本發(fā)明屬于逆向工程領(lǐng)域，涉及一種基于重疊區(qū)域邊界角度的冗余點(diǎn)云去除方法。

背景技術(shù)：

隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)于大型航空零部件的生產(chǎn)要求越來(lái)越高，由于逆向工程技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)獲取，方便分析等特點(diǎn)，所以發(fā)展針對(duì)飛機(jī)零件的逆向建模技術(shù)迫在眉睫。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取作為逆向工程的第一步，其獲取的方式尤為重要。

針對(duì)零件逆向重建技術(shù)中點(diǎn)云獲取的方法，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者開(kāi)展了結(jié)合數(shù)字化測(cè)量的獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)研究，如激光跟蹤儀在線測(cè)量法、igps在線測(cè)量法、三坐標(biāo)測(cè)量法等，但目前這些方法操作復(fù)雜，對(duì)使用者要求較高，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。在應(yīng)用視覺(jué)測(cè)量技術(shù)對(duì)大型航空零件表面進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取時(shí)，由于掃描范圍和相機(jī)視場(chǎng)的限制，完成一個(gè)零件的數(shù)據(jù)采集，需要進(jìn)行多視數(shù)據(jù)拼接。拼接之后相鄰兩次測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要具有一定的重疊區(qū)域，以保證采集數(shù)據(jù)的完整性。由于這些重疊區(qū)域的點(diǎn)云密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，這樣便形成了冗余數(shù)據(jù)。這些冗余數(shù)據(jù)使整個(gè)點(diǎn)云圖像分布不均，影響曲面重構(gòu)等后續(xù)處理工作，并會(huì)對(duì)重建精度造成影響，因此去除冗余數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)逆向建模的過(guò)程尤為重要。

針對(duì)冗余數(shù)據(jù)的去除，西安工程大學(xué)的黃文明等人，在《光學(xué)學(xué)報(bào)》第37卷第7期《保留幾何特征的散亂點(diǎn)云簡(jiǎn)化方法》一文中提出了一種保留幾何特征的簡(jiǎn)化方法，該方法以點(diǎn)云中的數(shù)據(jù)點(diǎn)為球心構(gòu)建包圍球,并在包圍球中查找數(shù)據(jù)點(diǎn)的k鄰域；隨后構(gòu)造一個(gè)非負(fù)函數(shù)用于度量重建曲面在各點(diǎn)處的曲率,進(jìn)而提取并保留點(diǎn)云中的特征點(diǎn)；最后根據(jù)法向量的內(nèi)積閾值對(duì)包圍球中的非特征點(diǎn)進(jìn)行適度簡(jiǎn)化。但該方法需要先建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過(guò)計(jì)算點(diǎn)云的曲率、密度等信息來(lái)刪除多余的點(diǎn)云，具有計(jì)算量大，效率低，無(wú)法保證原始掃描數(shù)據(jù)信息等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有多視數(shù)據(jù)拼接下大型航空平板類零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的局限性，發(fā)明了一種基于重疊區(qū)域邊界角度的冗余點(diǎn)云去除方法。針對(duì)冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù)去除過(guò)程中需要先建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過(guò)計(jì)算點(diǎn)云的曲率、密度等信息來(lái)刪除多余的點(diǎn)云，計(jì)算量大，效率低，無(wú)法保證原始掃描數(shù)據(jù)信息等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域劃分，按照掃描線的方向擬合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云重疊區(qū)域冗余數(shù)據(jù)的快速、高精度去除?？朔爽F(xiàn)有點(diǎn)云重疊區(qū)域冗余數(shù)據(jù)去除過(guò)程中計(jì)算量大，效率低，無(wú)法保證原始掃描數(shù)據(jù)信息等問(wèn)題，具有廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于重疊區(qū)域邊界角度的冗余點(diǎn)云去除方法，其特征是，該方法首先通過(guò)激光結(jié)合雙目視覺(jué)的方式，利用左、右攝像機(jī)1、2拍攝激光發(fā)射器3在被測(cè)物5上形成的輔助激光條紋6，獲取代表被測(cè)物5表面信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；其次求解每個(gè)點(diǎn)云區(qū)域上的四條邊界，識(shí)別點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的重疊區(qū)域9，并判斷點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界10、11方向向量的夾角；最后以掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅰ7中的點(diǎn)作為基準(zhǔn)，求解掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8的坐標(biāo)點(diǎn)到點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界垂線的方向向量根據(jù)向量積的大小，去除重疊區(qū)域9中掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8的冗余數(shù)據(jù)；方法的具體步驟如下：

