式能够保证四元数表示的旋转矩阵与原旋转矩阵的一一对应的关系，原旋转矩阵表示法在运 算过程中，旋转矩阵的三角函数存在多值性和奇异性，易导致迭代计算的次数增加，甚至会 出现不收敛的情况。本发明所述的全局优化配准方法将特征标记点配准法与光束平差法进行结合，在 每两组测量数据的配准过程中，均对公共标记点的测量偏差进行消除，使其在允许的范围 内，进而达到减小在多视点测量数据的配准过程中，由于误差传递产生的累积误差。采用 本发明所述的方法不增加系统的复杂度，仅在原有光学三维测量系统基础上利用三维特征 标志点计算坐标变换的初始值，利用光束平差法精确的计算坐标变换向量和三维标志点坐 标。本发明具有运算量小、可靠性高、测量范围不受限制、测量方法简单易于实现等优势。
图1是具体实施方式
一所述的将待配准数据向目标数据进行配准的方法的流程 图；图2是具体实施方式
四所述的利用光束平差法计算待优化的坐标变换向量的变化量I 的方法的流程图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1具体说明本实施方式。光学三维测量中多视点云 数据的全局优化配准方法，所述方法基于一个包括有采集装置和计算机控制装置的硬件系 统平台，待测物体上粘贴有标记点作为待测物体特征标记点，计算机控制装置控制采集装 置分别从N个视点采集待测物体的测量数据信息，获得N组待测物体的二维测量数据，从中 提取出N组待测物体特征标记点的二维测量数据，将其恢复为N组待测物体特征标记点的 三维测量数据，其中，N为采集装置采集待测物体的视点数目，且N为大于1的整数；
N个视点采集的待测物体特征标记点的三维测量数据进行配准的方法 将第一个视点作为目标视点，第二个视点作为待转换视点，从目标视点的待测物体特 征标记点的三维测量数据及待转换视点的待测物体特征标记点的三维测量数据中识别出 M1个待测物体公共特征标记点，所述目标视点的待测物体公共特征标记点的三维测量数据 作为目标数据，所述待转换视点的待测物体公共特征标记点的三维测量数据作为待转换数 据；
进行数据配准的过程为将待配准数据向目标数据进行配准，获得配准结果数据，将这 个配准结果数据作为下一次配准的目标数据；
选择第i个视点作为待转换视点，从目标视点的待测物体特征标记点的三维测量数据 及待转换视点的待测物体特征标记点的三维测量数据中识别出Mi个待测物体公共特征标 记点，所述待转换视点的待测物体公共特征标记点的三维测量数据作为待转换数据，然后 重复上述数据配准过程，直到所有视点都作为待转换视点完成数据配准为止，其中，i=3、 4、……N，MpMi为大于2的整数;
所述的将待配准数据向目标数据进行配准的方法具体为
步骤一、根据待配准数据及目标数据，计算机控制装置计算出将Mi个公共特征标记点 从待配准数据向目标数据进行配准时的旋转矩阵和平移向量，将所述的旋转矩阵以单位四 元数的形式存储，且单位四元数的实数分量为正，单位四元数与平移向量构成坐标变换向量；
步骤二、根据待配准数据及目标数据，将Mi个公共特征标记点的待配准数据投影到目 标视点所对应的平面上，获得Mi个投影图像公共特征标记点的二维坐标，令一个投影图像 公共特征标记点的二维坐标为S ,该公共特征标记点在目标视点的二维测量数据的坐标为
X，将步骤一中获得的坐标变换向量作为待优化的坐标变换向量A ；
步骤三、根据成像原则，投影图像公共特征标记点的二维坐标f与待优化的坐标变换
向量A的关系表示为i =f(P、、)，计算公共特征标记点在目标视点的二维测量数据的坐标
为χ与投影图像公共特征标记点的二维坐标为g之间的偏差为e = 到，其中，/(·)为投 影函数；
步骤四、判断步骤三中所述的偏差e是否在预先设定的允许偏差范围内，判断结果为 是，执行步骤六，判断结果为否，执行步骤五；
步骤五、利用光束平差法计算待优化的坐标变换向量的变化量4 ,修正待优化的坐标 变换向量凡，修正后的待优化的坐标变换向量ft =A)+4，并将所述的修正后的待优化的 坐标变换向量，(定义为待优化的坐标变换向量A ,返回步骤三；
步骤六、将待优化的坐标变换向量定义为优化后的坐标变换向量，执行步骤七；
步骤七、根据步骤六中获得的优化后的坐标变换向量P ,将待配准数据进行配准，得到 配准结果数据。本实施方式中所述的识别出的M个公共特征标记点的个数至少为3，用以保证能 够实现多组测量数据的坐标统一。本实施方式步骤一中所述的单位四元数的实数分量为正，采用本实施方式所述的 限定方式能够保证四元数表示的旋转矩阵与原旋转矩阵的一一对应的关系，原旋转矩阵表 示法在运算过程中，旋转矩阵的三角函数存在多值性和奇异性，易导致迭代计算的次数增 加，甚至会出现不收敛的情况。本实施方式所述的全局优化配准方法将特征标记点配准法与光束平差法进行结 合，在每两组测量数据的配准过程中，均对公共标记点的测量偏差进行消除，使其在允许的 范围内，进而达到减小在多视点测量数据的配准过程中，由于误差传递产生的累积误差。采 用本实施方式所述的方法不增加系统的复杂度，仅在原有光学三维测量系统基础上利用三 维特征标志点计算坐标变换的初始值，利用光束平差法精确的计算坐标变换向量和三维标 志点坐标。本实施方式具有运算量小、可靠性高、测量范围不受限制、测量方法简单易于实 现等优势。
