密集点云模型快速精确配准方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102169579A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102169579A(43)申请公布日2011.08.31(21)申请号201110080192.8(22)申请日2011.03.31(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人程云勇卜昆张定华黄胜利董一巍黄魁东张现东窦杨柳刘金钢杨小宁袁帅傅蒋威周丽敏乔燕张亮(74)专利代理机构西北工业大学专利中心61204代理人顾潮琪(51)Int.Cl.G06T7/00(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图3页(54)发明名称密集点云模型快速精确配准方法(57)摘要本发明公开了一种密集点云模型快速精确配准方法，通过对齐的方法实现涡轮叶片密集点云模型和CAD模型的初始配准；对得到的初始配准点云数据进行适当的简化，计算SVD_ICP算法中每步迭代的旋转矩阵和平移矩阵，最终采用SVD_ICP算法实现控制点集{P}和CAD模型的精确配准。本发明在实现点云模型与CAD模型预配准的前提下，通过对密集点云数据进行简化，以简化后的数据作为配准控制点集，在SVD_ICP算法的基础上计算求得总的旋转矩阵和平移矩阵，然后把求得的总变换矩阵应用于简化前的原始密集点云，实现其与CAD模型的快速配准，兼顾了配准精度和配准速度。CN1026957ACCNN110216957902169584A权利要求书1/1页1.一种密集点云模型快速精确配准方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1分别选取测量点云模型与CAD模型上任意三组对应点对(P1，Q1)，(P2，Q2)，(P3，Q3)，其中P1，P2，P3不在同一平面；令作矢量v3和w3，作矢量矢量v2和w2，v1、v2和v3构成正交坐标系，表示为单位矢量同理得测量点云模型中的任一点Pi变换到CAD模型上对应点Qi的关系式为：Qi-1-1＝RPi+T，其中R＝[w][v]，T＝Q1-[w][v]P1；步骤2利用均匀采样法将步骤1得到的密集点云模型简化至10000-50000个点，以简化后的点云作为控制点集{P}，寻找CAD模型上与之对应的点集{P’}；步骤3以步骤2得到的控制点集{P}作为配准控制点集，计算SVD_ICP算法中每步迭代的旋转矩阵和平移矩阵：1)利用公式和求取两点集{P}和{P’}的质心p和p’；2)根据公式qi＝pi-p和q′i＝p′i-p′计算两点集{P}和{P’}中每个点相对于其质心的位移；3)根据公式求取矩阵H，并由公式H＝UΛVT对矩阵H进行奇异值分解，其中U为H的左奇异矩阵，V为H的右奇异矩阵，二者均为3×3的正交矩阵；T4)根据公式R＝VU和T＝p′-Rp计算第i步迭代的旋转矩阵Ri和平移矩阵Ti；步骤4采用SVD_ICP算法实现控制点集{P}和CAD模型的精确配准，方法如下：根据步骤3求得每迭代一次的旋转矩阵Ri和平移矩阵Ti，从而利用公式Rz＝Ri*Ri-1*.....*R1和Tz＝Ri*Ti-1+T’i求得控制点集{P}相对于CAD模型总的旋转矩阵Rz和平移矩阵Tz，其中Rz是3×3的矩阵，Tz是3×1的矩阵；由公式Qi＝RzPi+Tz，其中Pi为点云模型中的任一点，Qi为变换后与Pi对应的点；把Rz和Tz应用于简化前的原始点云模型，实现其与CAD模型的快速精确配准。2CCNN110216957902169584A说明书1/4页密集点云模型快速精确配准方法技术领域[0001]本发明涉及一种坐标系统一方法，尤其涉及一种三维密集点云模型与CAD模型快速精确配准方法，该方法适用于医学、航空航天、兵器等领域零部件的三维密集点云模型的配准。背景技术[0002]涡轮叶片点云模型的配准主要是指测量的点云模型相对于CAD设计模型的空间变换，即实现坐标系的统一。当前在很多领域中，尺寸检测和测量分析技术在提高制造形状、尺寸精度和保证质量方面有至关重要的作用。常见的测量方法有三坐标测量、光学扫描测量和CT测量。近年来，随着激光技术的发展，光学测量的速度和精度都有了很大的提高，应用也越来越广泛，其获得的数据量非常巨大，虽然获得了更全面的数据信息，但同时也为后续的测量分析带来了不便。比如，国内航空发动机涡轮叶片的制造精度低下，合格率低，为了提高制造精度和合格率，对制件进行测量，然后通过对测量数据与CAD模型配准，进行二维或三维偏差分析，比较得出制件的变形规律，利用反变形技术对制件的模具、加工工艺等进行优化设计，从而提高制件的精度和合格率。[0003]目前配准算法大致可以分为三类：迭代配准算法，基于曲面的配准算法和基于几何的特征配准算法。对于迭代算法，最具代表性的是Besl等提出的迭代最近点算法(iterativeclosestpoint，ICP)，算法首先利用牛顿迭代或者