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基于目标结构和运动的船舶激光点云配准算法

摘要：由于在野外环境下船舶结构特点及激光雷达测量视野限制，所获取的点云图像存在特

征匹配错位和缺失现象，导致经典的配准算法精度较低。在分析点云结构特点和目标运动轨

迹的基础上，提出一种基于目标结构和运动轨迹的配准算法。在对待配准点云进行预处理后，

通过结构特征的引入解决了迭代最近点法（ＩｔｅｒａｔｉｖｅＣｌｏｓｅｓｔＰｏｉｎｔ，ＩＣＰ）算法特征匹配错位陷入

局部最优解的问题；在此基础上利用得出的主体变换矩阵求解出目标的运动轨迹，并根据运动

轨迹对缺乏有效特征的点云进行配准同时校准主体点云。实验结果表明，以米为点云坐标单

位，相比于ＩＣＰ和４ＰＣＳ＋ＩＣＰ方法，所提出方法在船舶点云配准上的均方误差（ＭｅａｎＳｑｕａｒｅ

Ｅｒｒｏｒ，ＭＳＥ）降低了０２左右。

关键词：点云配准；结构特征；运动轨迹；迭代最近点

Ｓｈｉｐｌａｓｅｒｐｏｉｎｔｃｏｕｌｄｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄ

ｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄｍｏｔｉｏｎ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤｕｅｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｈｉｐｉｎｔｈｅｗｉｌｄａｎｄｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＬｉＤＡＲｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗ，ｔｈｅ

ａｃｑｕｉｒｅｄｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｓｓｕｆｆｅｒｆｒｏｍｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔａｎｄｌａｃｋｏｆｆｅａｔｕｒｅｓ，ｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｌｏｗａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｃｌａｓｓｉｃａｌ

ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓＢａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｓａｎｄｔｈｅｍｏｔｉｏｎｔｒａｉｌｓｏｆｔｈｅ

ｓｈｉｐｓ，ａｎａｌｉｇｎｍｅｎｔａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄｍｏｔｉｏｎｔｒａｉｌｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄＡｆｔｅｒｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｈｅｐｏｉｎｔ

ｃｌｏｕｄｓｔｏｂｅａｌｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｅａｔｕｒｅｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｌｏｃａｌｏｐｔｉｍａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｉｔｅｒａｔｉｖｅｃｌｏｓｅｓｔｐｏｉｎｔ

（ＩＣＰ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔｏｆｆｅａｔｕｒｅｓＯｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｍｏｔｉｏｎｔｒａｉｌｓｏｆｔｈｅｓｈｉｐｓａｒｅｓｏｌｖｅｄｂｙｔｈｅ

ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｍａｔｒｉｘｏｆｔｈｅｍａｉｎｐａｒｔｏｆｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｓＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｏｔｉｏｎｔｒａｉｌｓ，ｔｈｅｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｓｌａｃｋｉｎｇｏｆｅｆｆｅｃｔｉｖｅ

ｆｅａｔｕｒｅｓａｒｅｒｅｇｉｓｔｅｒｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｐａｒｔｏｆｓｈｉｐｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｓａｒｅｃａｌｉｂｒａｔｅｄＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅ

ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｎｇｉｎｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅｍｅａｎｓｑｕａｒｅｅｒｒｏｒ（ＭＳＥ）ｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓ０２ｌｏｗｅｒ

ｔｈａｎＩＣＰａｎｄ４ＰＣＳ＋ＩＣＰａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｉｎｔｃｏｕｌｄｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｅａｔｕｒｅ；ｍｏｔｉｏｎｔｒａｉｌ；ｉｔｅｒａｔｉｖｅｃｌｏｓｅｓｔｐｏｉｎｔ

收稿日期：２０２２０８１１

激光与红外Ｎｏ．７２０２３吴应睿等基于目标结构和运动的船舶激光点云配准算法１００５

１引言旋转矩阵Ｒ和平移矩阵ｔ的ｃｏｓｔ函数的欧几里得范

航运作为最主要的交通运输方式之一，对于经数Ｆ（Ｒ，ｔ）：

Ｐ

济的发展起着举足轻重的作用。利用传感器对航行Ｆ（Ｒ，ｔ）＝∑ｓ（Ｒ·ｐ＋ｔ）－ｐ２（１）