点云数据拼接算法研究

李琳璐

摘 要 文章使用斯坦福大学提供开发点云数据库中的“龙”数据作为模拟测试数据使用。针对模拟测试数据的特点，提出了一种双向拼接法。并通过测试证明此算法对于提升连续采集的点云之间的拼接效果有很大作用。

关键词 点云数据；点云数据拼接；PCL；双向拼接算法

中图分类号 TP3 文獻标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）225-0110-02

通过激光扫描技术可以快速方便地获取地物的三维点坐标，形成点云数据，导入计算机后制作成虚拟模型。在实际运用中，由于现实条件限制，对一个地物的扫描经常需要分几次进行，每一次扫描地物的一部分，每次的扫描结果处于不同的坐标系。因此，为了获得物体最后的三维模型，必须将这些处于不同坐标系的点云数据精确而高效地拼接到同一个坐标系中。

1 点云数据的处理需求分析

1.1 点云数据滤波

由于滤波需要对点云数据进行针对性分析，故在算法分析中不对滤波进行深入讨论。

1.2 点云数据精简

项目对于精简有两部分要求，不能影响直接观察的效果，但也无需保留过多细节，满足特定分辨率即可。要求去除所有对粗拼接没有帮助点，仅保留粗拼接过程中可能会用到的点。

1.3 粗拼接

粗拼接需要将不同的坐标系下的点云数据统一到同一坐标系下，使其图形大致重合，为精确拼接提供良好初值，使其可以设定较低的阈值提高精度，并防止其陷入局部极值。

1.4 精确拼接

精确拼接需要将所有点云数据紧密的拼接在一起，消除粗拼接中的偏差，形成一副完整的三维模型。

2 输入数据特点分析

2.1 连续性

模拟数据是将物体置于转台上由一台固定位置的扫描仪在物体每转过一定角度后扫描一次获得的。由此可知，在时间和空间上具有连续性。

2.2 无序性

模拟数据中，每一分数据中的每个点之间是没有拓扑关系，即点的分布是无序的，在处理前需要先建立数据结构。

2.3 光滑度

模拟数据的采集条件比较好，数据噪声点少，曲面较为光滑。

2.4 复杂度

模拟数据数据量小，需要拼接的点云数据份数少，但细节复杂，精确度要求高。

3 整体算法设计

基于上文中所分析得出的点云数据特点，同时考虑到以数据量较大的数据作为源数据往数据量小的数据上进行拼接的效果远不如使用数据量小的数据作为源数据往数据量较大的数据上进行拼接的效果，本项目提出了一种双向拼接法，流程图如图1所示。

整体算法主要由两个循环组成，程序首先读取点云数据并按照时间顺序存入数组中，然后进入第一个循环进行正向拼接，只有当当前点云数据包含的点比上一副少时才将当前点云数据拼接到上一副点云数据上，否则不做任何操作。

每一次拼接过后都将获得的转换矩阵应用在所有未处理完的矩阵上，以保证未处理完的矩阵之间相对位置不变，防止因为拼接导致相邻点云数据的距离逐渐变远影响拼接效果。正向拼接结束后进入第二个循环，第二个循环为从后往前逆向拼接，只有当当前点云数据包含的点比上一副少时才将当前点云数据拼接到上一副点云数据上，否则不做任何操作。

每一次拼接过后都将转换矩阵应用在所有未处理完的矩阵上，这样在第一次循环中完成拼接的点云数据就会随着第二次拼接中点云数据的移动一起移动，拼接到正确的位置。经过两次循环，就可以得到所有点云数据的拼接结果及其变换矩阵，将其保存后程序结束。

算法合理利用了输入点云数据的连续性，每次拼接都只在相邻两幅点云数据之间进行，避免了间隔点云数据之间重合率不足导致拼接效果降低的情况出现，同时保证了每次拼接结束后，未处理完的点云数据之间相对位置不变，防止了因为拼接的先后顺序导致的算法初值变化影响拼接结果。

而每个方向的拼接过程中，只处理当前点云数据包含的点的数量比上一副少的情况，一方面使每次拼接都是小的点云数据拼接向大点云数据，提高了精度，另一方面，避免了增加额外的拼接次数导致程序运行效率降低。

4 结论

通过试验测试双向拼接法对拼接结果的作用，观察到，未使用双向拼接算法的拼接效果非常差，部分点云数据的位置存在很大误差，而使用双向拼接法之后所有的点云数据都很好的拼接在了一起。可以得出结论，双向拼接法对于提升连续采集的点云之间的拼接效果有很大作用。

参考文献

[1]王欣，张明明，于晓，等.应用改进迭代最近点方法的点云数据配准[J].光学精密工程，2012（9）：2068-2077.

[2]Hyungjun Park，Kwangsoo Kim. An Adaptive Method for Smooth Surface Approx-imation to Scattered3D Points. Computer-Aided Design.2015（27）：929-939.

[3]高凤娇，宋昌江，费磊，等.基于ICP算法的人体三维点云数据的拼接技术[J].自动化技术与应用，2014（8）：39-42，47.

[4]刘尚蔚，朱小超，张永光，等.多片点云数据拼接处理技术的研究[J].水利与建筑工程学报，2014（1）：121-124.