第一步，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)

安裝測(cè)量設(shè)備，打開(kāi)輔助激光發(fā)射器3并照射被測(cè)物5，在開(kāi)始采集之后，打開(kāi)轉(zhuǎn)臺(tái)4帶動(dòng)激光發(fā)射器3轉(zhuǎn)動(dòng)，使激光掃描被測(cè)物5。然后，整體平移左右攝像機(jī)1、2的位置，進(jìn)行多次拍攝，保證被測(cè)物5形面信息的完整性。通過(guò)信息采集系統(tǒng)采集到輔助激光光條6圖像之后，需要對(duì)激光光條6的中心線進(jìn)行提取，本文是利用光條圖像中心灰度重心提取的方法，其原理如下

其中：，(ui,vi)為第i行光條灰度重心坐標(biāo)，iij為第i行第j列灰度值；。通過(guò)此方法可以獲取輔助激光光條6的特征點(diǎn)二維信息，再結(jié)合標(biāo)定結(jié)果以及重建公式，得到邊界點(diǎn)和光條中心點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值，重建公式如下：

其中，假設(shè)x′i＝(x′i,y′i)，x′i，y′i分別為左攝像機(jī)1采集的圖像邊界點(diǎn)或光條中心點(diǎn)x′i在像面坐標(biāo)系下的橫、縱坐標(biāo)；x′i′＝(x′i′,y′i′)，x′i′，y′i′分別為右攝像機(jī)2采集的圖像光斑中心點(diǎn)xi‘'在像面坐標(biāo)系下的橫、縱坐標(biāo)；f1、f2分別為左、右攝像機(jī)1、2標(biāo)定得到的焦距；是右攝像機(jī)2相對(duì)于左攝像機(jī)1的旋轉(zhuǎn)矩陣，[txtytz]是右攝像機(jī)2相對(duì)于左攝像機(jī)1的平移矩陣，由標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到；則(xi,yi,zi)為重建出來(lái)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，由此獲取整個(gè)被測(cè)物5表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

第二步，識(shí)別點(diǎn)云重疊區(qū)域

針對(duì)獲得的點(diǎn)云，沿著激光掃描的方向?qū)す鈷呙杈€上的點(diǎn)云進(jìn)行搜索，先識(shí)別其左右邊界，通過(guò)設(shè)置每條點(diǎn)云線上點(diǎn)云之間的距離閾值，將超過(guò)這個(gè)距離閾值的點(diǎn)標(biāo)記為上下邊界點(diǎn)，連接標(biāo)記點(diǎn)，識(shí)別其上下邊界。每個(gè)點(diǎn)云區(qū)域上的四條邊界識(shí)別出來(lái)后，點(diǎn)云重疊區(qū)域9就是由掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅰ7的上、下、右邊界和掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8的左邊界組成。根據(jù)最小二乘法，對(duì)點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界10、11進(jìn)行擬合，擬合后的點(diǎn)云重疊區(qū)域左邊界10的公式為：

a1x+b1y+c1＝0(3)

其方向向量為：其斜率為：

點(diǎn)云重疊區(qū)域右邊界11的公式為：

a2x+b2y+c2＝0(5)

其方向向量為：其斜率為

當(dāng)時(shí)，點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界10、11的夾角θ為銳角；

當(dāng)時(shí)，點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界10、11的夾角θ為直角；

當(dāng)時(shí)，點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界10、11的夾角θ為鈍角；

第三步，去除冗余數(shù)據(jù)

識(shí)別到點(diǎn)云重疊區(qū)域9后，求解掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8的坐標(biāo)點(diǎn)到點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界垂線的方向向量并以掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅰ7的點(diǎn)作為基準(zhǔn)，對(duì)重疊區(qū)域9中掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8上的點(diǎn)進(jìn)行去除。掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8上任意點(diǎn)的坐標(biāo)為(x0,y0)，過(guò)此點(diǎn)與點(diǎn)云重疊區(qū)域的左邊界10的垂線公式為：

