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专利号: 2022116537548
申请人: 河北工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种3D图像点云匹配方法,其特征在于,所述方法包括:

获取室内真实场景的3D图像点云数据集;所述3D图像点云数据集包括待匹配的第一点云和第二点云;所述第一点云与所述第二点云部分重叠;

根据所述第一点云和所述第二点云,以最小化点云指派代价为目标函数,构建基于最优传输的点云匹配模型;所述点云指派代价由正交变换矩阵、拉伸变换矩阵和点云间指派矩阵确定;

采用交替迭代求解算法,对所述点云匹配模型进行求解,得到最优解;所述最优解包括:最优正交变换矩阵、最优拉伸变换矩阵和最优点云间指派矩阵;

根据所述最优点云间指派矩阵,对所述第一点云和所述第二点云进行匹配,得到匹配后点云;所述匹配后点云用于重建所述室内真实场景的3D图像;

所述点云匹配模型的具体公式为:

其中:A为正交变换矩阵;B为拉伸变换矩阵;γ为点云间指派矩阵;γij为第一点云X中的第i个点Xi与第二点云Y中的第j个点Yj的匹配程度,i=1,…,n,n为第一点云X中点的总数,j=1,…,m,m为第二点云Y中点的总数;Ω(γ)为正则项,且 ε为正则化系数,且ε>0;Ο(3)为3阶正交矩阵的集合;∧(3)为3阶对角矩阵的集合;Π为点云间指派矩阵的集合;I为分量全为1的列向量; 为3×3的实矩阵的集合; 为n×m的正实矩阵的集合;μ为第一点云X的概率分布;ν为第二点云Y的概率分布;λq为对角矩阵中第q行第q列元素的值,且q=1,2,3。

2.根据权利要求1所述的3D图像点云匹配方法,其特征在于,所述采用交替迭代求解算法,对所述点云匹配模型进行求解,得到最优解,具体包括:根据拉伸变换矩阵第k‑1次迭代的迭代解和点云间指派矩阵第k‑1次迭代的迭代解确定正交变换矩阵第k次迭代的迭代解;其中,k为从1开始的整数;当k=1时,拉伸变换矩阵第k‑1次迭代的迭代解为初始拉伸变换矩阵,点云间指派矩阵第k‑1次迭代的迭代解为初始点云间指派矩阵;

对正交变换矩阵第k次迭代的迭代解进行变形和奇异值分解,得到正交变换矩阵第k次迭代的显示解;

根据正交变换矩阵第k次迭代的显示解和点云间指派矩阵第k‑1次迭代的迭代解确定拉伸变换矩阵第k次迭代的迭代解;

对拉伸变换矩阵第k次迭代的迭代解进行变形,得到拉伸变换矩阵第k次迭代的显示解;

采用Sinkhorn‑knopp算法,根据正交变换矩阵第k次迭代的显示解和拉伸变换矩阵第k次迭代的显示解,确定点云间指派矩阵第k次迭代的迭代解;

判断k是否达到设定迭代次数,得到判断结果;

若所述判断结果为否,则更新k的值,并返回“根据拉伸变换矩阵第k‑1次迭代的迭代解确定正交变换矩阵第k次迭代的迭代解”的步骤;

若所述判断结果为是,则将点云间指派矩阵第k次迭代的迭代解确定为最优点云间指派矩阵,将正交变换矩阵第k次迭代的显示解确定为最优正交变换矩阵,将拉伸变换矩阵第k次迭代的显示解确定为最优拉伸变换矩阵。

3.根据权利要求2所述的3D图像点云匹配方法,其特征在于,所述根据拉伸变换矩阵第k‑1次迭代的迭代解和点云间指派矩阵第k‑1次迭代的迭代解确定正交变换矩阵第k次迭代的迭代解,具体公式为:k

其中:A为正交变换矩阵,A为正交变换矩阵A第k次迭代的迭代解;Ο(3)为正交矩阵的集合; 为第一点云X中的第i个点Xi与第二点云Y中的第j个点Yj的匹配程度γij的第k‑1次迭代的迭代解;Xi为第一点云X中的第i个点,i=1,…,n,n为第一点云X中点的总数;Yj为k‑1第二点云Y中的第j个点,j=1,…,m,m为第二点云Y中点的总数;B 为拉伸变换矩阵第k‑1次迭代的迭代解。

4.根据权利要求2所述的3D图像点云匹配方法,其特征在于,所述根据正交变换矩阵第k次迭代的显示解和点云间指派矩阵第k‑1次迭代的迭代解确定拉伸变换矩阵第k次迭代的迭代解,具体公式为:k

