[發明專利]一種大規模稠密點云法線的確定方法

有效

• 申請號: 201810111004.5
• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN109325953B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 孟祥林;何萬濤;程俊廷;郭延艷;霍濱焱;車向前;趙燦;周波
• 申請（專利權）人: 黑龍江科技大學
• 主分類號: G06T7/11
• 分類號: G06T7/11;G06T3/40;G06K9/62
• 代理公司: 深圳市智科友專利商標事務所 44241
• 代理人: 曲家彬

一種大規模稠密點云法線的確定方法，解決法線確定效率問題，采用的方法是，將點云整體視為曲面，將點云數據分割到很小的空間立方體內，同立方體內的點云數據均視為在同一平面上，對于包含點云的立方體，為其構造一個附著在該曲面上的插值節點，從而形成一系列插值節點。通過鄰域搜索、主成分分析計算所有插值節點的法線。將同一立方體內的所有點云及相鄰立方體內所有插值節點沿法線最大分量方向投影到坐標平面內，得一系列二維點，利用雙線性插值，求每個二維點法線。利用投影對應關系將法線指定給相應的三維點云數據，完成點云法線計算。有益效果為：鄰域搜索和法線計算次數大大減少，通過設置立方體邊長大小可獲得不同精度的法線計算結果，使用方便、靈活。

技術領域：

本發明屬于光學三維測量數據處理領域，一種對大規模稠密點云法線的確定方法。

背景技術

光學三維測量技術的發展使得大規模稠密點云的獲取能夠在幾秒鐘內完成，一個物體的模型往往需要百萬以上的三維點云來表達。由于三維點云數據使用十分方便，從而獲得越來越廣泛的應用。點云數據的法線計算是特征提取、數據精簡、數據平滑、曲面重建等處理的基礎，是點云數據處理的關鍵基礎技術。

三維點云數據在空間上往往是散亂的，點與點之間沒有直接的聯系，因此，點云數據的法線計算通常先針對散亂數據進行分割，建立空間拓撲結構，根據給定點的坐標計算其處于空間拓撲結構的具體位置，縮小點云數據的搜索范圍，加快局部搜索速度，在獲得給定點的鄰域后，進行曲面或平面擬合從而獲得法線。然而，由于點云數據量大以及處理技術的局限性導致大規模稠密點云數據的法線計算效率低、處理能力受限。大規模稠密點云數據的法線計算難以滿足效率上的要求，其不足之處主要為：

(1)點云分割的大小需要人為的指定，往往需要多次嘗試以獲得合理值。

(2)點云數據的鄰域在空間上雖然接近給定點，然而鄰域分布的均勻性難以保證，法線計算結果難免出現偏差。

(3)利用鄰域進行曲面或平面擬合一般需要進行矩陣的奇異值分解，對于給定的m×n矩陣，當m≥n時奇異值分解的時間復雜度為O (mn²)。伴隨點云數量增加，龐大的計算量令效率成幾何級數下降。

基于以上原因，大規模稠密點云法線計算往往成為制約處理效率的瓶頸，快速發展的光學三維測量技術需要高效、精確的點云數據處理技術和方法。

發明內容

本發明針對大規模稠密點云數據的法線計算效率低的問題，將點云整體視為曲面，采用空間分塊處理策略，將點云數據分割到很小的空間立方體內，每個立方體內的點云數據均可視為在同一平面上。對于包含點云的立方體，為其構造一個附著在該曲面上的插值節點，從而形成一系列插值節點。通過鄰域搜索、主成分分析算法計算所有插值節點的法線。將同一立方體內的所有點云及相鄰立方體內所有插值節點沿法線最大分量方向投影到坐標平面內，從而得到一系列二維點，利用雙線性插值思想，為每個二維點計算一個法線。利用投影對應關系將法線指定給相應的三維點云數據，最終形成完整的大規模稠密三維點云法線計算技術。

本發明為實現發明目的采用的技術方案是：

一種大規模稠密點云法線的確定方法，該方法基于法線的雙線性插值算法，通過對稠密點云進行空間分割，構造插值節點，確定插值節點計算法線及為點云數據法線的插值計算處理，得到所有稠密點云數據的法線，該方法由以下步驟實現：

步驟1.給定點云數據S＝{X_t＝(x_t,y_t,z_t)∈R³|t＝1,…,N}，遍歷點云數據獲得點云數據在X、Y和Z方向上的最大坐標值和最小坐標值x_max、 x_min、y_max、y_min、z_max、z_min；

根據總點數N利用公式(1)計算分割點云立方體邊長L；