1.一种基于快速三角特征直方图的点云粗配准方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:对原点云P和目标点云Q进行体素降采样得到原点云P′和目标点云Q′;
步骤2:根据Delaunay三角剖分规则对原点云P′和目标点云Q′进行点云表面Delaunay三角网构建,得到表面重建后的三角网格Tp和Tq;
步骤3:对表面重建后的三角网格Tp和Tq分别计算其简易三角特征直方图;
步骤4:对简易三角特征直方图进行距离加权求和,得到点云表面三角网格Tp和Tq中所有三角形的快速三角特征直方图特征描述子;
步骤5:通过对比三角网格Tp和Tq的快速三角特征直方图特征描述子相似度,找到原点云P′和目标点云Q′表面相似度最高的Delaunay三角形进行对应匹配;
步骤6:根据三角网格Tp和Tq之间的三角形对应关系使用采样一致性初始配准算法计算出点云之间的最佳旋转矩阵与位移向量;
步骤7:通过最佳旋转矩阵与位移向量完成对原点云P和目标点云Q的粗配准;
所述步骤3具体包括:
步骤3.1:建立三角形局部坐标系,对点云重建后表面三角网中的两个相邻的空间三角形Ti和Tj,将Ti作为源三角形,Tj作为目标三角形,并计算Ti的法向量ni和Tj的法向量nj,源三角形中心点为pi,目标三角形中心点为pj,构建出局部坐标系,坐标系单位向量表示如下:坐标系单位向量u为源三角形的单位法向量,坐标系单位向量v为源三角形中心点指向顶点pj的单位向量,坐标系单位向量w为与u、v垂直的单位向量;
步骤3.2:根据图的局部坐标系以及三角形法向量ni、nj,计算出三个特征元素值,通过这三个特征元素来描述两相邻空间的几何关系:这三个特征元素来描述两相邻空间的几何关系,三个特征值分别代表了向量nj与局部坐标系单位向量u、v、w之间的夹角弧度值;
步骤3.3按照上述三个特征建立起三角形的简易三角特征直方图,直方图的建立首先是将所有点对的三个特征值划分为11个区间,统计各个区间内点的数量所占百分比,最后三个元素的直方图合并串联为33维的简化三角特征直方图;
所述步骤4具体为:对每个三角形邻域内所有点的简易三角特征直方图STFH进行距离加权求和,形成最终的快速三角特征直方图FTFH,加权公式如下:式中k表示Tq三角形相邻的三角形数量,wk表示第k个相邻三角形与Tq三角形中心点之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于快速三角特征直方图的点云粗配准方法,其特征在于,所述步骤1具体包括:步骤1.1:将点云进行体素划分,设置单元体素方格的步长值,将整个三维空间分成多个立体的方格,通过体素使整个三维空间分割成一个均匀分布的空间;
步骤1.2:计算非空体素的中心代替该体素内的所有点,实现点云的下采样,其中,已知一个点的行列层数(row,col,lay),体素边长step,坐标最小值xmin,ymin,zmin,则该点所在体素的中心点坐标Pcenter(xcenter,ycenter,zcenter)为:
3.根据权利要求1所述的一种基于快速三角特征直方图的点云粗配准方法,其特征在于,所述步骤2具体包括:步骤2.1:建立Voronoi图,Voronoi图由一系列相邻两点间的连线的垂直平分线构成的连续不规则多边形组成,将点云中的点投影至XY平面后,对于平面上的N个不同点,Voronoi图将其分割为平面上的若干个区域,每个区域都与其中一个点最为接近,并由其最邻近两点间的垂直平分线所围成,上述若干区域视作是以每个点为中心的最邻近分区,其边缘为由相邻的垂直平分线组成的不规则多边形;
步骤2.2:构建Delaunay三角形,相邻的Voronoi不规则多边形同用一条边的关联点连结而成的三角形;点云中的点在二维平面投影点建立Delaunay三角网后根据其在三维空间中的拓扑关系将二维三角形拓展为三维空间三角形。
4.根据权利要求1所述的一种基于快速三角特征直方图的点云粗配准方法,其特征在于,所述步骤5具体为:采用欧几里得相似度计算方法,计算特征直方图在向量空间的距离,距离越小越相似,计算公式如下:式中d(x,y)为两向量距离,xi为待配准点云三角网中的33维特征直方图向量,yi为参考点云三角网中的33维特征直方图向量。
5.根据权利要求1所述的一种基于快速三角特征直方图的点云粗配准方法,其特征在于,所述步骤6具体为:根据特征相似性匹配结果,随机选择n对匹配三角形,其中n>=3,求得三角形中心点坐标分为点集{pi}和{pi′},采用奇异值分解方法求解点云变换矩阵;通过SVD求解该匹配情况下的旋转与位移;
步骤6.1分别求两个点云的质心
其中,p表示目标点云表面特征匹配三角形中心点集合的质心,p’表示源点云表面特征匹配三角形中心点集合的质心,pi表示目标点云表面特征匹配三角形中心点集合,pi’表示源点云表面特征匹配三角形中心点集合;
步骤6.2求各点相对于质心的位移向量
qi=pi‑p,q′i=p′i‑p′ (7)其中,qi表示pi中各点相对于质心p的位移向量,qi’表示p′i中各点相对于质心p′的位移向量;
步骤6.3利用质心位移向量,计算H矩阵
步骤6.4对H矩阵进行SVD分解
T
H=UΛV (9)步骤6.5基于矩阵U和V计算旋转矩阵R
R=VU (10)步骤6.6最后计算点云间的位移
T=p′‑Rp (11)。
6.根据权利要求5所述的一种基于快速三角特征直方图的点云粗配准方法,其特征在于,所述步骤7具体为:根据SVD求解得到的位移向量对待配准进行位移变换与旋转变换,变换公式如下P″=RP+T (12)其中,P″为配准后的点云,P为配准前点云,R为旋转矩阵,T为位移向量。