一種基于海量三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理方法
【專利摘要】一種基于海量三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理方法，涉及數(shù)據(jù)處理、三維數(shù)字化領(lǐng)域，具體步驟包括分站點(diǎn)加載采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)到3D顯示平臺(tái)中，并根據(jù)需要調(diào)整加載的點(diǎn)密度；采用觀檢查法、線檢查法和弦高差方法，除去那些誤差大的噪聲點(diǎn)和找出可能存在的失真點(diǎn)；在保證后繼曲面構(gòu)建精度的前提下，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)；以均值濾波和高斯濾波法，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理；把各分站測(cè)量對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系，并消除相鄰2次測(cè)量間的重疊部分，將分站測(cè)量所得到的多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合在一起，以得到被測(cè)物體表面的完整數(shù)據(jù)。通過(guò)采用本發(fā)明的點(diǎn)云處理方法，加快了海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理速度，提高了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確度和精簡(jiǎn)度。
【專利說(shuō)明】一種基于海量三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及到數(shù)據(jù)處理、三維數(shù)字化領(lǐng)域，屬于三維數(shù)據(jù)處理算法中的一部分，對(duì)采集到海量數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)精確度，為方便后期數(shù)據(jù)調(diào)用奠定基礎(chǔ)。
【背景技術(shù)】:
[0002]三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，它通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以快速、大量的采集空間點(diǎn)位信息，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字模型。在測(cè)繪工程、文物數(shù)字化保護(hù)、土木工程、工業(yè)測(cè)量、自然災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用
[0003]對(duì)于模型的構(gòu)建，數(shù)據(jù)采集后的處理算法起到關(guān)鍵的作用。數(shù)據(jù)采集過(guò)程易受環(huán)境和系統(tǒng)的影響，掃描數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)度密集，不可避免的會(huì)有一些冗余信息和干擾噪聲點(diǎn)，會(huì)嚴(yán)重地影響模型的構(gòu)建的速度和精度。所以，采集后海量數(shù)據(jù)的處理算法可以保證得到可靠精選的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)精確度，降低后期數(shù)據(jù)調(diào)用、使用的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0004]為解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理能力不足問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供大場(chǎng)景海量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理算法，針對(duì)海量三維激光掃描數(shù)據(jù)特征，降低大數(shù)據(jù)量加載對(duì)硬件的要求，剔除噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)并平滑處理，最后把所有分站數(shù)據(jù)拼合對(duì)齊，提高數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)精確度，更方便后期數(shù)據(jù)的調(diào)用。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0005]圖1為本發(fā)明專利的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理算法流程圖 【具體實(shí)施方式】:
[0006]分站點(diǎn)加載采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)到3D顯示平臺(tái)中，并根據(jù)需要調(diào)整加載的點(diǎn)密度；采用觀檢查法、線檢查法和弦高差方法，除去那些誤差大的噪聲點(diǎn)和找出可能存在的失真點(diǎn)；在保證后繼曲面構(gòu)建精度的前提下，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)；以均值濾波和高斯濾波法，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理；把各分站測(cè)量對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系，并消除相鄰2次測(cè)量問(wèn)的重疊部分，將分站測(cè)量所得到的多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合在一起，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼合對(duì)齊，以得到被測(cè)物體表面的完整數(shù)據(jù)。
