Automatic registration of 3D point cloud sequences

Abstract

Surface registration is a well-studied problem in computer graphics and triangle mesh processing. A plethora of approaches exists that align a partial 3D view of a surface to another, which is a central task in 3D scanning, where usually each scan only provides partial information about the shape of the scanned object due to occlusion. In this paper, we address a slightly different problem: a pair of depth cameras is observing a dynamic scene, each providing a sequence of partial scans. The scanning devices are assumed to remain in a constant relative position throughout the process, and therefore there exists a single rigid transformation that aligns the two sequences of partial meshes. Our objective is to find this transformation based on the data alone, i.e. without using any specialized calibration tools. This problem can be approached as a set of static mesh registration problems; however, such an interpretation leads to problems when enforcing a single global solution. We show that an appropriate modification of a previously proposed consensus-based registration algorithm is a more viable solution that exploits information from all the frames simultaneously and naturally leads to a single global solution.

Registrace povrchů je dobře prozkoumaným problémem v počítačové grafice a zpracování trojúhelníkových sítí. Existuje celá řada přístupů, které se zaměřují na zarovnání částečného 3D pohledu na povrch s jiným, což je klíčový úkol při 3D skenování. Během skenování obvykle každý sken poskytuje pouze částečné informace o tvaru skenovaného objektu kvůli zakrytí (okluzím). V tomto článku se věnujeme mírně odlišnému problému: dvojice hloubkových kamer pozoruje dynamickou scénu, přičemž každá z nich poskytuje sekvenci částečných skenů. Předpokládá se, že skenovací zařízení zůstávají během celého procesu ve vzájemně konstantní relativní poloze, a proto existuje jediná rigidní transformace, která zarovnává obě sekvence částečných sítí. Naším cílem je tuto transformaci najít pouze na základě dostupných dat, tedy bez použití specializovaných kalibračních nástrojů. Tento problém lze chápat jako sadu úloh pro registraci statických sítí; taková interpretace však vede k problémům při prosazování jednoho globálního řešení. Ukazujeme, že vhodná modifikace dříve navrženého algoritmu pro registraci založeného na konsenzu je životaschopnějším řešením, které využívá informace ze všech snímků současně a přirozeně vede k jedinému globálnímu řešení.