通過(guò)公式(3)—(8)，可以求得掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8的坐標(biāo)點(diǎn)到點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界垂線的方向向量

當(dāng)點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界的夾角θ為銳角時(shí)，若則坐標(biāo)點(diǎn)在重疊區(qū)域9內(nèi)，去除此點(diǎn)，反之，則保留；

當(dāng)點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界的夾角θ為直角時(shí)，若則坐標(biāo)點(diǎn)在重疊區(qū)域9內(nèi)，去除此點(diǎn)，反之，則保留；

當(dāng)點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界的夾角θ為鈍角時(shí)，若則坐標(biāo)點(diǎn)在重疊區(qū)域9內(nèi)，去除此點(diǎn)，反之，則保留；

這樣就完成了重疊區(qū)域9冗余點(diǎn)云的去除。

本發(fā)明的效果和益處是：本方法主要采用激光結(jié)合雙目視覺(jué)的方式獲得掃描式點(diǎn)云，并通過(guò)設(shè)置每條點(diǎn)云線上點(diǎn)云之間的距離閾值，將超過(guò)這個(gè)距離閾值的點(diǎn)標(biāo)記為上下邊界點(diǎn)，并將掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅰ7的上、下、右邊界和掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8的左邊界作為點(diǎn)云重疊區(qū)域9的邊界，完成點(diǎn)云重疊區(qū)域9的識(shí)別，可以較好的保存點(diǎn)云數(shù)據(jù)的局部特征。之后，根據(jù)最小二乘法，對(duì)點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界10、11進(jìn)行擬合，求得其方向向量，并判斷其夾角θ，最后，以掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅰ7的點(diǎn)作為基準(zhǔn)，對(duì)重疊區(qū)域9中掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8上的點(diǎn)進(jìn)行去除，即求解掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8的坐標(biāo)點(diǎn)到點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界垂線的方向向量根據(jù)向量積的大小，完成重疊區(qū)域9冗余點(diǎn)云的去除。本方法不需要先建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及計(jì)算點(diǎn)云的密度等信息來(lái)刪除多余的點(diǎn)云，大大提高了冗余數(shù)據(jù)去除的效率，并保證了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的局部信息的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取示意圖，其中，1‐左攝像機(jī)，2‐右攝像機(jī)，3‐激光發(fā)射器，4‐轉(zhuǎn)臺(tái)，5‐被測(cè)物，6‐激光光條。

圖2是重疊區(qū)域點(diǎn)云的識(shí)別示意圖，其中，7‐掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅰ，8‐掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ，9‐重疊點(diǎn)云區(qū)域，10‐點(diǎn)云重疊區(qū)域的左邊界，11‐點(diǎn)云重疊區(qū)域的右邊界，12‐點(diǎn)云重疊區(qū)域的上邊界，13‐點(diǎn)云重疊區(qū)域的下邊界；

圖3是重疊區(qū)域冗余點(diǎn)云的去除示意圖，其中，坐標(biāo)點(diǎn)到點(diǎn)云重疊區(qū)域的左邊界垂線的方向向量，‐坐標(biāo)點(diǎn)到點(diǎn)云重疊區(qū)域的右邊界垂線的方向向量，θ‐點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界的夾角；

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方法和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

圖1是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取示意圖，方法首先通過(guò)激光結(jié)合雙目視覺(jué)的方式，利用左、右攝像機(jī)1、2拍攝激光發(fā)射器3在被測(cè)物5上形成的輔助激光條紋6，獲取代表被測(cè)物5表面信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；其次求解每個(gè)點(diǎn)云區(qū)域上的四條邊界，識(shí)別點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的重疊區(qū)域9，并判斷點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界10、11方向向量的夾角；最后求解掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8的坐標(biāo)點(diǎn)到點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界垂線的方向向量根據(jù)向量積的大小，去除重疊區(qū)域9中的冗余數(shù)據(jù)；；方法的具體步驟如下：

第一步，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)