具体实施方式
二本实施方式是对具体实施方式
一所述的光学三维测量中多视点 云数据的全局优化配准方法的进一步限定，所述的采集装置是CCD摄像头。
具体实施方式
三本实施方式是对具体实施方式
一所述的光学三维测量中多视 点云数据的全局优化配准方法的进一步限定，步骤一中，所述的旋转矩阵是一个3X3的矩 阵，所述的平移向量是一个3X1的向量，所述的单位四元数是一个4X1的向量，所述的由 单位四元数与平移向量构成的坐标变换向量是一个7X1的向量。
具体实施方式
四下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式是对具体实 施方式一所述的光学三维测量中多视点云数据的全局优化配准方法的进一步限定，步骤五
中，所述的利用光束平差法计算待优化的坐标变换向量的变化量 的方法为
步骤五一、在待优化的坐标变换向量A处，对于待优化的坐标变换向量的变化量， 将投影函数/Od+ 展开为一阶Taylor多项式
f (P0 + >/(P0HJS31 Bf(P0)
其中，为雅可比矩阵"^^，所述的投影函数,^+ ，即为修正后的待优化的坐
标变换向量Λ在平面上的投影；
步骤五二、计算公共特征标记点的目标数据的二维坐标χ与修 正后的待优化的坐标变换向量Λ在平面上的投影f (P0+ )的差值， Ilx-/(A) + 哪巧||=丨丨" || ；
步骤五三、为使得步骤五二中所述的丨>-/(A)+ )11最�。蛄钣隞正交，即 Jr(e-JSp) = O ；
步骤五四、整理步骤五三中的等式= O ,获得形式如下Zja = J^ ； 步骤五五、将步骤五四中获得的整理后的等式转换为增强型方程，(Jr J+^iyssi=Jrs
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其中，/为单位阵，私为单位阵系数，且私>0 ；
步骤五六、根据步骤七五中得到的增强型方程，待优化的坐标变换向量的变化量 为 Sp =-if J+ ulf f e。采用本实施方式所述的利用光束平差法计算待优化的坐标变换向量的变化量 的方法，具有计算量小、易于实现、可靠性高、无误差传递的优点。
具体实施方式
五本实施方式是对具体实施方式
四所述的光学三维测量中多视点 云数据的全局优化配准方法的进一步补充说明，步骤五中，还包括以下步骤
记录利用光束平差法计算待优化的坐标变换向量的变化量的运算次数，当所述的
运算次数超过预设值时，执行结束指令。本实施方式中利用光束平差法计算待优化的坐标变换向量的变化量 当计算 待优化的坐标变换向量的变化量&的运算次数超过预设值时，跳出循环。
权利要求
光学三维测量中多视点云数据的全局优化配准方法，所述方法基于一个包括有采集装置和计算机控制装置的硬件系统平台，待测物体上粘贴有标记点作为待测物体特征标记点，计算机控制装置控制采集装置分别从N个视点采集待测物体的测量数据信息，获得N组待测物体的二维测量数据，从中提取出N组待测物体特征标记点的二维测量数据，将其恢复为N组待测物体特征标记点的三维测量数据，其中，N为采集装置采集待测物体的视点数目，且N为大于1的整数；N个视点采集的待测物体特征标记点的三维测量数据进行配准的方法将第一个视点作为目标视点，第二个视点作为待转换视点，从目标视点的待测物体特征标记点的三维测量数据及待转换视点的待测物体特征标记点的三维测量数据中识别出M1个待测物体公共特征标记点，所述目标视点的待测物体公共特征标记点的三维测量数据作为目标数据，所述待转换视点的待测物体公共特征标记点的三维测量数据作为待转换数据；进行数据配准的过程为将待配准数据向目标数据进行配准，获得配准结果数据，将这个配准结果数据作为下一次配准的目标数据；选择第i个视点作为待转换视点，从目标视点的待测物体特征标记点的三维测量数据及待转换视点的待测物体特征标记点的三维测量数据中识别出Mi个待测物体公共特征标记点，所述待转换视点的待测物体公共特征标记点的三维测量数据作为待转换数据，然后重复上述数据配准过程，直到所有视点都作为待转换视点完成数据配准为止，其中，i=3、4、……N，M1、Mi为大于2的整数；其特征是所述的将待配准数据向目标数据进行配准的方法具体为步骤一、根据待配准数据及目标数据，计算机控制装置计算出将Mi个公共特征标记点从待配准数据向目标数据进行配准时的旋转矩阵和平移向量，将所述的旋转矩阵以单位四元数的形式存储，且单位四元数的实数分量为正，单位四元数与平移向量构成坐标变换向量；步骤二、根据待配准数据及目标数据，将Mi个公共特征标记点的待配准数据投影到