CN105574812A - 多角度三维数据配准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多角度三维数据配准方法及装置，其中，该方法包括：获取参考平面在三维扫描系统的转台上每转动预设角度的多组三维数据；参考平面垂直于转台；对每组三维数据进行拟合，得到多个拟合平面；根据多个拟合平面与同一截面的交线的方向，确定三维扫描系统的转轴的旋转方向；根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系，确定转轴的最优空间坐标；根据转轴的最优空间坐标，对在三维扫描系统下获取的待扫描物体的三维扫描数据进行配准。上述技术方案提高了多角度三维数据配准的效率和精确度。

Description

多角度三维数据配准方法及装置

技术领域

本发明涉及数据配准技术领域，特别涉及一种多角度三维数据配准方法及装置。

背景技术

现有的3D扫描系统只能够对扫描范围内的表面可见信息进行扫描，为了获取物体完整的3D模型，常需将扫描器本身进行移动，或者将被扫描物体进行旋转或者移动，来完成物体不同角度三维信息的获取。由于扫描系统的位置或者物体位置的变化，每次扫描数据都被限定在不同的扫描仪坐标系或者物体坐标系下，从而导致输出3D数据无法直接有序排列到一个统一的坐标系内。为了得到物体完整的3D信息，需要对这些多角度的3D扫描数据进行匹配。现有的3D扫描系统中，常用的扫描数据配准方法有以下四种：

(1)手动法：手动在相邻扫描数据上选择对应点，然后根据对应点的位置变换计算变换矩阵对扫描数据进行配准。该类方法要求相邻扫描数据存在较大的重叠区域，这一要求限制了扫描旋转角度，从而导致扫描效率的降低。该类方法的另一个缺点在于数据排列的准确性取决于操作人员的输入精度，而对于没有明显特征的表面，输入精度就更加难以保证。再次是这类非自动的配准方法耗费人力且效率不高。

(2)标记法：在扫描物体上附着上一个小的可检测的物体，成为标记或者目标，由操作员识别并进行精确的输入或者通过其他辅助的图像处理算法和几何算法识别相应点进行输入，完成相邻扫描数据的配准。该类方法与手动方法相比在精度和效率上有所提高但是还是存在以下几个缺点：①必须确保相邻两次扫描视线中存在一定数目的标记点，从而限制了被扫描物体每次的转动角度,增加了扫描次数和数据量；②在物体扫做标记或者附加标记，有可能对扫描物体造成损害，同时在由于标记的物理尺寸可能导致扫描对象表面信息的遮盖，造成扫描数据的细节损失；③标记的数目以及大小无法建立统一的标准，标记数目太少，扫描数据中可能出现标记不足，标记数目太多，可能造成扫描数据干扰严重的问题，标记的物理尺寸太小，可能无法检测，标记物理尺寸太大，可能导致操作员输入精度下降。

(3)图像和几何分析方法：该类方法通过检测相邻视角的图像或者扫描数据，通过检测和提取特征，同时对特征进行配准来完成模型的配准。该类方法的缺点在于：①方法对于扫描物体的表面特征和纹理存在限制，在纹理不明显或者特征不明显的情况下，该方法可能无法完成配准任务；②方法需要检测相邻图片的对应像素点或者检测相邻扫描数据的对应特征点，算法计算量大，且误差来源无法保证；③通过像素匹配和几何特征匹配的方法，需要相邻扫描数据存在一定的重叠面积以便检测对应特征，从而导致扫描视角移动的角度的限制，增加扫描次数，降低的扫描效率。