本次測(cè)量選取韓國(guó)vieworks公司生產(chǎn)的vc‐12mc‐m/c65型號(hào)工業(yè)相機(jī)，此相機(jī)為逐行掃描式面掃描工業(yè)相機(jī)，本文選用的是激光發(fā)射器為coherent公司生產(chǎn)的lasirispowerline激光發(fā)射器，被測(cè)物5為航空平板類零件。安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備后，打開(kāi)激光發(fā)射器3并照射被測(cè)物5，在開(kāi)始采集之后，打開(kāi)轉(zhuǎn)臺(tái)4帶動(dòng)激光發(fā)射器3轉(zhuǎn)動(dòng)，使激光掃描被測(cè)物5。然后，變換左右攝像機(jī)1、2的位置，進(jìn)行多次拍攝，保證被測(cè)物5形面信息的完整性。通過(guò)信息采集系統(tǒng)采集到輔助激光光條6圖像之后，利用公式(1)對(duì)激光光條6的中心線進(jìn)行提取，獲取激光光條6的特征點(diǎn)二維信息，再結(jié)合標(biāo)定結(jié)果重建公式(2)，可以將左右相機(jī)1、2拍攝的光條信息進(jìn)行匹配，由此將二維信息還原成為三維點(diǎn)信息。之后根據(jù)標(biāo)定結(jié)果,最終獲取整個(gè)被測(cè)物5表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

第二步，識(shí)別點(diǎn)云區(qū)域

針對(duì)獲得的點(diǎn)云，沿著激光掃描的方向?qū)す鈷呙杈€上的點(diǎn)云進(jìn)行搜索，先識(shí)別其左右邊界，通過(guò)設(shè)置每條點(diǎn)云線上點(diǎn)云之間的距離閾值，將超過(guò)這個(gè)距離閾值的點(diǎn)標(biāo)記為上下邊界點(diǎn)，連接標(biāo)記點(diǎn)，識(shí)別其上下邊界。每個(gè)點(diǎn)云區(qū)域上的四條邊界識(shí)別出來(lái)后，點(diǎn)云重疊區(qū)域9就是由掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅰ7的上、下、右邊界和掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8的左邊界組成，如圖2所示。根據(jù)最小二乘法，對(duì)點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界進(jìn)行擬合，根據(jù)公式(3)、(5)，獲得其方向向量和斜率為a、b；

當(dāng)時(shí)，點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界10、11的夾角θ為銳角；

當(dāng)時(shí)，點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界10、11的夾角θ為直角；

當(dāng)時(shí)，點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界10、11的夾角θ為鈍角；

第三步，去除冗余數(shù)據(jù)

圖3是重疊區(qū)域冗余點(diǎn)云的去除示意圖，如圖所示，識(shí)別到點(diǎn)云重疊區(qū)域9后，求解掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8的坐標(biāo)點(diǎn)到點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界垂線的方向向量并以掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅰ7的點(diǎn)作為基準(zhǔn)，對(duì)重疊區(qū)域9中掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8上的點(diǎn)進(jìn)行去除。掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8上任意點(diǎn)的坐標(biāo)為(x0,y0)，通過(guò)公式(3)—(8)，可以求得掃描點(diǎn)云區(qū)域ⅱ8的坐標(biāo)點(diǎn)到點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界垂線的方向向量

當(dāng)點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界的夾角θ為銳角時(shí)，若則坐標(biāo)點(diǎn)在重疊區(qū)域9內(nèi)，去除此點(diǎn)，反之，則保留；

當(dāng)點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界的夾角θ為直角時(shí)，若則坐標(biāo)點(diǎn)在重疊區(qū)域9內(nèi)，去除此點(diǎn)，反之，則保留；

當(dāng)點(diǎn)云重疊區(qū)域的左、右邊界的夾角θ為鈍角時(shí)，若則坐標(biāo)點(diǎn)在重疊區(qū)域9內(nèi)，去除此點(diǎn)，反之，則保留；

這樣就完成了重疊區(qū)域9冗余點(diǎn)云的去除。

本發(fā)明在最小二乘法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用激光結(jié)合雙目視覺(jué)的測(cè)量方法，改進(jìn)了現(xiàn)有逆向重建過(guò)程中重疊區(qū)域冗余點(diǎn)云去除方法的局限性，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云冗余數(shù)據(jù)快速、高精度的去除。