目标视点所对应的平面上，获得Mi个投影图像公共特征标记点的二维坐标，令一个投影图像公共特征标记点的二维坐标为，该公共特征标记点在目标视点的二维测量数据的坐标为x，将步骤一中获得的坐标变换向量作为待优化的坐标变换向量；步骤三、根据成像原则，投影图像公共特征标记点的二维坐标与待优化的坐标变换向量的关系表示为=f()，计算公共特征标记点在目标视点的二维测量数据的坐标为x与投影图像公共特征标记点的二维坐标为之间的偏差为，其中，f(·)为投影函数；步骤四、判断步骤三中所述的偏差e是否在预先设定的允许偏差范围内，判断结果为是，执行步骤六，判断结果为否，执行步骤五；步骤五、利用光束平差法计算待优化的坐标变换向量的变化量，修正待优化的坐标变换向量，修正后的待优化的坐标变换向量，并将所述的修正后的待优化的坐标变换向量定义为待优化的坐标变换向量，返回步骤三；步骤六、将待优化的坐标变换向量定义为优化后的坐标变换向量，执行步骤七；步骤七、根据步骤六中获得的优化后的坐标变换向量，将待配准数据进行配准，得到配准结果数据。 645311dest_path_image001.jpg,850028dest_path_image002.jpg,672097dest_path_image001.jpg,527926dest_path_image002.jpg,147389dest_path_image003.jpg,839401dest_path_image002.jpg,966626dest_path_image001.jpg,113180dest_path_image004.jpg,464396dest_path_image005.jpg,643704dest_path_image002.jpg,810506dest_path_image006.jpg,375348dest_path_image007.jpg,913777dest_path_image002.jpg,86043dest_path_image002.jpg,555070dest_path_image008.jpg,725151dest_path_image008.jpg
2.根据权利要求1所述的光学三维测量中多视点云数据的全局优化配准方法，其特征 在于所述的采集装置是CXD摄像头。
3.根据权利要求1所述的光学三维测量中多视点云数据的全局优化配准方法，其特征 在于步骤一中，所述的旋转矩阵是一个3X3的矩阵，所述的平移向量是一个3X1的向量， 所述的单位四元数是一个4X1的向量，所述的由单位四元数与平移向量构成的坐标变换 向量是一个7X1的向量。
4.根据权利要求1所述的光学三维测量中多视点云数据的全局优化配准方法，其特征在于步骤五中，所述的利用光束平差法计算待优化的坐标变换向量的变化量&的方法 为步骤五一、在待优化的坐标变换向量A1处，对于待优化的坐标变换向量的变化量 ， 将投影函数/Ch展开为一阶Taylor多项式df C^n )其中，7为雅可比矩阵"^^，所述的投影函数" ，即为修正后的待优化的坐 Jdp0J (JjO +^fJ标变换向量办在平面上的投影；步骤五二、计算公共特征标记点的目标数据的二维坐标χ与修 正后的待优化的坐标变换向量在平面上的投影+ 的差值， Ilx--/(P0 + )IHlχ — /O0) + JS11 !HIe — JS Il ；步骤五三、为使得步骤五二中所述的II*-/(A)+4)11最�。蛄睢�-^^与j正交，即 Jr(e — JSp) = O ；步骤五四、整理步骤五三中的等式■/“-/今)=。，获得形式如下=Jre ； 步骤五五、将步骤五四中获得的整理后的等式转换为增强型方程，(JTJ + Ml)S =Jre 其中力单位阵，#为单位阵系数，且A'> Cl ;步骤五六、根据步骤五五中得到的增强型方程，待优化的坐标变换向量的变化量1为 δ --(Jr J -l· β )"1 Jre。
全文摘要
光学三维测量中多视点云数据的全局优化配准方法，属于数字图像处理技术领域，解决特征标记点测量法中对公共标记点的测量存在偏差的问题。数据配准过程为将待配准数据向目标数据进行配准，获得配准结果数据，将配准结果数据作为下一次配准的目标数据；选择第i个视点作为待配准视点，该视点的待测物体的二维测量数据作为待配准数据，然后重复上述数据配准过程，直到所有视点都作为待转换视点完成数据配准为止；配准过程中利用光束平差法计算待优化的坐标变换向量。本发明实现了光学三维测量中多视点云数据的全局优化配准，适用于待测物体三维测量。
文档编号G01B11/24GK101901502SQ20101025536
公开日2010年12月1日 申请日期2010年8月17日 优先权日2010年8月17日
发明者何万涛, 周波, 孟祥林, 赵灿 申请人:黑龙江科技学院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