(4)转盘轴心标记法：通过计算转盘中轴在扫描仪坐标系中的坐标，同时通过获取旋转角度来计算每片扫描数据的变换坐标，从而完成数据整体配准。目前该类方法存在的问题是无法准确将转台旋转轴标定到扫描仪坐标系内。通常该类标定都采用球进行标定，然而由于扫描仪视角有限，每次扫到球面面积有限，通过拟合计算标定球的球心，算法本身就存在拟合误差。同时通过转台移动小球，得到三个球心位置并再次进行拟合推算转台轴心位置。之后通过计算的轴心得到粗配数据后，对数据进行进一步的细配准。该类方法无法脱离扫描数据的精细配准步骤，配准效率低，且现有的各类精细配准算法的适用性有限，无法使用一种算法完成所有模型的精配准，且由于算法稳定性问题，每次配准后需要人为判断，耗费人力。另外一种方法是在转轴中心摆放平面物体，通过多次扫描得到的平面数据的交线作为转轴，但需要平面物体摆放位置非常精确，有较高的操作要求，难以保证每次都成功。

随着3D数字化技术的广泛应用，现有的3D扫描技术在往自动化的方向发展，也就是自动化的从各个角度对物体进行3D扫描，然后实现多角度3D数据的全自动配准过程。其中所涉及的关键问题就是如何精确简便的实现多角度3D信息的自动配准，目前应用较多的就是采用精密转台控制物体旋转，然后根据已知的旋转角度来实现物体多角度3D信息的配准。现有技术中与多角度3D信息的配准类似的例子主要包括如下几项：

(1)中国专利申请第200410031157号公开了一种基于大规模场景多视点激光扫描数据自动配准的方法。三维特征反映了场景内在的结构特征，简化了场景的几何复杂度，是多视点三维数据配准的有效基元。该发明在确保在激光测距仪Z轴垂直地面，且X和Y轴平行于地面的情况下获取扫描数据，同时确保相邻视点扫描数据保持10％-20％的重叠；提取被测场景内在结构特征，简化场景的几何复杂度；通过计算虚拟特征与构建特征单元对数据进行粗配准精配准和全局配准。该发明适用于现代结构的场景多视点激光扫描数据自动配准。

(2)中国专利申请第03817891号公开了一种使用光学自动排列3D扫描数据的设备和方法，其中，采用非接触型标记以自动地排列3D数据，同时即不会丢失也不会损坏物体的被扫描部分。该设备使用光学标记用于自动排列通过以不同的角度拍摄物体所获得的3D扫描数据，该设备包括：标记产生装置，用于将多个光学标记投射到物体表面上，团投射装置用于将图案投射在该物体的表面以获得包括投射在该物体的表面上的该物体的2D图像数据，以及用于通过投射在该物体表面上的图案获得该物体的3D扫描数据；图像获得装置，用于获得包括投射在该物体的表面上得该物体的2D图像数据，以及用于通过投射在该物体的表面上的图案获得该物体的3D扫描数据；以及控制装置，用于从该2D图像数据和3D扫描数据之间的关系计算标记的3D位置，并基于标记的3D位置计算该3D扫描数据的相对位置。

(3)中国专利申请第200710018782号公开了一种多视角三维人脸扫描数据自动配准方法，其特点是包括以下步骤：将多视角三维人脸扫描数据用PCA方法进行坐标轴转换，对转换后的模型计算其ShapeIndex值，并采用阈值分割的方法筛选出若干特征区域；利用区域相对分布特征来约束区域的筛选，最终定位出标志区域；眼镜内，外眼角及鼻尖点区域；对于标志区域采用ICP方法进行配准，将整体扫描数据此阿勇区域配准得到的转换参数进行坐标评移动和旋转变换，完成配准。由于本发明粗配准采用坐标轴进行转换的方法，以整体特征代替个体点特征，降低了特征点监测所带来的误差；精配准仅对提出的特征区域进行配准迭代运算，降低了运算复杂度，实现了多姿态三维扫描数据的自动配准。

(4)中国专利申请第200710122787号公开了一种识别和定义整体坐标系的自动机制，这种整体坐标系最适用于形成网格模型的原始3D扫描数据的集合。更具体而言，被识别的坐标系能够最小化偏差误差的总和，同时最小化原始3D扫描数据的峰值误差。该发明以完全自动地方式从原始3D扫描数据搜寻适合的坐标系。识别出能够使整体偏差误差最小的多个坐标系，并呈现给用户。在基于所选坐标系变换3D扫描数据的对齐之前，还允许终端用户交互式地编辑建议的坐标系参数。

