[發(fā)明專利]基于長方體擬合掃描三維點云的曼哈頓結(jié)構(gòu)建筑物自動建模方法

在審

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• 申請日: 2017-08-14
• 公開（公告）號: CN107657659A
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發(fā)明（設計）人: 李明磊
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06T17/30
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 唐紹焜

1.基于長方體擬合掃描三維點云的曼哈頓結(jié)構(gòu)建筑物自動建模方法，其特征在于：包括步驟：

(1)獲取數(shù)據(jù)對象：采用攝影測量技術或者三維激光雷達掃描儀掃描曼哈頓結(jié)構(gòu)建筑物，獲得其三維點云數(shù)據(jù)；

(2)建模：

1)通過RANSAC算法，提取步驟(1)中獲得的三維點云數(shù)據(jù)中包含的平面結(jié)構(gòu)；

2)將步驟1)得到的平面結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，使其法向量分別與三個坐標軸相平行；將所述平面結(jié)構(gòu)的法向量強制約束等于和它最接近的主坐標軸方向，得到新的平面參數(shù)方程；并更新平面結(jié)構(gòu)；

3)將步驟2)更新后的平面結(jié)構(gòu)根據(jù)指向分為三組，即G_X，G_Y，G_Z，分別代表法向量與X，Y和Z軸平行的三組平面；在所述三組平面的每一組中分別選擇相鄰的兩個平面，得到6個平面；將這6個平面組合成一個備選長方體；所述長方體分為兩類，一類是組合成為目標模型實體內(nèi)部的，被視為有效建模的長方體，標記為1；另一類是實體外部的，非結(jié)構(gòu)組成部分的無效的長方體，標記為-1；

4)給每一個長方體b_i計算一個覆蓋度分值S(b_i)，具體而言，

其中，代表了長方體的一個面f的法向量，一個長方體共有6個面；代表參與擬合該面f的點p_j的法向量，點數(shù)目M在擬合之后有確定的值；而dist(p_j)表示了點p_j到平面f的距離；

5)根據(jù)步驟4)分別計算各個長方體的覆蓋度參數(shù)；

6)根據(jù)步驟5)的覆蓋度參數(shù)建立目標能量方程，具體形式如下：

其中，λ是用以權(quán)衡數(shù)據(jù)項和平滑項的權(quán)重參數(shù)；D(b_j)是由長方體b_j的覆蓋度參數(shù)組成的數(shù)據(jù)項，

V(b_j,b_i)＝max(C_i,j,1) (6)

另外V(b_i,b_j)表示約束節(jié)點相互作用的平滑項，其中的C_i,j是為處理噪聲和采樣不均而設計的一個緊湊度函數(shù)；

7)采用的是經(jīng)典的圖割算法求解步驟6)建立的目標能量方程，將所有的長方體分類為對建模有效的長方體和無效的長方體兩類；最終的三維幾何模型就是由分類結(jié)果中有效的長方體組合而成的幾何表面。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的曼哈頓結(jié)構(gòu)建筑物自動建模方法，其特征在于：所述RANSAC平面提取算法具體步驟如下：

11)每次循環(huán)計算過程中，利用隨機采樣的方法從三維點云數(shù)據(jù)X中任意選取不共線的3個點{x₁ⁱ,x₂ⁱ,x₃ⁱ}組成計算一個平面所需的最少條件，計算由這三個點確定的平面πⁱ；

12)比較平面πⁱ的法向量與三個點的法向量{n₁ⁱ,n₂ⁱ,n₃ⁱ}的差異是否小于預設的閾值來判斷該平面能否作為備選平面；如果滿足閾值條件，則將πⁱ納入到備選平面集Π中；

13)獲得備選平面πⁱ之后，定義一個計數(shù)器，計算三維點云數(shù)據(jù)中的所有采樣點到平面的距離，以及所有點的法向量與平面πⁱ法向量的交角；如果某一點的距離和法向量交角都小于預設的擬合閾值，表示該點可以被認為是平面πⁱ的一個支撐點，則計數(shù)器加一；否則，計數(shù)器不記錄該點；

14)在完成規(guī)定的循環(huán)計算次數(shù)后，備選平面集Π中獲得最多支撐點數(shù)的平面被選出；然后，利用被選出的平面的所有支撐點，根據(jù)最小二乘平面擬合方法重新來計算優(yōu)化平面位置，由此獲得參數(shù)化的平面π_j；

15)產(chǎn)生了一個平面π_j后，對剩下的點集X/inliers_πj，重復步驟(1)到(4)繼續(xù)提取平面，直到?jīng)]有可以滿足繼續(xù)有效擬合一個平面的數(shù)據(jù)為止。