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[数据结构与算法]点云匹配算法ICP公式推导过程说明

ICP的具体原理和步骤:

https://blog.csdn.net/qq_35102059/article/details/121693863?spm=1001.2014.3001.5501

构建误差函数:

首先针对两个点云,进行点云的数据关联(一般是投影到同一帧,使用kdtree找最临近),做一个相减构造误差函数,最小化误差函数求旋转R和平移t。

最小化误差函数过程的注意事项:

1.分别取两块点云的质心(一般是求均值,为已知),在误差函数的二范数中添加项,并构造。这一步去质心的目的是为了将R和t分解开来。

2.展开二范数,由质心的定义,可消去交叉相乘项,即可解耦旋转和平移。

3.第一项中只有R,第二项中有R和t。由第二项可知:对于任意的R,都存在一个t,使得第二项为0,即最小。所以,问题就可转化为用第一项先求R最小,再令第二项为0求t。

4.将第一项的二范数再展开,根据矩阵二范数的性质,且R为正交矩阵->RTR为单位矩阵,可消去多余的R,仅留交叉项中有R,问题即可转化为求交叉项最大。

5.对第一项展开式的交叉项做变换。由于x,y为3*1的向量,可知交叉项相乘为1*1的矩阵,即为一个常数,所以如下图(1),可直接由矩阵转换为矩阵的迹。

6.由矩阵乘法本质可知,两个矩阵交换相乘,迹不变,可得下图(2)过程。此步骤目的是将R提出来,将两个点云的坐标x,y合并,方便后续求解。?

7.所以如下图,问题转化为求矩阵迹的最大值。

?8.求矩阵最大值,有如下定理(推导过程如注释)。即在R为任意值的情况下,RH都小于一个正定矩阵(此正定矩阵就为最大值)。则求一个R,可以使得RH为正定矩阵(最大情况),此时的R即为要求的、使得第一项展开交叉项最大的R。?

9.假设RH最大的时候,为一个正定矩阵。凑此时的R和H,将H做SVD分解,取R=VUT,可凑出RH=AAT的形式。此时的A为如下图形式。

10.则R为H分解得到的VUT,t也可求得。

?完。。。

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加:2022-03-08 22:48:16  更:2022-03-08 22:49:15 
 
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