(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210570841.0 (22)申请日 2022.05.24 (71)申请人 东南大学 地址 210018 江苏省南京市玄武区四牌楼 2 号 (72)发明人 熊文　徐畅　朱彦洁　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 专利代理师 李想 (51)Int.Cl. G06T 7/33(2017.01) G06T 5/00(2006.01) G06T 7/73(2017.01) G06V 10/44(2022.01) G06F 30/17(2020.01) (54)发明名称 基于设计-实测点云模 型的预制梁体数字预 拼装匹配方法 (57)摘要 本发明涉及桥梁工程构件基于三维点云的 数字预拼装匹配领域， 具体涉及到基于设计 ‑实 测点云模型的预制梁体数字预拼装匹配方法。 对 具有拼装关系的两个预制梁体的三维数字点云 计算有向包围盒， 并形成两个点 云切片及设计点 云； 采用迭代最近点算法， 将两个点云切片分别 与所生成的设计点云作配准； 拟合提取两个待拼 装构件的预拼装界面的边界特征、 角点特征； 先 后使用普氏分析、 迭代最近点算法实现拼装面的 粗略匹配与精细匹配， 计算界面匹配度误差并评 价拼装结果。 本发明引入设计点 云以实现对欲提 取特征附近点云的筛选， 采用多种算法结合的方 式进行待拼装构件姿态调整， 不仅提高了自动化 程度减少人工干预， 而且提高了数字预拼装匹配 精度， 节省计算时间。 权利要求书3页 说明书8页 附图4页 CN 114972457 A 2022.08.30 CN 114972457 A 1.基于设计 ‑实测点云模型的预制梁体数字预拼装匹配方法， 其特 征在于： 步骤如下： 步骤(1)、 分别 对具有拼装关系的两个预制梁体的三维数字点云计算有向包围盒， 基于 两个预制梁体的三维数字点云的几何特征实现三 维坐标校准； 针对校准后的两个预制梁体 的三维数字点云， 在两个预制梁体的拼装界面分别作两个点云切片； 基于所作两个点云切 片共同包 含的拼装界面， 针对该拼装界面所包 含的设计信息生成离 散的设计点云； 步骤(2)、 采用迭代最近点算法， 将步骤(1)中两个预制梁体的拼装界面点云切片分别 与所生成的设计点云作配准； 在设计点云坐标范围的基础上设置距离阈值， 对两个拼装界 面点云切片进行去噪； 步骤(3)、 基于步骤(2)中的设计点云坐标范围， 对去噪后的两个点云切片进行分块； 根 据所需拟合的特征选取拟合函数与拟合算法， 拟合提取两个待拼装构件拼装界面的边界特 征、 角点特 征； 步骤(4)、 基于步骤(3)中两个待拼装构件的预拼装界面 中拟合的边界特征、 角点特征， 首先采用普氏分析算法实现拼装界面粗略匹配， 随后采用迭代最近点算法实现拼装界面精 细匹配， 将点云调整至最终拼装姿态， 计算 拼装界面匹配度误差并评价 拼装结果。 2.根据权利要求1所述的基于设计 ‑实测点云模型的预制梁体数字预拼装 匹配方法， 其 特征在于， 步骤(1)具体步骤如下： 步骤1.1、 分别 对具有拼装关系的两个预制梁体的三维数字点云计算有向包围盒， 使三 维坐标系X轴 、 Y轴、 Z轴方向分别与构件 梁宽、 梁长、 梁高方向平行， 实现坐标 校准； 步骤1.2、 针对两个预制梁体的拼装界面特征， 分别在坐标校准后的两个三维数字点云 的拼装界面处作平行于XOZ坐标平面的点云切片， 即切片点云P1、 切片点云Q1； 其中切片厚度取两倍实测点云密度； 表述式如下： P1＝{p1,p2,…,pm},Q1＝{q1,q2,…,qn} 步骤1.3、 基于切片 点云P1、 切片点云Q1共同包含的拼装界面的设计信息、 设计图纸生成 离散的设计点云D， 表述式如下： D＝{d1,d2,…,dj}。 