一种基于球邻域空间体素切分的特征描述方法_张健.pdf
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1、 ()年 第 卷 第 期 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金青年基金项目();郑州大学青年人才企业合作创新团队支持计划项目();工信部高技术船舶科研项目()作者简介:张健,男,硕士研究生,主要从事 视觉、计算机视觉和图形学研究,-:;通信作者 杨炯,男,讲师,主要从事机械设计、计算机图形学研究,-:。本文引用格式:张健,杨炯 一种基于球邻域空间体素切分的特征描述方法 重庆理工大学学报(自然科学),():,(),():()一种基于球邻域空间体素切分的特征描述方法张健,杨炯(郑州大学 机械与动力工程学院,郑州 )摘要:针对复杂干扰场景中 特征描述子描述性和稳定性低的问题,提出了一种基于球邻域空间
2、体素切分的特征描述方法。此方法由一种稳定的局部参考坐标系 ()和一种基于体素表达的特征描述子组成。对于 ,以加权的协方差矩阵计算 轴,以加权的点云投影向量之和作为 轴,轴由二轴的叉乘得到。对于特征描述子,对球邻域进行空间切分,通过判断每个空间体素内是否含有点来确定体素标签值,最后按照体素索引编码得到该关键点的特征信息。实验证明:该方法相比于其他描述子,对噪声、点云表面分布不均、散乱遮挡等干扰具有优异的性能,并且具有良好的泛化性,配准实验进一步验证了该描述子的有效性。关键词:;体素切分;特征提取;特征描述中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言 特征匹配是目标识别和检索、配准、三维重建等应用中
3、的关键过程,而特征描述子的性能则直接决定了特征匹配的效果。当前 特征描述子的算法主要分为两类:整体特征描述子和局部特征描述子 。相比于整体特征描述子,局部特征描述子不需要预先进行分割,而可以从关键点的邻域空间中通过编码邻域点的几何和空间信息为直方图或者点签名来描述几何分布,因此可以 更 好 地 提 取 复 杂 场 景 中 的 目 标 点 云 特征 。学术界提出了很多局部特征描述方法,根据原理又分为两类:直接进行特征描述的方法和通过构建 进行特征描述的方法。前者通过统计关键点邻域的局部几何信息作为特征,尽管计算效率较高但缺少点云空间分布的特征信息,因而对于复杂情形下的目标识别具有一定的局限性。后
4、者则先利用关键点的邻域点分布信息构建 ,将局部表面变换到 坐标系下进行特征提取。由于 的构建完全由邻域点空间分布和局部表面形状决定,因此其本身独立于世界坐标系之外且唯一。基于独立且唯一的 ,可以更多地保留局部表面的空间分布和几何信息,但该方法的性能依赖于 的准确度和稳定性以及合理的特征提取方法。利用邻域点坐标构建协方差矩阵,以矩阵的特征向量作为 的 个主轴,但由于没有判定各个主轴的方向正负,因此其特征信息并不理想。等 研究并解决了 轴的歧义性,提高了 的稳定性,但并未解决 轴的歧义性,其坐标轴方向仍不唯一。等 利用邻域点坐标构建加权的散布矩阵,取特征向量作为主轴并判定了 各个主轴的歧义性,并推
5、广 上下文特征到 。等 以空间网格内的点与轴的余弦夹角进行投票信息作为局部特征。该方法对噪声较为鲁棒且计算效率较高,但对于表面分辨率比较敏感。等 研究了 在局部表面边缘和遮挡处的性能,使用较小的子空间可以提高 对局部边缘的鲁棒性。郭裕兰 利用加权的表面三角面片来构建散布矩阵并设定了主轴符号方向,然后计算多个投影面的中心距和香农熵作为输出特征,虽然描述效果更加理想但计算消耗大 。杨佳琪 利用子空间邻域点构建协方差矩阵确定 轴,采用加权的点投影向量计算得到 轴,并对各轴符号进行了判定,最后以 个投影面的局部深度作为特征输出,此方法展现了出色的效果但特征信息编码不够紧密。等 将球邻域空间转换为立方体
