[發(fā)明專利]一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的螺紋表面三維重構(gòu)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010859916.8
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN112150606B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田應(yīng)仲;喻永前;薛松
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

1.一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的螺紋表面三維重構(gòu)方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，原始點(diǎn)云采集：

通過搭建旋轉(zhuǎn)測量平臺與激光掃描儀相結(jié)合的方式完成螺紋點(diǎn)云的完整掃描輸入；

步驟2，數(shù)據(jù)空白點(diǎn)剔除：

點(diǎn)云輸入后，通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行空白點(diǎn)及異常點(diǎn)的剔除；

步驟3，特征點(diǎn)提取：

針對螺紋點(diǎn)云牙頂部分與牙底部分，采用曲率提取與harris3D相結(jié)合的方式，進(jìn)行特征提取；提取螺紋牙頂及牙底部分特征點(diǎn)云作為保留點(diǎn)云，進(jìn)行特征點(diǎn)提取算法如下：

首先在螺紋點(diǎn)云中選定一點(diǎn)并建立一個(gè)局部坐標(biāo)系，設(shè)定z方向是法線方向，x,y方向和z垂直，假設(shè)點(diǎn)云的密度是相同的；

其次，在任意點(diǎn)處點(diǎn)上建立一個(gè)小正方體，通過改變邊長L，設(shè)定判斷條件為：

a、如果小正方體沿z方向移動(dòng)，小正方體里的點(diǎn)云數(shù)量n變化幾乎不變，接近于0；

b、如果小正方體位于邊緣上，則沿邊緣移動(dòng)，點(diǎn)云數(shù)量n變化點(diǎn)云數(shù)量幾乎不變，沿垂直邊緣方向移動(dòng)，點(diǎn)云數(shù)量改變較大；

c、如果小正方體位于角點(diǎn)上，則有兩個(gè)方向都會(huì)大幅改變點(diǎn)云數(shù)量；

最后，為獲得更精確的螺紋牙頂重構(gòu)曲面，在應(yīng)用harris3D檢測算法后，提取出螺紋牙頂與牙底的關(guān)鍵角點(diǎn)集；再基于第i個(gè)點(diǎn)的曲率點(diǎn)云曲率ρ_i進(jìn)行跟進(jìn)提取，通過判定每個(gè)點(diǎn)云曲率大小并選取曲率變化較大的牙頂特征點(diǎn)云其結(jié)果點(diǎn)集P₂，點(diǎn)集P₂與harris3D算法檢測的點(diǎn)云集P₁共同構(gòu)成本文方法所描述的螺紋特征點(diǎn)云集P₃完成最終的螺紋特征點(diǎn)的提取；

步驟4，基于特征保留的點(diǎn)云簡化方法：

在特征點(diǎn)云提取后，在剩余部分進(jìn)行降采樣濾波，將采樣后點(diǎn)云與特征提取后點(diǎn)云進(jìn)行結(jié)合作為下一步驟的輸入，在保證采樣點(diǎn)滿足重建條件的前提下，從而減小重建算法的計(jì)算量,大大提高了重建的速度；

步驟5，點(diǎn)云法向估計(jì)以及一致性判定：

基于步驟4的輸入點(diǎn)云采用不同的半徑閾值的點(diǎn)云局部擬合法進(jìn)行向量估計(jì)，在得出每個(gè)點(diǎn)云的法向量之后，進(jìn)行法向量的方向判定，給定方向?yàn)檎较颍繉ο噜忺c(diǎn)云求解法向量夾角，若夾角為銳角則方向不變，若為鈍角，則將后一向量進(jìn)行反向；將最終結(jié)果與步驟4點(diǎn)云進(jìn)行結(jié)合生成新的有向點(diǎn)云集；

步驟6，泊松重建：

基于步驟5的輸入點(diǎn)云集 進(jìn)行隱函數(shù)方法的泊松重建。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的螺紋表面三維重構(gòu)方法，其特征在于：所述步驟1中的采集方式為旋轉(zhuǎn)平臺和激光掃描儀結(jié)合的方式采集，掃描儀支架是位于基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的圓軌平臺，旋轉(zhuǎn)中心上放置待掃描的直立螺紋，掃描儀從某個(gè)位置及角度開始掃描，在掃描儀掃描的同時(shí)記錄三維點(diǎn)云信息，掃描儀繞中心旋轉(zhuǎn)360°后，完成螺紋外圈一周的掃描，以此獲得螺紋的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的螺紋表面三維重構(gòu)方法，其特征在于：所述步驟3中的點(diǎn)云特征點(diǎn)提取，采用曲率提取與harris3D相結(jié)合的方式進(jìn)行螺紋點(diǎn)云牙頂與牙底部分提取，由此提取到螺紋表面坡度敏感位置的點(diǎn)云，為曲率變化較大的位置提供充足的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保證三角化網(wǎng)格數(shù)量足夠多，減小重構(gòu)誤差。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的螺紋表面三維重構(gòu)方法，其特征在于：所述步驟4中基于特征保留的點(diǎn)云簡化方法，對于非特征部分點(diǎn)云，采用降采樣濾波的方式，通過設(shè)置一定的閾值，在滿足重構(gòu)要求的條件下，最大限度的減少點(diǎn)云數(shù)量，并將采樣后的點(diǎn)云與步驟3中提取的特征點(diǎn)結(jié)合，與原始點(diǎn)云相比，在不損失整體形貌的同時(shí)，細(xì)節(jié)特征部分也得到加強(qiáng)，降低重構(gòu)過程中的數(shù)據(jù)運(yùn)算量并提高運(yùn)算速率。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的螺紋表面三維重構(gòu)方法，其特征在于：所述步驟5進(jìn)行點(diǎn)云法向估計(jì)以及一致性判定，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在泊松重構(gòu)過程中點(diǎn)云的法向量對重構(gòu)結(jié)果影響很大，根據(jù)不同位置處的點(diǎn)云密度不同，在使用局部擬合求解法向量過程中，采用不同的半徑閾值，計(jì)算全局點(diǎn)云密度和點(diǎn)局部密度，若局部密度大于全局密度，則選取更小的半徑閾值，若局部密度小于全局密度，則選取較大的半徑閾值，實(shí)現(xiàn)特征增強(qiáng)的細(xì)致化向量求解，在得出每個(gè)點(diǎn)云的法向量之后，進(jìn)行法向量的方向判定，給定方向?yàn)檎较颍繉ο噜忺c(diǎn)云求解法向量夾角，若夾角為銳角則方向不變，若為鈍角，則將后一向量進(jìn)行反向；將最終結(jié)果與步驟4點(diǎn)云進(jìn)行結(jié)合生成新的有向點(diǎn)云集。