其中:B为拉伸变换矩阵,B为拉伸变换矩阵B第k次迭代的迭代解;∧(3)为3阶对角矩阵的集合; 为第一点云X中的第i个点Xi与第二点云Y中的第j个点Yj的匹配程度γij的第k‑

1次迭代的迭代解;Xi为第一点云X中的第i个点,i=1,…,n,n为第一点云X中点的总数;Yj为k第二点云Y中的第j个点,j=1,…,m,m为第二点云Y中点的总数;A '为正交变换矩阵第k次迭代的显示解。

5.根据权利要求2所述的3D图像点云匹配方法,其特征在于,所述采用Sinkhorn‑knopp算法,根据正交变换矩阵第k次迭代的显示解和拉伸变换矩阵第k次迭代的显示解,确定点云间指派矩阵第k次迭代的迭代解,具体公式为:k

其中:γ为点云间指派矩阵,γ 为点云间指派矩阵γ第k次迭代的迭代解;Π为点云间指派矩阵的集合;C由正交变换矩阵第k次迭代的显示解和拉伸变换矩阵第k次迭代的显示k' k' 2 k' k'解确定,且C=||A Xi‑B Yj|| ;A 为正交变换矩阵第k次迭代的显示解;B 为拉伸变换矩阵第k次迭代的显示解;Xi为第一点云X中的第i个点,i=1,…,n,n为第一点云X中点的总数;Yj为第二点云Y中的第j个点,j=1,…,m,m为第二点云Y中点的总数;Ω(γ)为正则项;ε为正则化系数,且ε>0。

6.根据权利要求2所述的3D图像点云匹配方法,其特征在于,所述拉伸变换矩阵第k次迭代的显示解的具体公式为:k'

其中:B 为拉伸变换矩阵B第k次迭代的显示解; 为点 的第l个分

量,且 n为第一点云X中点的总数; yjl为点Yj的第l个

分量,Yj为第二点云Y中的第j个点,j=1,…,m,m为第二点云Y中点的总数;Π为点云间指派矩阵的集合; 为第一点云X中的第i个点Xi与第二点云Y中的第j个点Yj的匹配程度γij的第k‑1次迭代的迭代解;

所述正交变换矩阵第k次迭代的显示解的具体公式为:

k' T

A =UV

k' k'

其中:A 为正交变换矩阵A第k次迭代的显示解;U、V分别为对A 进行奇异值分解后得到的两个标准正交矩阵。

7.一种3D图像点云匹配系统,其特征在于,所述系统包括:

数据获取模块,用于获取室内真实场景的3D图像点云数据集;所述3D图像点云数据集包括待匹配的第一点云和第二点云;所述第一点云与所述第二点云部分重叠;

模型构建模块,用于根据所述第一点云和所述第二点云,以最小化点云指派代价为目标函数,构建基于最优传输的点云匹配模型;

模型求解模块,用于采用交替迭代求解算法,对所述点云匹配模型进行求解,得到最优解;所述最优解包括:最优正交变换矩阵、最优拉伸变换矩阵和最优点云间指派矩阵;

点云匹配模块,用于根据所述最优点云间指派矩阵,对所述第一点云和所述第二点云进行匹配,得到匹配后点云;所述匹配后点云用于重建所述室内真实场景的3D图像;

所述点云匹配模型的具体公式为:

其中:A为正交变换矩阵;B为拉伸变换矩阵;γ为点云间指派矩阵;γij为第一点云X中的第i个点Xi与第二点云Y中的第j个点Yj的匹配程度,i=1,…,n,n为第一点云X中点的总数,j=1,…,m,m为第二点云Y中点的总数;Ω(γ)为正则项,且 ε为正则化系数,且ε>0;Ο(3)为3阶正交矩阵的集合;∧(3)为3阶对角矩阵的集合;Π为点云间指派矩阵的集合;I为分量全为1的列向量; 为3×3的实矩阵的集合; 为n×m的正实矩阵的集合;μ为第一点云X的概率分布;ν为第二点云Y的概率分布;λq为对角矩阵中第q行第q列元素的值,且q=1,2,3。

8.一种电子设备,其特征在于,包括存储器及处理器,所述存储器用于存储计算机程序,所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行如权利要求1至6中任意一项所述的3D图像点云匹配方法。

9.一种计算机可读存储介质,其特征在于,其存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任意一项所述的3D图像点云匹配方法。