基于特征空间的兵马俑点云配准算法的研究与应用.pdf

摘要 点云配准技术在计算机辅助兵马俑虚拟复原、兵马俑智慧博物馆等项目中发挥着至 关重要的作用，配准结果的好坏甚至能影响整个项目的质量。文物的数字化是这些项目 首要工作。由于兵马俑文物本身的特殊性以及目前使用的三维扫描仪功能的限制，要经 过多次扫描才能获取到兵马俑的全部数据。要得到完整的兵马俑以及相关文物的模型， 就需要将局部坐标系中的点云模型统一到一个坐标轴下并配准成一个完成的点云模型， 这个过程依赖于三维点云的配准算法。本文提出的兵马俑点云配准算法是基于特征空间 的配准算法，包括初始配准和精细配准两部分，主要的研究内容包括： （）提出了一种基于特征空间和主轴夹角距离差分相结合的初始配准算法，先利1 用待匹配特征点的特征空间进行匹配对的选取，如果特征空间的相似度达到规定的值， 便可以初步确认匹配点对；然后利用主轴夹角距离差分在位置变换前后不变的原理，对 初始匹配点对进行再次的选取；最后将配准点对进行旋转和平移变换，得到变换参数， 最终完成待配准点云的初始配准。实验结果表明，基于特征空间和主轴夹角距离差分相 结合的初始配准算法在点云进行初始配准的任务中，配准的效率和精确度有所提升。 2 ICP （）提出了一种基于特征空间和邻域特征搜索相结合的 的改进算法，使点云 配准的精度有所提高，使迭代次数明显减少，减少了配准所花费的时间，提高了配准的 效率。首先通过特征空间对待匹配点对进行初步的选取，然后利用对应的匹配点的特征 邻域也相互对应的原理，对匹配点对进行再次筛选，最后再使用ICP算法进行迭代，得 到最终的精细配准。实验结果表明，基于特征空间和特征邻域相结合的改进的ICP算法 在点云精细配准的任务中，除了矩阵变换误差更小之外，得到的配准结果更具健壮性和 稳定性。 3 （）设计并实现了基于特征空间的兵马俑点云配准系统。系统实现实现了从兵马 俑数据的导入，到点云预处理、初始配准、精确配准以及配准结果的展示，是一个功能 比较完整的配准系统。本文设计的点云配准系统的亮点在于使用较少的时间，得到更精 确的结果。达到这样的效果的关键技术在于本文提出来的初始配准算法和精细配准算 法，以及这两个算法相结合达到的最佳配准结果。 本文研究的内容得到省部级重点项目秦汉都城虚拟修复建模及其增强现实展示应 用示范工程（2016TZC-G-3-5）的支持。 I 目录 摘要I ABSTRACTIII 目录V 第一章绪论1 1.1研究背景与意义1 1.2国内外研究现状及研究难点2 1.2.1初始配准的国内外研究现状及难点3 1.2.2精细配准的国内外研究现状及难点6 1.3本文研究内容及创新点7 1.4本文组织结构及安排8 第二章点云配准准备与技术理论基础11 2.1 兵马俑点云数据的获取和预处理11 2.1.1点云数据的采集11 2.1.2点云数据的预处理12 2.2 点云配准中使用的数学模型12 2.2.1平移和旋转13 2.2.2坐标变换15 2.3点云的特征点选取方法16 2.3.1基于法向量的特征点选取方法17 2.3.2基于曲率的特征点选取方法18 2.3.3基于关键点质量的特征点选取方法20 2.3.4基于体积积分不变量的特征点提取方法21 2.4 点云的配准点对的选取方法22 2.4.1基于距离的点对选择22 2.4.2基于特征的点对选择22 2.5 本章小结22 V 第三章基于特征空间的点云初始配准算法25 3.