(5)中国专利申请第200810224183号公开了一种结合纹理信息的深度图像自动配准方法，用于各种真实物体三维模型的重建，步骤为：①从扫描数据中提取或者根据深度图像生成纹理图像；②基于SIFT特征提取纹理图像中的兴趣像素，并通过交叉检验的方法从中找出匹配像素对的候选集；③根据几何信息约束找出候选集中正确的匹配像素对；④在三维空间中找出和匹配像素对应的匹配顶点对，计算出两幅深度图像间的工体置换矩阵；⑤使用改进的ICP算法优化这一结果；⑥基于两深度图像配准，将多度深度图像的输入序列分成若干条带状的子序列；⑦采用一种向前搜索的策略合并这些子序列，并构造完整的三维模型。本该发明可用于完成大规模三维扫描数据，生成三维模型。

(6)中国专利申请第02138210.7号公开了实现三维像机多视角数据采集及对齐复位的方法，该方法是一种在单个视角三维像机的基础上进行物体表面三维数据多视角采集，以及将各个视角采集的数据对齐复位于同一个空间坐标系中的方法，该方法为采用一个单视角三维像机和一个旋转台，将旋转台放在三维像机前方的有效取景范围内，在旋转台上放置一个小球，用单视角三维像机对旋转台上的小球进行参数标定；将被测物的表面做多视角数据采集，最后将采集的数据进行对齐复位，输出被测物体表面完整的三维数据。本发明可用单视角三维像机进行多视角采集，并对各个视角采集的三维数据进行自动对齐、复位。

通过上述可知，为了实现多角度3D扫描后数据的自动配准问题，基于精密转动平台的3D扫描方法，将物体置于转台之上，通过计算机控制其转动角度，实现物体不同角度的3D信息获取，进而结合转台的转动角度来实现多角度3D数据的自动拼接。这一方法所涉及的主要问题是转台转轴的计算，即确定转轴相对于3D扫描装置的空间位置，目前常用的方法是通过球体或者平面等物体的拟合方法来计算其精确的轴心和轴线的位置，但该方法的精度取决于物体摆放位置的精确性，如果摆放位置偏离了转台的轴心，则难以精确计算转轴，往往需要多次操作，通过经验判断和人工观察来确定结果是否满意，操作起来较为繁琐。

因此，现有多角度3D扫描数据自动配准方案中，确定三维扫描系统中转轴的空间参数的方法操作复杂，效率和精度低，这样也导致了多角度3D扫描数据自动配准操作复杂，效率和精度低。

发明内容

本发明实施例提供了一种多角度三维数据配准方法，用以提高多角度三维数据配准的效率和精确度，该方法包括：

获取参考平面在三维扫描系统的转台上每转动预设角度的多组三维数据；参考平面垂直于转台；

对每组三维数据进行拟合，得到多个拟合平面；

根据多个拟合平面与同一截面的交线的方向，确定三维扫描系统的转轴的旋转方向；

根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系，确定转轴的最优空间坐标；

根据转轴的最优空间坐标，对在三维扫描系统下获取的待扫描物体的三维扫描数据进行配准。

另一方面，本发明实施例提供了一种多角度三维数据配准装置，用以提高多角度三维数据配准的效率和精确度，该装置包括：

三维数据获取单元，用于获取参考平面在三维扫描系统的转台上每转动预设角度的多组三维数据；参考平面垂直于转台；

三维数据拟合单元，用于对每组三维数据进行拟合，得到多个拟合平面；

转轴方向确定单元，用于根据多个拟合平面与同一截面的交线的方向，确定三维扫描系统的转轴的旋转方向；

转轴空间坐标确定单元，用于根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系，确定转轴的最优空间坐标；