[0007]噪聲點(diǎn)的剔除和失真點(diǎn)的查找。在非接觸三維掃描測(cè)量過(guò)程中，受測(cè)量方式、被測(cè)量物體材料性質(zhì)、外界干擾等因素的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差很大的點(diǎn)(噪聲點(diǎn))和失真點(diǎn)(跳點(diǎn))。因此在數(shù)據(jù)處理的第一步，就應(yīng)利用相關(guān)專用軟件所提供的去噪聲點(diǎn)功能除去那些誤差大的噪聲點(diǎn)和找出可能存在的失真點(diǎn)。
[0008]①觀檢查法。通過(guò)圖形顯示終端，用肉眼直接將與截面數(shù)據(jù)點(diǎn)集偏離較大的點(diǎn)或存在于屏幕上的孤點(diǎn)剔除。這種方法適合于數(shù)據(jù)的初步檢查，可從數(shù)據(jù)點(diǎn)集中篩選出一些比較大的異常點(diǎn)。
[0009]②線檢查法。通過(guò)截面的首末數(shù)據(jù)點(diǎn)，用最小二乘法擬合得到一條樣條曲線，曲線的階次可根據(jù)曲面截面的形狀決定，通常為3?4階，然后分別計(jì)算中間數(shù)據(jù)點(diǎn)pi到樣條曲線的距離I |e| |，如果I |e| I大于等于[ε]([ε]為給定的允差)，則認(rèn)為pi是壞點(diǎn)，應(yīng)予以剔除。
[0010]③弦高差方法。連接檢查點(diǎn)的前后2點(diǎn)，計(jì)算中間數(shù)據(jù)點(diǎn)Pi到弦的距離I Iel I，如果I Iel I大于等于[ε ] ([ ε ]為給定的允差)，則認(rèn)為pi是壞點(diǎn)，應(yīng)予以剔除。這種方法適合于測(cè)量點(diǎn)均勻且較密集的場(chǎng)合，特別是在曲率變化較大的位置。
[0011]數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。非接觸三維掃描測(cè)量的突出特點(diǎn)是點(diǎn)云十分密集，數(shù)據(jù)量極其龐大(在lm2的范圍內(nèi)有數(shù)十萬(wàn)個(gè)點(diǎn))。若將如此龐大的數(shù)據(jù)量直接用于曲面構(gòu)建不僅需要巨大的計(jì)算機(jī)資源(普通微機(jī)可能無(wú)法勝任)和很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，而且整個(gè)處理過(guò)程也將變得難以控制，更何況并非所有的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)曲面的構(gòu)建都有用。因此，有必要在保證一定精度的前提下，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)。數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的原則是在掃描曲率較大的地方保持較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在曲率變化較小的地方保持較少的數(shù)據(jù)點(diǎn)。不同類型的點(diǎn)云采用不同的精簡(jiǎn)方式。散亂點(diǎn)云可通過(guò)隨機(jī)采樣的方法來(lái)精簡(jiǎn)，而對(duì)于掃描線點(diǎn)云和多邊形點(diǎn)云可采用等間距、倍率、等量及弦偏差等方法進(jìn)行精減。
[0012]數(shù)據(jù)的平滑處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的隨機(jī)誤差將影響到后續(xù)曲面的構(gòu)建及生成三維實(shí)體模型的質(zhì)量，因此在構(gòu)建曲面之前需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理。平滑濾波處理有如下2種方式:
[0013]①值濾波。取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平均值來(lái)取代原始點(diǎn)，從而改變點(diǎn)云的位置，使點(diǎn)云平滑。假設(shè)相鄰的3點(diǎn)分別為，x0，xl和x2，通過(guò)平均值濾波法平滑得到新點(diǎn)，X' l，x' 1=(χ0+χ1+χ2) / 3，直線所連的新點(diǎn)代表平滑后的點(diǎn)。
[0014]②高斯濾波。高斯濾波是一種在指定域內(nèi)濾除高頻噪聲的濾波方法，其特點(diǎn)是在指定域內(nèi)的權(quán)函數(shù)為高斯分布。由于高斯濾波的平均效果較小，因此它能較好地保持測(cè)試數(shù)據(jù)的原貌。
[0015]數(shù)據(jù)拼合對(duì)齊。為完成對(duì)整個(gè)實(shí)體模型的非接觸三維掃描測(cè)量,需要對(duì)實(shí)體模型從各個(gè)視覺(jué)進(jìn)行分站測(cè)量。由于在測(cè)量不同區(qū)域時(shí)，都是在測(cè)量位置對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系下進(jìn)行的，因此多次測(cè)量所對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系并不一致，所以必須把各次測(cè)量對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系，并消除相鄰2次測(cè)量間的重疊部分，以得到被測(cè)物體表面的完整數(shù)據(jù)。這就需要將分站測(cè)量所得到的多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合在一起，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼合對(duì)齊，其處理方法有2種。