基于三维点云的目标识别与定位方法研究

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题名	基于三维点云的目标识别与定位方法研究
作者	鲁荣荣1,2
答辩日期	2019-05-14
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	沈阳
导师	朱枫 ; 吴清潇
关键词	目标识别点云分割点对特征三维局部特征几何约束
学位名称	博士
其他题名	Researches on Target Recognition and Localization Method Based on Three-dimensional Point Cloud
学位专业	模式识别与智能系统
英文摘要	随着《中国制造2025》制造强国战略的提出，以“个性化定制、柔性化生产”为理念的小批量生产模式已成必然趋势。机器人作为实现这一转变的关键要素，提升机器人的环境感知能力迫在眉睫。其中，抓取物体是机器人与环境自主交互过程中十分基础但很重要的环节，而机器人完成抓取操作的前提是其视觉感知系统能够对目标进行识别定位。以模板匹配为代表的二维目标识别定位方法虽然在传统的大批量、结构化生产模式中发挥了关键作用，但它们并不能很好地处理非结构化环境下的目标识别定位问题。三维目标识别定位方法以其更加灵活、更加鲁棒、更加精确的识别定位性能成为提升机器人环境感知能力的首选。开展三维目标识别定位方法的研究具有重要的理论意义与实际应用价值。三维目标识别在过去的三十年里已取得较大的理论突破，但其中仍有一些环节有待进一步改进与完善。本文以三维点云为主要研究对象，结合实际工程应用需求，针对三种类型的目标进行识别定位方法的研究，分别是几何特征单一的平面型物体；几何特征较丰富的物体以及几何特征丰富的物体，并据此凝练出以下四个研究内容：(1) 基于有序点云分割的平面型物体识别定位方法。平面型物体可以看成将某种二维形状垂直拉伸一定高度后形成的立体构型。这类物体在工业生产中十分常见，且多为需要进一步加工的原材料，例如铺设地面的板砖、经切削后需要打磨的钢板等。在自动化生产加工中，视觉系统需要根据传感器采集的数据对它们进行识别定位，以辅助机械手完成抓取操作。对于多个平面型物体混叠摆放的场景，基于局部特征匹配的识别定位方法在处理结构简单、几何特征单一的平面型物体时，容易出现误匹配而导致识别失败；基于模板匹配的方法因为效率不高，抗遮挡能力不够，识别定位效果也不理想。针对这一问题，本课题提出一种基于有序点云分割的平面型物体识别定位方法，以实现对这类物体的快速识别定位。(2) 基于增强型点对特征的三维目标识别定位方法。点对特征特指由两个点及其法向量构建的四元属性组。由于其组成要素少，生成方式快捷简单，使其具有高效、灵活的曲面表征能力，可以用来描述几何特征并不丰富的三维点云模型。本课题在基于点对特征投票的三维目标识别算法基础上，针对其中因点对特征存在二义性导致算法识别率不高以及模型点对特征哈希表中存在大量冗余点对导致内存浪费的问题，提出一种在视点可见性约束下，基于增强型点对特征的三维目标识别定位方法，以提高算法的计算效率和识别准确率。(3) 基于三维位置信息的局部特征描述方法。三维局部特征描述是3D视觉领域的重点研究方向之一，它是很多高级任务的基础，例如三维目标建模、三维目标检索以及三维目标识别等。评价一个三维局部特征描述子的综合性能通常从以下五个维度出发：区分性、抗干扰性、紧凑性、计算高效性以及可扩展性。其中，区分性主要考察特征的表征能力；抗干扰性主要考察特征对噪声、遮挡等因素的抵抗能力；紧凑性主要考察特征的维度是否足够低，以便于存储和特征匹配；计算高效性主要考察特征的生成方式是否快捷；可扩展性主要考察特征对于多模态信息能否灵活兼容。在过去的二十多年里，诞生了许多性能优异的三维局部特征描述方法。但基于上述五个维度对它们进行考察，发现每种三维局部特征描述方法至少存在一个方面的短板。针对这一问题，本课题在总结前人优秀工作的基础上，提出一种基于三维位置信息的局部特征描述方法，试图在这五个维度上取得很好的平衡。(4) 基于几何约束与投票的位姿估计方法。在基于三维局部特征匹配的目标识别方法中，估计目标的6D位姿需要依赖正确的匹配关系。性能优异的三维局部特征有助于在特征匹配环节建立更多正确的匹配对，但无法避免引入错误的匹配。引起误匹配的原因有多种，例如场景中存在重复结构、场景点云带有噪声、场景中其他物体的干扰、目标特征显著的地方被遮挡、目标自身的相似性干扰以及三维局部特征的表征能力不够等。错误的匹配会影响位姿估计的准确率和精度，现有的误匹配剔除算法在准确率和效率方面还存在优化改进的空间。本课题针对现有方法的不足，提出一种基于几何约束与投票的位姿估计方法，试图将位姿估计与误匹配剔除联合优化，从而提升位姿估计的准确率和精度。该方法不止适用于三维目标识别，在点云配准、三维目标建模等任务中也能发挥作用，具有一定的通用性。
语种	中文
产权排序	1
页码	112页
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.cn/handle/173321/25149]
专题	沈阳自动化研究所_光电信息技术研究室
作者单位	1.中国科学院大学 2.中国科学院沈阳自动化研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	鲁荣荣. 基于三维点云的目标识别与定位方法研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2019.