数据配准单元，用于根据转轴的最优空间坐标，对在三维扫描系统下获取的待扫描物体的三维扫描数据进行配准。

与现有技术相比较，本发明实施例提供的技术方案，在确定三维扫描转轴空间参数时，无需人为精确摆放转轴计算参照物，大致摆放即可，降低了操作的复杂性；利用一个简单的垂直于转台的参考平面，不要求其严格摆放在转台中心位置，获取参考平面在转台上每转动预设角度的多组三维数据，通过平面拟合手段，对每组三维数据进行拟合，得到多个拟合平面；根据多个拟合平面与同一截面的交线的方向，确定三维扫描系统的转轴的旋转方向；根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系，精确地求解出转轴上的一个中心点(轴心点)的最优空间坐标，进而完全确定转轴的最优空间坐标，提高了确定三维扫描系统转轴空间参数的效率和精确度，保证后续的精确地多角度3D数据配准；最后，根据转轴的最优空间坐标，对在所述三维扫描系统下获取的待扫描物体的三维扫描数据进行配准，因此，提高了多角度三维数据配准的效率和精确度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中多角度三维数据配准方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中的三维扫描系统的结构示意图；

图3是本发明实施例中建立线性优化函数、求解最优的转轴空间参数应用到的示意图；

图4是本发明实施例中多角度三维数据配准装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

为了实现多角度3D扫描后数据的自动配准问题，出现了基于精密转动平台的3D扫描方法，将物体置于转台之上，通过计算机控制其转动角度，实现物体不同角度的3D信息获取，进而结合转台的转动角度来实现多角度3D数据的自动拼接。这一方法所涉及的主要问题是转台转轴的计算，即确定转轴相对于3D扫描装置的空间位置，目前常用的方法是通过球体或者平面等物体的拟合方法来计算其精确的轴心和轴线的位置。

但是发明人发现：该方法的精度取决于物体摆放位置的精确性，如果摆放位置偏离了转台的轴心，则难以精确计算转轴，往往需要多次操作，通过经验判断和人工观察来确定结果是否满意，操作起来较为繁琐。

为了解决这一问题，本发明提出了一种多角度三维数据配准方法，该方法在在确定三维扫描转轴空间参数时，不需要精确摆放转轴，计算参照物的优化计算方法，首先将一个平面物体摆放在转台上，通过控制转台转动4-5次，每次转动10-20度，获取4-5组平面的3D数据，通过平面拟合得到这几组平面的空间方程，及各平面之间的交线方向，因为参照平面与转台垂直，因此这组交线方向即为转轴的方向，为了确定转轴的位置，我们还需确定转轴上的一个空间点位置，通过简单的几何分析，我们不难发现，转轴上的每个点到这组平面交线的距离是相等的，基于该现象，我们可以建立一个简单的优化函数，求误差最小的转轴中心位置，进而可以确定转轴在三维扫描系统参考系下的精确位置，进而可以将各组扫描数据按照其预定的旋转角度实现精确的配准。所提的方法操作简单，计算复杂度低，结果精确，可以避免现有方法如ICP算法等所采用的复杂迭代过程(ICP,[1-2])，能够精确获取转轴位置并实现精细的全自动配准操作。