3.根据权利要求2所述的基于设计 ‑实测点云模型的预制梁体数字预拼装 匹配方法， 其 特征在于： 步骤(2)中以设计点云D为基准， 基于迭代最近点算法， 分别将切片点云P1、 切片 点云Q1与设计点云D配准， 其配准方法如下： 步骤2.1、 分别将切片点云P1、 切片点云Q1、 设计点云D的形心 移动至坐标原点， 即： Pc为移动后的切片点云P1, 为切片点云P1的坐标平均值； Qc为移动后的切片点云Q1, 为切片点云Q1的坐标平均值； Dc为移动后的设计点云D, 为设计点云D的坐标平均值； 步骤2.2、 在移动后的设计点云Dc中分别找到与移动后的切片点云Pc、 移动后的切片点 云Qc中各点最近的点， 通过正交旋转矩阵与刚性平移矩阵， 使对应点间距离的方差最小， 即：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114972457 A 2m为移动后的切片点云Pc的点数， n为移动后的切片点云Qc的点数， pi为移动后的切片点云Pc中第i个点， qi为移动后的切片点云Qc中第i个点， di为移动后 的设计点云Dc中第i个点； 根据上式计算得到的移动后的切片 点云Pc与移动后的设计点云Dc配准时的正 交旋转矩 阵Rp与刚性平 移矩阵Tp， 根据上式计算得到的移动后的切片 点云Qc与移动后的设计点云Dc配准时的正 交旋转矩 阵Rq与刚性平 移矩阵Tq； 配准后得到切片点云P2、 切片点云Q2表述式如下： P2＝Rp·Pc+Tp Q2＝Rq·Qc+Tq 步骤2.3、 基于设计点云D坐标， 设置距离阈值， 筛选有效点云， 将点云P2、 Q2中超出坐标 范围的点视为无效点并去除， 得到去噪后的切片点云P3、 去噪后的切片点云Q3。 4.根据权利要求3所述的基于设计 ‑实测点云模型的预制梁体数字预拼装 匹配方法， 其 特征在于： 步骤(3)具体步骤如下： 步骤3.1、 基于设计点云Dc的坐标， 对去噪后的切 片点云P3、 去噪后的切 片点云Q3进行分 块， 分别提取边界特 征、 角点特 征； 步骤3.2、 针对边界特征， 采取应用拟合函数或拟合算法直接拟合的方法； 对于角点特 征， 采用先拟合边界特征， 再通过边界特征相交计算交点的方法， 当拟合得到的角点特征， 无法在实测点云中找到对应点时， 采取最近邻搜索法， 选取最近点 为角点特 征。 5.根据权利要求4所述的基于设计 ‑实测点云模型的预制梁体数字预拼装 匹配方法， 其 特征在于： 步骤(4)中计算界面匹配度误差并评价 拼装结果， 具体步骤如下： 步骤4.1、 基于去噪后的切片点云P3、 去噪后的切片点云Q3中提取到的角点特征的三维 坐标信息， 建立预拼装匹配点组CP、 预拼装匹配点组CQ， 其中， CP、 CQ均为k*3矩阵， k为匹配点 个数； Cp＝{Cp1,Cp2,…,Cpk},CQ＝{CQ1,CQ2,…,CQk} 步骤4.2、 基于普氏分析算法， 以预拼装匹配点组CP为基准， 将预拼装匹配点 组CQ与之对 齐， 表述式如下： CQ＝Rc·CP+Tc+Ec 根据上式计算得到粗略匹配下的正交旋转矩阵Rc； 根据上式计算得到粗略匹配下的刚性平 移矩阵Tc； 根据上式计算得到粗略匹配下的误差矩阵Ec； 将两匹配点组距 离最小时， 即粗略匹配下的误差矩阵Ec最小时对应的姿态， 确定为粗略 匹配后姿态；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114972457 A 3