一是通過(guò)專用的測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的拼合對(duì)齊，它要求設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)工件移動(dòng)轉(zhuǎn)換平臺(tái)，用來(lái)直接記錄工件在測(cè)量過(guò)程的移動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)角度；二是用專門設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)多片塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼合對(duì)齊，從而實(shí)現(xiàn)原型的再構(gòu)，這是現(xiàn)在非接觸三維掃描測(cè)量最常用的多片塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合對(duì)齊方法。分站測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)?？煽醋魇且粋€(gè)剛體。數(shù)據(jù)對(duì)齊可以歸結(jié)為三維剛體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，即根據(jù)一些預(yù)先指定的最佳匹配規(guī)則，通過(guò)坐標(biāo)變換，把部分重疊的兩片點(diǎn)云最優(yōu)地對(duì)齊。在工程中較常用的是基于3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的對(duì)齊方法。由于3點(diǎn)可以確定一個(gè)平面，因此在測(cè)量時(shí)，可在不同視圖中建立用于對(duì)齊的3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)齊這3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量數(shù)據(jù)的多視點(diǎn)統(tǒng)一。
【權(quán)利要求】
1.一種大場(chǎng)景海量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理算法，其特征是，依次包括下列步驟:分站點(diǎn)加載采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)到3D顯示平臺(tái)中，并根據(jù)需要調(diào)整加載的點(diǎn)密度；采用觀檢查法、線檢查法和弦高差方法，除去那些誤差大的噪聲點(diǎn)和找出可能存在的失真點(diǎn)；在保證后繼曲面構(gòu)建精度的前提下，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)；以均值濾波和高斯濾波法，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理；把各分站測(cè)量對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系，并消除相鄰2次測(cè)量間的重疊部分，將分站測(cè)量所得到的多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合在一起，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼合對(duì)齊，以得到被測(cè)物體表面的完整數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種彩色三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)前期處理算法，其特征是，所述的線檢查法是通過(guò)截面的首末數(shù)據(jù)點(diǎn)，用最小二乘法擬合得到一條樣條曲線，曲線的階次可根據(jù)曲面截面的形狀決定，通常為3?4階，然后分別計(jì)算中間數(shù)據(jù)點(diǎn)pi到樣條曲線的距離|e| |，如果I |e| I大于等于[ε]([ε]為給定的允差)，則認(rèn)為pi是壞點(diǎn)，應(yīng)予以剔除。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種彩色三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)前期處理算法，其特征是，所述的弦高差方法是連接檢查點(diǎn)的前后2點(diǎn)，計(jì)算中間數(shù)據(jù)點(diǎn)pi到弦的距離I |e| |，如果I |e| I大于等于[ε]([ε]為給定的允差)，則認(rèn)為pi是壞點(diǎn)，應(yīng)予以剔除。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種彩色三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)前期處理算法，其特征是，所述的均值濾波方法是取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平均值來(lái)取代原始點(diǎn)，從而改變點(diǎn)云的位置，使點(diǎn)云平滑。假設(shè)相鄰的3點(diǎn)分別為，xO，xl和χ2，通過(guò)平均值濾波法平滑得到新點(diǎn)，X' 1，Xr I=(x0+xl+x2) / 3，即平滑后的點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種彩色三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)前期處理算法，其特征是，所述的高斯濾波是一種在指定域內(nèi)濾除高頻噪聲的濾波方法，其特點(diǎn)是在指定域內(nèi)的權(quán)函數(shù)為高斯分布，由于高斯濾波的平均效果較小，因此它能較好地保持測(cè)試數(shù)據(jù)的原貌。
【文檔編號(hào)】G06T5/00GK103886555SQ201410088878
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】徐欣, 陳槐, 郭英才 申請(qǐng)人:北京昊峰東方科技有限公司