整个3D扫描系统的工作图为物体置于精密转动平台之上，通过计算机控制其旋转，通过3D扫描仪得到不同角度的3D信息，进而完成后续的多角度3D信息的配准。

假设转台实际的转轴L由点A(a,b,c)和一个向量V(u,v,w)定义，绕轴旋转θ的旋转矩阵为：

$\begin{array}{c}R\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{ccc}{u}^2+(v^2+w^2)\cos \mathrm{\θ}& uv(1-\cos \mathrm{\θ})-w\sin \mathrm{\θ}& uw(1-\cos \mathrm{\θ})+v\sin \mathrm{\θ}\\ uv(1-\cos \mathrm{\θ})+w\sin \mathrm{\θ}& u^2+(v^2+w^2)\cos \mathrm{\θ}& vw(1-\cos \mathrm{\θ})-u\sin \mathrm{\θ}\\ uw(1-\cos \mathrm{\θ})-v\sin \mathrm{\θ}& vw(1-\cos \mathrm{\θ})-u\sin \mathrm{\θ}& u^2+(v^2+w^2)\cos \mathrm{\θ}\\ 0& 0& 0\end{array}\right.\\ \left.\begin{array}{c}\left(a\right(v^2+w^2)-u(bv+cw\left)\right)(1-\cos \mathrm{\θ})+(bw-cv)\sin \mathrm{\θ}\\ \left(b\right(u^2+w^2)-v(au+cw\left)\right)(1-\cos \mathrm{\θ})+(aw-av)\sin \mathrm{\θ}\\ \left(c\right(u^2+v^2)-w(aw+bv\left)\right)(1-\cos \mathrm{\θ})+(aw-bv)\sin \mathrm{\θ}\\ 1\end{array}\right]\end{array}$

为了实现多组3D扫描数据的自动配准，我们只需要求解出点A和方向向量V即可。

因此，首先，我们在转台上放置一个L型平面(也可以为其它类型的平面，只要保证该平面与转台平面垂直即可)，以保证平面与转台平面垂直，驱动转台转动多次，获取不同转到角度下的平面3D数据，进行拟合，进而得到多组平面交线，计算多组交线方向参数求平均，即可获得转轴方向参数V；

其次，假设点A(a,b,c)为转轴上一个点坐标，其距离各组拟合平面的交线应具有距离相等的特性，因此建立一个简单的线性优化函数，即可求解出A的最佳位置，进而可完全确定转轴的空间参数信息。

下面首先对多角度三维数据配准方法进行详细介绍。

图1是本发明实施例中多角度三维数据配准方法的流程示意图，图2是本发明实施例中的三维扫描系统的结构示意图，如图1和图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤101：获取参考平面在三维扫描系统的转台上每转动预设角度的多组三维数据；所述参考平面垂直于所述转台；

步骤102：对每组三维数据进行拟合，得到多个拟合平面；

步骤103：根据多个拟合平面与同一截面的交线的方向，确定三维扫描系统的转轴的旋转方向；

步骤104：根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系，确定转轴的最优空间坐标；

步骤105：根据转轴的最优空间坐标，对在所述三维扫描系统下获取的待扫描物体的三维扫描数据进行配准。

与现有技术相比较，本发明实施例提供的技术方案，在确定三维扫描转轴空间参数时，无需人为精确摆放转轴计算参照物，大致摆放即可，降低了操作的复杂性；利用一个简单的垂直于转台的参考平面，不要求其严格摆放在转台中心位置，获取参考平面在转台上每转动预设角度的多组三维数据，通过平面拟合手段，对每组三维数据进行拟合，得到多个拟合平面；根据多个拟合平面与同一截面的交线的方向，确定三维扫描系统的转轴的旋转方向；根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系，精确地求解出转轴上的一个中心点(轴心点)的最优空间坐标，进而完全确定转轴的最优空间坐标，提高了确定三维扫描系统转轴空间参数的效率和精确度，保证后续的精确多角度3D数据配准；最后，根据转轴的最优空间坐标，对在所述三维扫描系统下获取的待扫描物体的三维扫描数据进行配准，因此，降低了多角度三维数据配准的操作复杂度，提高了多角度三维数据配准的效率和精确度。

本发明实施例中提到的三维数据可以是三维点云数据。

下面详细介绍在上述步骤101中，参考平面数据的获取与处理：

将参考平面摆放在转台之上，不要求其经过转台中心；

具体操作可以为：控制转台转动4-5次，每次转动10-20度，获取4-5组平面的3D数据。

下面介绍在上述步骤102中，对每组三维数据进行拟合，得到多个拟合平面：

在获取了参考平面的不同角度下的三维数据后，在对每组三维数据进行拟合之前，还可以进行的操作包括：对得到的多个拟合平面的点云数据进行去噪处理，利用最小二乘拟合的方法求出各个平面的方程为：

A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0(1)

