[發(fā)明專利]基于三維點云的物料堆自動提取和體積測量方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010134566.9
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111429504B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發(fā)明（設計）人: 黃玉春;張秋蘭;楊星宇
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06T7/62
• 分類號: G06T7/62;G01F17/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張宇

1.一種基于三維點云的物料堆自動提取和體積測量方法，其特征在于，包括：

(1)獲取物料堆的三維點云數(shù)據(jù)，將所述三維點云數(shù)據(jù)歸一化到目標坐標系，并使所述目標坐標系的z軸垂直于地面，得到目標點云；

(2)基于所述目標點云的空間方向曲率，提取得到所述物料堆的坡頂點；

(3)以所述物料堆的坡頂點作為種子點，進行區(qū)域生長，以提取得到整個所述物料堆；

(4)基于提取得到的物料堆點，進行物料堆表面三角網(wǎng)構建，基于構建的所述物料堆表面三角網(wǎng)得到所述物料堆的體積；

其中，步驟(2)包括：

(2.1)按照xoy平面設定的間隔在所述目標點云空間中生成格網(wǎng)，將每個格網(wǎng)范圍內的所有點的坐標平均值作為體素化后中心點的坐標，以所得到的中心點作為體素化點云；

(2.2)計算所述體素化點云中各表面點在多個尺度和多個方向的方向曲率；

(2.3)綜合所述體素化點云中各表面點沿各個方向，在各個尺度下的方向曲率，確定各表面點的最終方向曲率；

(2.4)在所述最終方向曲率滿足預設條件時，確定所述最終方向曲率對應的表面點為坡頂點。

2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)包括：

(1.1)獲取不同掃描位置和掃描方向的覆蓋程度不同的各組三維點云數(shù)據(jù)，其中，每組所述三維點云數(shù)據(jù)之間具有重疊區(qū)域，且所述重疊區(qū)域中具有同名點；

(1.2)對于任意相鄰兩組三維點云數(shù)據(jù)，根據(jù)該相鄰兩組三維點云數(shù)據(jù)的重疊區(qū)域內同名點的對應關系，得到該相鄰兩組三維點云數(shù)據(jù)分別所屬的兩個坐標系之間的旋轉矩陣和平移向量，進而將該相鄰兩組三維點云數(shù)據(jù)歸一化到目標坐標系，以實現(xiàn)所有三維點云數(shù)據(jù)的拼接；

(1.3)對拼接后的三維點云數(shù)據(jù)通過坐標旋轉，使得所述目標坐標系的z軸垂直于地面，所述目標坐標系的x軸和y軸分別指向物料堆場景的邊界。

3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(1.3)包括：

利用拼接后的三維點云數(shù)據(jù)中的地面點擬合出地面的單位法向量作為坐標旋轉之后的z軸的方向，并在底面沿著點云邊界提取單位法向量作為坐標旋轉之后的x軸的方向，將所述地面的單位法向量與邊界提取的單位法向量作外積得到坐標旋轉之后的y軸的單位方向向量。

4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，由確定所述體素化點云中的表面點P₀沿l方向的方向曲率其中，z(P₀)為P₀點的高程，G是高斯卷積核，G′為G的一階導數(shù)，G″為G的二階導數(shù)，在G_σ,l中σ用于調整方向曲率的尺度。

5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，由確定所述體素化點云中各表面點的最終方向曲率K_P，其中，分別為方向曲率的絕對值取得最大值的尺度和方向；

在所述表面點的最終方向曲率滿足K_P＜K_c時，確定所述表面點為坡頂點，其中，K_c為預設閾值，為負值。

6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(3)包括：

(3.1)計算各坡頂點在不同方向的坡度值，其中，所述坡頂點的坡度值由所述坡頂點的鄰域點和所述坡頂點的高度差與水平距離之比確定，所述水平距離表示所述坡頂點的鄰域點和所述坡頂點之間的水平距離；

(3.2)以各所述坡頂點為生長的種子點，若所述種子點在目標方向的坡度值大于預設坡度值閾值，則向所述目標方向生長一個點，并以生長點為新的種子點，繼續(xù)生長，否則所述種子點在所述目標方向停止生長，直至所有種子點生長完畢，得到整個所述物料堆的坡面。

7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括：

在生長過程中，若第一物料堆的待生長點已經(jīng)被與所述第一物料堆相鄰的第二物料堆生長時，獲取所述待生長點與所述第一物料堆的中心點的第一距離，所述待生長點與所述第二物料堆的中心點的第二距離，比較所述第一距離與所述第二距離之間的大小，將所述待生長點歸屬于距離值較小時對應的物料堆，進而完成生長過程。