[發明專利]一種從三維點云中提取二次曲面的方法

有效

• 申請號: 201910289385.0
• 申請日: 2019-04-11
• 公開（公告）號: CN110111430B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 柳寧;王高;徐進;李德平
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G06T19/20
• 分類號: G06T19/20
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 劉巧霞

本發明公開了一種從三維點云中提取二次曲面的方法，首先利用每個點的K鄰域點集擬合每個點對應的曲面并計算其對應的曲面參數標準差；其次按曲面參數標準差從小到大的順序排列點集；然后從排序后的點集中依序取出每個點，當取出點對應的曲面參數標準小于設置的閾值且未被標記為已生長點時，視為初始種子點；從初始種子點開始進行區域生長，并以當前區域的序號對屬于該曲面的生長點進行標記，同時對該曲面的特征參數進行動態擬合，直到一個曲面生長完畢；重復步驟從點集中取出點并進行動態擬合，直到曲面參數標準差大于閾值，最后按點云中的標記序號提取對應曲面。本發明能從三維點云中快速準確地提取二次曲面，獲得最優的曲面參數。

技術領域

本發明涉及計算機視覺技術研究領域，更特別地，涉及一種從三維點云中提取二次曲面的方法。

背景技術

隨著計算機技術的發展和三維數據獲取技術的不斷進步，通過計算機視覺來處理三維幾何數據成為現代制造業和工業的重要的技術之一。在基于三維數據的計算機視覺技術中，點云是其主流的表達形式，它有獲取方便、數據結構簡單、表達靈活的特點，適用于大小型規模的三維模型或三維場景的描述。

在制造業和工業生產領域，其產品大多為基于CAD軟件設計的人造物體，含有大量的標準平面或二次曲面，尤以圓柱面、圓錐面、球面和平面居多，它們往往是后續處理(如質量監測、姿態識別、逆向工程等)的重要研究對象。而實際上，這些處理過程一般都在生產流水線上完成，對實時性有很高的要求，因此研究如何從三維點云數據中快速準確地提取二次曲面將具有重大的意義。

近來，二次曲面的提取方法被相繼提出，其中較為主流的包括最小二乘擬合、RANSAC(Random Sample Consensus，隨機采樣一致性)、霍夫變換、遺傳算法、張量投票法和區域生長法(Rabbani T,Van Den Heuvel F,Vosselmann G.Segmentation of pointclouds using smoothness constraint[J].International archives ofphotogrammetry,remote sensing and spatial information sciences,2006,36(5):248-253.)等。最小二乘擬合法是最為典型和成熟的數據擬合方法，其計算較為簡單，易于實現，但對噪聲非常敏感，對初值的要求較高，而且容易出現不收斂的情況，特別是擬合圓柱面和圓錐面時需要采用非線性方法，大大提高計算復雜度。基于RANSAC的二次曲面提取技術是近年來研究的熱點，它在較多噪聲的情況下依然能非常精準地提取出曲面，但由于其算法需要多次迭代，導致效率往往較為低下，難以滿足實時性要求，而且容易出現過擬合的現象。霍夫變換是識別幾何形狀的基本方法之一，它基于參數空間投票的方法，有抗噪聲能力強、結果為全局最優的特點，但對于多維的參數空間，其時間復雜度則呈指數型增長，因此一般只用于平面的分割。而遺傳算法和張量投票法雖然有一定的抗噪聲能力，但其算法都較為復雜，其中遺傳算法的變異算子和交叉算子難以選擇，張量投票法不能提取指定曲面類型，因此實用度均不高。區域生長法最初主要應用于二維圖像處理，它首先從數據中選取一個種子點，然后通過判定種子點與鄰域點的關系來確定是否把鄰域點納入增長集合，只要初始種子點選取恰當，制定有效的生長法則，它能快速準確地完成指定區域分割。該原理被推廣到點云數據中，進行二次曲面的提取。但目前基于區域生長的方法在生長點選取和生長法則制定方面都沒有很好的解決辦法，因此區域生長在三維點云數據的應用多在于平面的提取或平滑區域的分割上，或采用最小二乘與區域生長結合的方法進行二次曲面提取，但這樣的效率會大大降低。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種從三維點云中提取二次曲面的方法，該方法基于區域生長原理，具有效率高，且提取結果準確的優點。

本發明的目的通過以下的技術方案實現：一種從三維點云中提取二次曲面的方法，包括步驟：

(1)從三維點云數據提取每個點的K領域點集，并計算每個點的法線，利用每個點的K鄰域點集擬合每個點對應的二次曲面并計算其對應的二次曲面參數標準差；