下面介绍上述步骤103中转轴方向的计算：

由于参考平面与转台台面垂直，因此我们可以通过计算几组拟合平面的交线得到转轴方向：

$\&lsqb;n_x,n_y,n_z\&rsqb;=\frac{\underset{i<j}{\overset{n}{\&Sigma;}}\left|\&lsqb;A_i,B_i,C_i\&rsqb;\&times;\&lsqb;A_j,B_j,C_j\&rsqb;\right|}{n(n-1)/2}---\left(2\right)$

由于转轴的方向已经确定了，我们利用求出的转轴方向作为法向量构造一个新的平面：

n_xx+n_yy+n_zz＝0(3)

那么构造的新平面截各个点云平面可以如图3所示，图3中所示的新平面截点云平面的交线l_i的方程表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_{x}x+n_{y}y+n_{z}z=0\\ A_{i}x+B_{i}y+C_{i}z+D_i=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

在一个实施例中，上述步骤104可以包括：

找到多个轴心点，分别计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差；根据每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差，找到最优的轴心点空间坐标；

根据最优的轴心点空间坐标，确定转轴的最优空间坐标。

在一个实施例中，找到多个轴心点，分别计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差；根据每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差，找到最优的轴心点空间坐标，可以包括：

根据线性优化函数，迭代找到最优的轴心点空间坐标，对于每个迭代周期均执行以下操作：

计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离；

计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差，直到找到轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差最小时，对应的轴心点的空间坐标，作为最优的轴心点空间坐标；

所述线性优化函数是根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系建立的。

在一个实施例中，线性优化函数可以为：

$\begin{array}{ccc}min\underset{i\&NotEqual;j}{\&Sigma;}\left|d_i-d_j\right|& s.t.& O=O_{init}\end{array};$

其中，d_i为从第i条交线到轴心点的距离，d_j为从第j条交线到轴心点的距离，O为待求轴心点的空间坐标，O_init为初始的轴心点空间坐标。

下面对转轴中心点(轴心点)计算，以及线性优化函数的推导过程进行详细介绍。

上文分析过：转轴中心(转轴轴心点)O到各直线的距离相等。其中，如图3所示，转轴中心到直线l_i的距离可以表示为：

$d_i=\frac{\left|\right|(n_x{O}_x+n_y{O}_y+n_z{O}_z){\stackrel{\&RightArrow;}{N}}_i-(A_i{O}_x+B_i{O}_y+C_i{O}_z+D_i){\stackrel{\&RightArrow;}{N}}_1\left|\right|}{\left|\right|{\stackrel{\&RightArrow;}{N}}_1\&times;{\stackrel{\&RightArrow;}{N}}_i\left|\right|}$

其中： $\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\&RightArrow;}{N}}_1=(n_x,n_y,n_z)\\ {\stackrel{\&RightArrow;}{N}}_i=(A_i,B_i,C_i)\end{array}\right.---\left(5\right)$

由于转轴中心在构造的平面上，那么我们可以得到：

$d_i=\frac{\left|\right|{\stackrel{\&RightArrow;}{N}}_1\left|\right|}{\left|\right|{\stackrel{\&RightArrow;}{N}}_1\&times;{\stackrel{\&RightArrow;}{N}}_i\left|\right|}\&CenterDot;(A_i{O}_x+B_i{O}_y+C_i{O}_z+D_i)---\left(6\right)$

由于转轴中心到各直线的距离相等，所以有：

$\left\{\begin{array}{c}d1-d2=0\\ d2-d3=0\\ d3-d4=0\\ .\\ .\\ .\end{array}\right.---\left(7\right)$

通过将(7)转化为矩阵表示的形式可以得到

$S_{n\&times;3}\left[\begin{array}{c}{O}_x\\ O_y\\ O_z\end{array}\right]=t_{n\&times;1}---\left(8\right)$

其中矩阵S是向量[O_x,O_y,O_z]^T的系数因子。利用SVD(singularvaluedecompositionmethod，奇异值分解法)可以求得一个初始的转轴中心。通过对：

