[發明專利]一種自適應搜索半徑的三維點云管道提取與建模方法

有效

• 申請號: 202110288746.7
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN112884886B
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 楊帆;張馳;張季一;王英利;曹鑫亮;車明亮;陸佩華
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 徐激波

1.一種自適應搜索半徑的三維點云管道提取與建模方法，其特征在于，包括以下步驟；

步驟一：點云重采樣，可以采用體素濾波或者八叉樹重采樣方法，對原始點云P進行重采樣，使得點云的密度相對均勻，得到重采樣點云P′；

步驟二：管道中軸點集計算；該方法首先利用局部采樣點其鄰域內點云的鏡面對稱性，計算近鄰點集的鏡面對稱平面，接著計算鄰域內局部點云的管道走向，根據管道走向獲取管道縱剖面點云，利用隨機采樣一致性算法擬合圓計算管道中軸點，通過對采樣點云重復計算得到整個管道走向的中軸點集，在計算的過程中通過自適應的變化搜索半徑，以適應不同直徑的管道中軸線點集提取；

步驟三：管道中軸線提取；利用曲線追蹤方法提取管道的中軸線；

步驟四：管道三維模型重建，根據提取的中軸線構建管道三維模型，實現最終的三維管道模型構建；對提取的管道中軸線集合L，遍歷每一條管道中軸線，對管道中軸線進行平滑，根據落在管道中軸線上圓心點集合中所有圓半徑的中值作為管道的半徑進行模型恢復；

所述的步驟二中關于管道中軸點集計算的具體實現步驟為：

2.1設置隨機選擇采樣點數目為n，設置點云搜索半徑R_max，R_min；

2.2根據采樣點數目為n，對點云P′進行降采樣，得到隨機點云P_down；

2.3對P′構造K-D樹kd_search，遍歷P_down中的每一個點p，在kd_search中尋找點p的近鄰點，得到鄰域點集N，當前搜索半徑r＝R_max-i*r_interval；

2.4根據點p的鄰域點集N進行鏡面對稱分析，獲取點集合N的對稱平面plane，如果無法獲取對稱平面，則跳過該點p；

2.5根據對稱平面plane和鄰域點集N計算交線，交線的方向向量為管道的走向向量dir；

2.6根據走向向量dir和鄰域點集N計算縱剖面，得到縱剖面點集P_circle，計算剖面的寬度l，如果不滿足sin2π/3≤l/r≤sin4π/3，跳過該點p；利用隨機采樣一致性算法，根據縱剖面的點集P_circle進行圓擬合，如果滿足條件的點數目m_inlier/縱剖面點集P_circle點數≤0.8，跳過該點，否則將圓心O(x，y，z)和擬合圓半徑r_circle加入點集P_centers。

2.根據權利要求1所述的一種自適應搜索半徑的三維點云管道提取與建模方法，其特征在于，所述步驟2.4中鏡面對稱分析的具體實現步驟為：

3.1.利用主成份分析(PCA)對鄰域點集N進行特征值分解，得到特征值λ1≤λ2≤λ3和對應的特征向量取特征值λ2的特征向量作為初始對稱平面的法向量；

3.2.鏡面對稱分析對應于求解以下最小二乘問題，對于領域N內的點，假設點p’是p_i的鏡面對稱對應點，即在鏡面對稱S^refl下，兩個點“反射”到彼此上，即p’類似于S^refl(p_i)，S^refl(p_i)表示p’的對稱點；設S^refl＝{p，n}表示一個對稱平面，該對稱平面由平面中的一個點p和平面的法線n表示，給定鄰域點集N中的一個點，通過在對稱平面上反射它并在一個固定半徑內搜索最近的鄰居來找到它的鏡面對稱對應關系。

3.根據權利要求2所述的一種自適應搜索半徑的三維點云管道提取與建模方法，其特征在于，當建立了鏡面對稱點對的對應關系后，可以通過最小化鏡面反射點與其對稱點之間的點到點的距離來對初始對稱平面進行優化；利用Levenberg-Marquardt算法對該問題進行優化求解，目標函數如下：