[發明專利]一種基于點云數據的室內空間布局提取方法

有效

• 申請號: 202110326020.8
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN112989470B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 艾明耀;趙鵬程;李加元;胡慶武
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06T17/00;G06T19/20;G06V10/762;G06K9/62
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 許蓮英

本發明提出了一種基于點云數據的室內空間布局提取方法。本發明輸入三維點云、計算三維點云的主方向，并將三維點云旋轉至主方向得到旋轉后三維點云；根據旋轉后三維點云計算室內場景的三維空間內外分布圖；分割屬于內部的體素集得到房間的布局；對標記為不同房間的各體素子集進行聚類得到樓層的分布。本發明能夠處理不同來源的三維點云數據，對于多樓層、傾斜屋頂等復雜室內場景的數據同樣有效。

技術領域

本發明涉及三維點云數據處理領域，尤其涉及一種利用室內場景獲取的點云自動提取室內空間布局的方法。

背景技術

建立室內環境的數字化描述對建造施工、室內應急以及機器人應用領域具有重要作用。一方面建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)被越來越多的設計建造商所采用，但是隨著時代快速發展，室內裝飾也呈現快速更迭的趨勢，缺乏具有現勢性的BIM數據；另一方面，大量已經存在的建筑缺乏BIM。因此，建筑的運營管理維護方越來越需要具有現勢性的BIM。很多技術可用來獲取室內環境的三維數據，例如激光掃描、深度相機、多傳感器集成等技術，這些技術獲取的數據形式中，點云是一種非常典型的數據，且越來越受到建造施工以及室內機器人領域的重視。當前大多數利用點云數據自動建立室內三維模型的方法存在諸多限制條件：單一房間、單一樓層、屋頂水平、墻面互相垂直等。在多樓層多房間的室內場景中，經過樓層和房間分割處理后的點云數據可以顯著降低建模難度、并極大的減少后續自動建模的計算量。室內機器人領域多采用二維柵格圖來規劃機器人路徑，柵格圖中區分空間占用和不占用兩類。其他領域則嘗試直接從點云數據中得到房間的布局，例如根據點云獲取時掃描儀的位置進行標記和分割，或將屋頂部分的點云切割投影至水平面得到柵格圖進而采用與機器人領域類似的方法進行處理。顯然，這些方法不僅忽略了室內房間的三維空間特性，而且過多依賴于場景的假設，沒有這些假設，方法無法得到令人滿意的房間分割結果。此外，樓層的分割多采用點云分布直方圖，其前提依然是屋頂和地面的水平以及其良好的可視性。但這類方法對于跨層、地面遮擋過多等場景無能為力。

發明內容

本發明目的在于探尋一種利用三維點云數據自動生成室內空間布局的方法，既可得到房間分割的結果，又可得到樓層的布局，為解決上述問題，研究室內場景和三維點云的特點，并提出科學合理的室內空間布局提取方法，為三維點云數據應用于室內結構建模、BIM數據生產提供新的解決方案。

本發明的技術方案為一種基于點云數據的室內空間布局提取方法，包括以下步驟：

步驟1：輸入三維點云、計算三維點云的主方向，并將三維點云旋轉至主方向得到旋轉后三維點云：

步驟2：根據旋轉后三維點云計算室內場景的三維空間內外分布圖；

步驟3：分割屬于內部的體素集得到房間的布局；

步驟4：對標記為不同房間的各體素子集進行聚類得到樓層的分布；

作為優選，步驟1所述三維點云的定義為：

data_k(x_k,y_k,z_k)，k∈[1,K]

其中，K為三維點云中點的數量，data_k(x_k,y_k,z_k)為三維點云中第k個點，(x_k,y_k,z_k)為三維點云中第k個點的空間坐標；

步驟1所述計算三維點云的主方向，具體為：

步驟1.1：所述輸入的三維點云的Z軸方向朝上，且與室內場景的上方向一致，計算三維點云中每個點的法向以及XY水平面的夾角；

所述三維點云的法向為：