$\begin{array}{ccc}min\underset{i\&NotEqual;j}{\&Sigma;}\left|d_i-d_j\right|& s.t.& O=O_{init}\end{array}---\left(9\right)$

进行一个简单的线性优化求解即可获得精确的转轴中心点坐标，已知转轴方向及其上某一点，即可精确确定转轴在3D扫描系统下的空间参数，进而可以根据转台的转动角度，对后续扫描的3D数据进行精确而简单地自动配准操作。

图3中仅示意性地标出了两条交线l_i和l_j，在实际计算轴心点到每组拟合平面的交线的距离之间的误差时，是要计算图上所有交线与轴心点之间距离的误差值。

具体实施时，本发明实施例中，根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系，确定转轴的空间坐标，可以通过上述提到的线性优化函数来表示上述关系。当然，除了通过建立线性优化函数，来迭代找到最优的转轴空间坐标的方式之外，还可以有多种方式，例如，可以通过建立一个根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系的表格等等方式，来找到最优的转轴空间坐标。

在一个实施例中，转台可以为数控转台。当然，数控转台也可用手控转台替代，在操作时只需保证转动角度的准确性即可。

在一个实例中，还可以包括：对获取的多组三维数据进行去噪处理；

对每组三维数据进行拟合，包括：对去噪处理后的每组三维数据进行拟合。这样的设计保证了确定转轴空间参数和三维数据配准的准确性。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种多角度三维数据配准装置，如下面的实施例。由于多角度三维数据配准装置解决问题的原理与多角度三维数据配准方法相似，因此多角度三维数据配准装置的实施可以参多角度三维数据配准方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图4是本发明实施例中多角度三维数据配准装置的结构示意图，如图4所示，该装置包括：

三维数据获取单元10，用于获取参考平面在三维扫描系统的转台上每转动预设角度的多组三维数据；所述参考平面垂直于所述转台；

三维数据拟合单元20，用于对每组三维数据进行拟合，得到多个拟合平面；

转轴方向确定单元30，用于根据多个拟合平面与同一截面的交线的方向，确定三维扫描系统的转轴的旋转方向；

转轴空间坐标确定单元40，用于根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系，确定转轴的最优空间坐标；

数据配准单元50，用于根据转轴的最优空间坐标，对在所述三维扫描系统下获取的待扫描物体的三维扫描数据进行配准。

在一个实施例中，转轴空间坐标确定单元40可以具体用于：

找到多个轴心点，分别计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差；根据每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差，找到最优的轴心点空间坐标；

根据最优的轴心点空间坐标，确定转轴的最优空间坐标。

在一个实施例中，找到多个轴心点，分别计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差；根据每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差，找到最优的轴心点空间坐标，包括：

根据线性优化函数，迭代找到最优的轴心点空间坐标，对于每个迭代周期均执行以下操作：

计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离；

计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差，直到找到轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差最小时，对应的轴心点的空间坐标，作为最优的轴心点空间坐标；

所述线性优化函数是根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系建立的。

在一个实施例中，线性优化函数可以为：

$\begin{array}{ccc}min\underset{i\&NotEqual;j}{\&Sigma;}\left|d_i-d_j\right|& s.t.& O=O_{init}\end{array};$

其中，d_i为从第i条交线到轴心点的距离，d_j为从第j条交线到轴心点的距离，O为待求轴心点的空间坐标，O_init为最初的轴心点空间坐标。

综上所述，本发明实施例提供的技术方案的有益技术效果为：

(1)在确定三维扫描转轴空间参数时，无需人为精确摆放转轴计算参照物，大致摆放即可，降低了操作的复杂性；

(2)不需要知道参考平面上的标记点，而是以整个参考平面的空间方程为基础进行计算，3D重建系统自身的误差不会对整个参考平面的拟合结果有显著影响，因此保证了操作的稳定性；

(3)通过建立一个线性优化函数，精确地求解出转轴上中心点(轴心点)的空间坐标，保证了结果的精确性。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块、装置或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多角度三维数据配准方法，其特征在于，

