[發明專利]一種多線LiDAR點云數據平面特征的提取方法及裝置

有效

• 申請號: 202011141551.1
• 申請日: 2020-10-22
• 公開（公告）號: CN112232248B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 宗文鵬;李廣云;王力;項學泳;李帥鑫;孫森震;李梟凱;楊嘯天;羅豪龍;高揚駿;朱華陽;王鵬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊信息工程大學
• 主分類號: G06V20/64
• 分類號: G06V20/64;G06V20/10;G06V10/25;G06T7/187;G06T7/62;G06T7/66
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 吳敏

本發明涉及一種多線LiDAR點云數據平面特征的提取方法及裝置。提取方法包括：獲取多線LiDAR的原始點云數據，得到包括N條掃描線的距離圖像；找出每條掃描線的斷點，利用斷點將各掃描線分割為若干子段；以子段為單位進行掃描線上和掃描線間的生長，得到合并子段；根據合并子段的面積、維度特征描述符、點集變化最小的方向、被投票平面的法向量確定合并子段在各個潛在平面上的投票得分，選取得分較高的若干個潛在平面作為該合并子段的候選平面；選出為候選平面投票的合并子段進行平面擬合，得到若干平面片；將若干平面片進行以點為單位的區域生長，生長停止后計算各平面片的參數，完成平面特征的提取。本發明能夠準確和完整的提取出多線LiDAR點云的平面特征。

技術領域

本發明涉及一種多線LiDAR點云數據平面特征的提取方法及裝置，屬于點云數據處理技術領域。

背景技術

激光雷達(Light?Detection?and?Ranging，LiDAR)作為一種主動式傳感器，通常采用800～1000nm波段的不可見光作為光源，該波段的光不會與環境光產生相互干擾，因此能夠在不同光照條件下工作。LiDAR的距離測量是基于飛行時間或相位差原理，可以輸出回光強度信息。根據測量維度，可將LiDAR分為2D?LiDAR和3D?LiDAR兩種。3D?LiDAR有三種類型，分別為基于旋轉的2D?LiDAR而定制的3D?LiDAR(也可以稱為Ro-LiDAR)、地面激光掃描儀(Terrestrial?Laser?Scanner，TLS)和多線LiDAR。其中，TLS測量精度可達毫米級，價格高昂，主要用于高精度三維信息采集；其他LiDAR測量精度一般為厘米級。多線LiDAR內部有一個由多個激光發射器垂直排列構成的陣列，用于實現垂直掃描測量；而水平方向的掃描測量是通過LiDAR測量頭部的機械旋轉實現的。多線LiDAR的掃描頻率可達10～15Hz，水平視場范圍可達360°，但垂直方向視場范圍較小，一般在30～40°左右。

近年來，隨著機器人技術的不斷發展，移動機器人感知與自主定位逐漸成為學術研究和工程實踐中的熱點問題。由于多線LiDAR的測量頻率高，測程較遠，且相對于其他傳感器具有較高的精度，同時產品尺寸和價格得到大幅度降低，因此多線LiDAR在機器人感知和自主定位中的重要性日益凸顯，幾乎已成為高性能移動機器人(如自動駕駛車輛)的標配傳感器。

雖然不同線束的多線LiDAR測量原理相似，但內部配置各有不同，對于一些考慮LiDAR傳感器結構特性的算法，往往需要進行特異性處理(主要指參數設置)。多線LiDAR每秒可輸出幾十到一百多萬個點，龐大的數據量給點云處理算法帶來一定挑戰，為此一些算法從原始LiDAR點云中提取幾何基元，作為后續功能性算法處理的輸入來提高處理效率的問題。幾何基元可分為形狀基元和結構基元，形狀基元包括線(如直線和曲線)、面(如平面)和體基元(如立方體和圓柱)；結構基元包括骨架、二維輪廓和三維邊界。幾何基元被廣泛應用于目標識別、場景理解和三維重建中，并且其中的形狀基元還可用于提高定位精度以及實現場景的模型化。作為最常見的一種形狀基元，平面特征大量存在于室內及城市場景中，利用平面特征可通過掃描匹配實現移動機器人的自主定位，同時可作為特征路標用于機器人位姿的全局優化。平面特征的有效提取是移動機器人的感知、定位和地圖構建等任務中的先決條件。在測繪遙感等領域中已有許多點云平面特征提取(又稱點云平面分割)的有效方法，如圖1a和圖1b所示：基于霍夫變換的平面特征提取方法，該方法將多線LiDAR的點云作為無序點云處理，以點為單元對潛在平面進行投票，實現了平面特征的提取。

然而，多線LiDAR點云存在較強的稀疏性，現有的平面提取方法主要針對的是較為稠密的點云，直接將這些提取方法應用于較為稀疏的多線LiDAR點云往往難以取得令人滿意的效果，如圖2所示，在一些位置或方向上點云分布極為稀疏，這可能導致平面提取效果較差，可能存在過分割或欠分割問題，同時對于稀疏區域往往會漏檢或誤檢的現象，為此，需要提出一種針對多線LiDAR點云平面特征提取的技術方案。

發明內容

本申請的目的在于提供一種多線LiDAR點云數據平面特征的提取方法及裝置，為多線LiDAR點云平面特征的提取提出一種行之有效的技術方案。