6、空间并均匀切分,以立方体体素内点数作为特征。权思文 取球邻域空间的内接立方体空间并切分体素,以体素空间内是否含有点作为二值化的特征输出,这种切分方式保证了各个体素之间均等的空间信息,提高了特征描述的性能,但特征信息编码紧密性仍有待提高。等 在 构建时引入了高斯分布权重,提高了 的稳定性。等 根据良态特征空间理论,引入编码函数权重以提高描述方法的稳定性,并通过改善支撑半径的大小改善了特征信息的紧密度。等 提出了一种联合框架,在提取关键点的同时提取其描述特征,提高了特征描述和提取过程的计算效率。等 采用了深度学习方法来提取点云局部特征,在球邻域基础上生成圆柱体素并用于卷积计算,提高了特征提取的计算
7、速度。尽管目前已有算法已经具有对噪声、不同表面分辨率、遮挡堆叠等情况的鲁棒性和描述性,但目前的描述方法仍然难以有效应对各种复杂干扰。针对复杂情况下的特征提取,本文提出了一种 构建方法和一种特征描述子,首先根据关键点邻域点空间分布构建 ,在 下对空间体素进行切分并提取特征。该方法基于点云空间分布的思想 ,相比于其他现有方法,本文方法的优势和创新点在于:)提出一种鲁棒且准确的 ,对 的权重和相关参数分别进行了分析和实验测试评估,而且此 也具有良好的泛化性。)提出一种新的特征描述方法,描述子方法展现了优秀的描述性和稳定性,可以更好地应对复杂干扰。本文提出的 和描述子均利用公开数据集进行严格测试,并根
8、据 各轴的偏差和歧义性,以及描述子在噪声和不同表面分辨率等干扰下的准确度和稳定性分别评价各自的性能。描述方法原理 构建 如图 所示,代表在关键点 处半径为 的球形邻域空间,为 的 轴确定的平面,空间内包含有邻域点,为 在 面的投影向量。对于每个关键点,其自身的 由 个矢量坐标轴构成 ,()式中:、分别表示 和 的 轴、轴和 轴。考虑到 轴可以由 的 轴和 轴的叉乘计算得到,因此 轴和 轴的计算是构建 的关键。图 构建方法张健,等:一种基于球邻域空间体素切分的特征描述方法给定关键点 以及以 为中心的半径为 的球形邻域 ,内所有邻域点构成一个点集 (,)。的邻域点的质心点为 ()利用 和 的坐标构
9、建空间协方差矩阵 以描述 和 之间的关系:()()()()式中:为协方差矩阵 的权重;为关键点到邻域点 的向量;表示二范数计算。引入 意味着距离 点越远的邻域点对 的影响越小,减小了边界点对特征信息的干扰,可以提高其区分性 ,而且 的二范数也是邻域点对于空间刚体变换重要的相对不变量。因此引入该权重可以有效提高协方差矩阵分析的有效性和辨别性。对协方差矩阵 进行分析后得到个降序排列的特征值,以及对应的特征向量,。在 个特征向量的方向上,相对于 和 是数据降维时信息损失最大的方向。由于和 各自保留了原数据分布的大部分信息,因此 方向特征信息最少也相对更稳定,可以作为 的 轴方向。虽然 个特征向量确定
10、了方向,但都具有符号正负歧义性,互相歧义的坐标轴方向下经过刚体变换得到的特征点是完全不匹配的。设定判定准则以消除 方向上的歧义性:,()每个邻域点 在 平面内的投影向量 为:()()轴可以由加权的投影向量之和确定 ()对于投影向量,其本身在投影面 内,但仅利用向量加和来确定一个稳定的方向是不可靠的。由于在投影时消除了 轴方向上的特征信息,因此 本身的特征信息量变少,所以应对 附加合适的权重以提高其辨别性。对于 ,可供选择的权重信息主要可以从 个方面考虑:对应的原始向量 的 方向高度,即 ;本身的空间分布,在非极端的降采样表面分辨率下,点云表面分布近似于高斯分布,因此取()(),其中 和 分别表
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