获取参考平面在三维扫描系统的转台上每转动预设角度的多组三维数据；所述参考平面垂直于所述转台；

对每组三维数据进行拟合，得到多个拟合平面；

根据多个拟合平面与同一截面的交线的方向，确定三维扫描系统的转轴的旋转方向；

根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系，确定转轴的最优空间坐标；

根据转轴的最优空间坐标，对在所述三维扫描系统下获取的待扫描物体的三维扫描数据进行配准。

2.如权利要求1所述的多角度三维数据配准方法，其特征在于，根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系，确定转轴的最优空间坐标，包括：

找到多个轴心点，分别计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差；根据每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差，找到最优的轴心点空间坐标；

根据最优的轴心点空间坐标，确定转轴的最优空间坐标。

3.如权利要求2所述的多角度三维数据配准方法，其特征在于，找到多个轴心点，分别计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差；根据每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差，找到最优的轴心点空间坐标，包括：

根据线性优化函数，迭代找到最优的轴心点空间坐标，对于每个迭代周期均执行以下操作：

计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离；

计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差，直到找到轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差最小时，对应的轴心点的空间坐标，作为最优的轴心点空间坐标；

所述线性优化函数是根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系建立的。

4.如权利要求3所述的多角度三维数据配准方法，其特征在于，所述线性优化函数为：

$\begin{array}{ccc}min\underset{i\&NotEqual;j}{\&Sigma;}\left|d_i-d_j\right|& s.t.& O=O_{init}\end{array};$

其中，d_i为从第i条交线到轴心点的距离，d_j为从第j条交线到轴心点的距离，O为待求轴心点的空间坐标，O_init为初始的轴心点空间坐标。

5.如权利要求1所述的多角度三维数据配准方法，其特征在于，所述转台为数控转台。

6.如权利要求1所述的多角度三维数据配准方法，其特征在于，还包括：对获取的多组三维数据进行去噪处理；

对每组三维数据进行拟合，包括：对去噪处理后的每组三维数据进行拟合。

7.一种多角度三维数据配准装置，其特征在于，包括：

三维数据获取单元，用于获取参考平面在三维扫描系统的转台上每转动预设角度的多组三维数据；所述参考平面垂直于所述转台；

三维数据拟合单元，用于对每组三维数据进行拟合，得到多个拟合平面；

转轴方向确定单元，用于根据多个拟合平面与同一截面的交线的方向，确定三维扫描系统的转轴的旋转方向；

转轴空间坐标确定单元，用于根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系，确定转轴的最优空间坐标；

数据配准单元，用于根据转轴的最优空间坐标，对在所述三维扫描系统下获取的待扫描物体的三维扫描数据进行配准。

8.如权利要求7所述的多角度三维数据配准装置，其特征在于，所述转轴空间坐标确定单元具体用于：

找到多个轴心点，分别计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差；根据每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差，找到最优的轴心点空间坐标；

根据最优的轴心点空间坐标，确定转轴的最优空间坐标。

9.如权利要求8所述的多角度三维数据配准装置，其特征在于，找到多个轴心点，分别计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差；根据每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差，找到最优的轴心点空间坐标，包括：

根据线性优化函数，迭代找到最优的轴心点空间坐标，对于每个迭代周期均执行以下操作：

计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离；

计算每个轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差，直到找到轴心点到多个拟合平面与同一截面的交线的距离之间的误差最小时，对应的轴心点的空间坐标，作为最优的轴心点空间坐标；

所述线性优化函数是根据转轴上轴心点的空间坐标与多个拟合平面与同一截面的交线的位置关系建立的。

10.如权利要求9所述的多角度三维数据配准装置，其特征在于，所述线性优化函数为：

$\begin{array}{ccc}min\underset{i\&NotEqual;j}{\&Sigma;}\left|d_i-d_j\right|& s.t.& O=O_{init}\end{array};$

其中，d_i为从第i条交线到轴心点的距离，d_j为从第j条交线到轴心点的距离，O为待求轴心点的空间坐标，O_init为初始的轴心点空间坐标。