基于扩展高斯球与特征信息融合的点云数据配准研究

以微分几何、数字滤波、非线性规划等理论和技术为基础，以格雷码与相移技术相融合的面结构光三维测量设备为逆向建模点云数据获取及复杂型面产品检测之手段，本项目拟进行点云数据的单视角微分特征提取、测量过程特征信息融合及多视角点云数据的坐标归一化研究，即点云数据配准。研究内容包括点云数据的空间拓扑快速确定及扩展高斯球建立、高斯球空间具有旋转不变性的匹配模板确定、融合面结构光测量过程信息（光栅图像、格雷码矩阵、相位图等）的点云数据特征表达与初始配准、多视角点云数据之间的全局精确配准策略；研究特色在于将测量过程信息与扩展高斯球相融合实现点云数据的精确配准，.本项目的研究成果不仅可以提高逆向建模三维数据获取过程的智能化和自动化，而且为基于点云数据的复杂型面产品数字化检测提供理论和技术支撑。可应用于模具、汽车等复杂型面产品设计与制造。在医学颜面修复、文物保护、特色文具等行业也能得到应用。

多视角点云数据配准技术是产品逆向建模及曲面特征检测的关键技术之一。本项目对点云数据空间拓扑确定、扩展高斯球建立、高斯空间旋转不变性匹配模板确定、融合结构光测量信息的点云数据特征表达与初始配准，多视角点云数据全局配准等内容进行了试验与理论研究。构建了基于八位格雷编码与四步相移技术相结合的三维数字化测量系统，开发了具备点云数据测量、微分几何特征提取功能的软件系统SurfSCAN，实现了特定点云数据基于扩展高斯球的初始位置对应关系建立，由初始对应关系完成了点云数据的全局配准。研究发现对于曲率及法矢量信息在空间呈均匀分布的点云数据，扩展高斯球算法无法完成多视角点云数据初始对应点对的建立，需要建立辅助特征来实现多视角点云数据的配准。项目研究结果如下：. 扩展高斯球将三维欧式空间中的点云特征信息映射到高斯球空间之中，在点云数据初始对应关系确定过程中消除点云平移变换所引起的算法发散，试验证明，对于特征明显的点云数据配准，用扩展高斯球来确定初始对应点是有效的。. 对于特征信息明显的多视角点云数据采用扩展高斯球表达实现点云配准，其算法时间复杂度为O(N2)，在扩展高斯空间中，点云间初始位置由基于曲率统计特征的球面环形模板实现，在对应特征搜索过程中存在局部收敛性问题，需要进一步提升匹配模板的鲁棒性及运行效率。. 对于特征信息不明显的点云数据配准，提出了局部坐标系配准策略，通过辅助测量信息构建局部坐标系实现点云数据配准，该方法简化点云间对应关系的搜索和计算，弥补扩展高斯球方法的应用缺陷。. 研究了基于辅助球特征的点云配准算法，提出基于扩展高斯空间球面特征属性提取的点云数据外特征配准算法，利用扩展高斯空间球面特征属性进行球面提取并求解其球心坐标，通过待配准点云的球心坐标对应点搜索确定粗配准中的旋转矩阵和平移矩阵，试验证明该方法能够提高了精配准算法的效率和收敛性。. 点云特征计算过程中，融合测量信息的点云数据拓扑关系确定方法使点云微分几何信息计算更快捷，使点云数据处理更高效。对于点云配准过程中的对称特征，通过对称点的参数化，将对称点映射到基本曲线一边，与基本点一起作为拟合目标完成对称特征判断。对称特征在扩展高斯球空间呈相似分布，为点云初始对应关系建立提供了约束，同时使后续点云重构几何模型时，在保证逼近的精度时并保证特征的严格对称。