李琳璐

摘 要 文章使用斯坦福大學(xué)提供開發(fā)點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)中的“龍”數(shù)據(jù)作為模擬測(cè)試數(shù)據(jù)使用。針對(duì)模擬測(cè)試數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了一種雙向拼接法。并通過(guò)測(cè)試證明此算法對(duì)于提升連續(xù)采集的點(diǎn)云之間的拼接效果有很大作用。

關(guān)鍵詞 點(diǎn)云數(shù)據(jù)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接；PCL；雙向拼接算法

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）225-0110-02

通過(guò)激光掃描技術(shù)可以快速方便地獲取地物的三維點(diǎn)坐標(biāo)，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后制作成虛擬模型。在實(shí)際運(yùn)用中，由于現(xiàn)實(shí)條件限制，對(duì)一個(gè)地物的掃描經(jīng)常需要分幾次進(jìn)行，每一次掃描地物的一部分，每次的掃描結(jié)果處于不同的坐標(biāo)系。因此，為了獲得物體最后的三維模型，必須將這些處于不同坐標(biāo)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確而高效地拼接到同一個(gè)坐標(biāo)系中。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理需求分析

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波

由于濾波需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行針對(duì)性分析，故在算法分析中不對(duì)濾波進(jìn)行深入討論。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

項(xiàng)目對(duì)于精簡(jiǎn)有兩部分要求，不能影響直接觀察的效果，但也無(wú)需保留過(guò)多細(xì)節(jié)，滿足特定分辨率即可。要求去除所有對(duì)粗拼接沒(méi)有幫助點(diǎn)，僅保留粗拼接過(guò)程中可能會(huì)用到的點(diǎn)。

1.3 粗拼接

粗拼接需要將不同的坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，使其圖形大致重合，為精確拼接提供良好初值，使其可以設(shè)定較低的閾值提高精度，并防止其陷入局部極值。

1.4 精確拼接

精確拼接需要將所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)緊密的拼接在一起，消除粗拼接中的偏差，形成一副完整的三維模型。

2 輸入數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析

2.1 連續(xù)性

模擬數(shù)據(jù)是將物體置于轉(zhuǎn)臺(tái)上由一臺(tái)固定位置的掃描儀在物體每轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后掃描一次獲得的。由此可知，在時(shí)間和空間上具有連續(xù)性。

2.2 無(wú)序性

模擬數(shù)據(jù)中，每一分?jǐn)?shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)之間是沒(méi)有拓?fù)潢P(guān)系，即點(diǎn)的分布是無(wú)序的，在處理前需要先建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.3 光滑度

模擬數(shù)據(jù)的采集條件比較好，數(shù)據(jù)噪聲點(diǎn)少，曲面較為光滑。

2.4 復(fù)雜度

模擬數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量小，需要拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)份數(shù)少，但細(xì)節(jié)復(fù)雜，精確度要求高。

3 整體算法設(shè)計(jì)

基于上文中所分析得出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn)，同時(shí)考慮到以數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)往數(shù)據(jù)量小的數(shù)據(jù)上進(jìn)行拼接的效果遠(yuǎn)不如使用數(shù)據(jù)量小的數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)往數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)上進(jìn)行拼接的效果，本項(xiàng)目提出了一種雙向拼接法，流程圖如圖1所示。

整體算法主要由兩個(gè)循環(huán)組成，程序首先讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)并按照時(shí)間順序存入數(shù)組中，然后進(jìn)入第一個(gè)循環(huán)進(jìn)行正向拼接，只有當(dāng)當(dāng)前點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含的點(diǎn)比上一副少時(shí)才將當(dāng)前點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接到上一副點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，否則不做任何操作。

每一次拼接過(guò)后都將獲得的轉(zhuǎn)換矩陣應(yīng)用在所有未處理完的矩陣上，以保證未處理完的矩陣之間相對(duì)位置不變，防止因?yàn)槠唇訉?dǎo)致相鄰點(diǎn)云數(shù)據(jù)的距離逐漸變遠(yuǎn)影響拼接效果。正向拼接結(jié)束后進(jìn)入第二個(gè)循環(huán)，第二個(gè)循環(huán)為從后往前逆向拼接，只有當(dāng)當(dāng)前點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含的點(diǎn)比上一副少時(shí)才將當(dāng)前點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接到上一副點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，否則不做任何操作。

每一次拼接過(guò)后都將轉(zhuǎn)換矩陣應(yīng)用在所有未處理完的矩陣上，這樣在第一次循環(huán)中完成拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)就會(huì)隨著第二次拼接中點(diǎn)云數(shù)據(jù)的移動(dòng)一起移動(dòng)，拼接到正確的位置。經(jīng)過(guò)兩次循環(huán)，就可以得到所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接結(jié)果及其變換矩陣，將其保存后程序結(jié)束。

算法合理利用了輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)的連續(xù)性，每次拼接都只在相鄰兩幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間進(jìn)行，避免了間隔點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間重合率不足導(dǎo)致拼接效果降低的情況出現(xiàn)，同時(shí)保證了每次拼接結(jié)束后，未處理完的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間相對(duì)位置不變，防止了因?yàn)槠唇拥南群箜樞驅(qū)е碌乃惴ǔ踔底兓绊懫唇咏Y(jié)果。

而每個(gè)方向的拼接過(guò)程中，只處理當(dāng)前點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含的點(diǎn)的數(shù)量比上一副少的情況，一方面使每次拼接都是小的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接向大點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高了精度，另一方面，避免了增加額外的拼接次數(shù)導(dǎo)致程序運(yùn)行效率降低。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試雙向拼接法對(duì)拼接結(jié)果的作用，觀察到，未使用雙向拼接算法的拼接效果非常差，部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)的位置存在很大誤差，而使用雙向拼接法之后所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都很好的拼接在了一起?？梢缘贸鼋Y(jié)論，雙向拼接法對(duì)于提升連續(xù)采集的點(diǎn)云之間的拼接效果有很大作用。

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