基于局部曲面變化因子的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于逆向工程中計(jì)算機(jī)=維建模技術(shù)領(lǐng)域，為了提高=維建模效率，主要 針對(duì)由產(chǎn)品數(shù)字化測(cè)量設(shè)備得到的=維散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)處理。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)非接觸式測(cè)量設(shè)備有數(shù)據(jù)獲取快，數(shù)據(jù)豐富的優(yōu)點(diǎn)，不僅能精確的包含被測(cè) 物的全部形貌特征數(shù)據(jù)，還包含法線方向、反身強(qiáng)度等信息。在逆向工程的應(yīng)用鄰域中得到 越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
[0003] 隨著光學(xué)=維測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量設(shè)備的分辨率越來(lái)越高，一次測(cè)量采集可得 到多達(dá)上百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，但是并不是所有的點(diǎn)數(shù)據(jù)都可W被用于后續(xù)的曲面重建等工作， 如在特征平緩的地方，很多點(diǎn)數(shù)據(jù)都是冗余的；同時(shí)，過(guò)多的點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)使得在計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存 和計(jì)算等操作中消耗過(guò)多的時(shí)間，在曲面重建等工作中的效率會(huì)大大降低，因此在不影響 曲面重建等工作的基礎(chǔ)上，需要首先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理。針對(duì)點(diǎn)云精簡(jiǎn)處理問(wèn)題，國(guó) 內(nèi)外研究學(xué)者做了大量的研究，并產(chǎn)生了很多優(yōu)秀的研究成果。目前，其處理方法主要分為 兩大類(lèi)：均勻精簡(jiǎn)的方法和特征精簡(jiǎn)的方法。
[0004] 1.均勻精簡(jiǎn)的方法
[0005] 均勻精簡(jiǎn)方法不考慮細(xì)節(jié)曲率等特征，基于距離等方式實(shí)現(xiàn)均勻的精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù) 據(jù)，比較有代表性的方法有均勻網(wǎng)格法和包圍盒法。均勻網(wǎng)格法是用投影的方式，將點(diǎn)云投 影到一個(gè)小柵格里，求解靠近網(wǎng)格中屯、位置的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的=維點(diǎn)，W此代替網(wǎng)格中其他的 投影點(diǎn)多對(duì)應(yīng)的=維點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云精簡(jiǎn)。精簡(jiǎn)的比例取決網(wǎng)格的大小，網(wǎng)格越大，精簡(jiǎn) 的比例也越大。包圍盒法是分別尋找散亂點(diǎn)云中=個(gè)坐標(biāo)的最大值最小值，得到能包圍所 有點(diǎn)云的最小包圍盒的邊長(zhǎng)，并W此按照一定的空間劃分策略，將此包圍盒劃分成大小相 等的小立方體柵格，并將點(diǎn)云分配到每一個(gè)小立方柵格中，保留每個(gè)小立方體柵格中靠近 中屯、的=維點(diǎn)數(shù)據(jù)，或取小立方體柵格中點(diǎn)云的重屯、點(diǎn)，來(lái)代替小立方體柵格中的其他點(diǎn) 云數(shù)據(jù)，從而達(dá)到精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的目標(biāo)。
[0006] 均勻精簡(jiǎn)的效果對(duì)于均勻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果比較好，但是對(duì)于復(fù)雜的自由曲面模型 的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其曲率變化較大，如果將柵格劃分過(guò)小，則保留的數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，不能達(dá)到精簡(jiǎn) 目的；如果將柵格劃分過(guò)大，則保留的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，會(huì)破壞棱角特征，甚至?xí)霈F(xiàn)孔洞。
[0007] 2.特征精簡(jiǎn)的方法
[000引特征精簡(jiǎn)的方法是充分考慮點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型的細(xì)節(jié)特征，在實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的情 況下，保護(hù)細(xì)節(jié)特征部分不被刪除，主要的方法有非均勻網(wǎng)格法、基于特征點(diǎn)的點(diǎn)云精簡(jiǎn)法 和基于曲率特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)方法。其中基于曲率特征精簡(jiǎn)點(diǎn)云最為成熟的一種方法； 首先需要散亂點(diǎn)云拓?fù)潢P(guān)系的建立，即建立散亂點(diǎn)云的k鄰域信息，然后通過(guò)一定的方法 來(lái)估算k鄰域的曲率大小，根據(jù)估算得到的曲率的大小變化，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，在曲率 小的地方，保留較少的點(diǎn)，曲率大的地方，保留較多的點(diǎn)，從而達(dá)到基于特征精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0009] 該種基于曲率特征的精簡(jiǎn)方法可W在最大量保存實(shí)物模型的細(xì)節(jié)特征的前提下， 盡可能的增加精簡(jiǎn)效率，但是存有w下不足：
[0010] 一方面是在建立散亂點(diǎn)云k鄰域信息方面，主要可W分為=類(lèi)方法：一是利用采 樣點(diǎn)集Voronoi圖實(shí)現(xiàn)k個(gè)最近點(diǎn)捜索，但主要應(yīng)用于二維散亂點(diǎn)集，且其計(jì)算量仍然很 大，在=維應(yīng)用領(lǐng)域中，并不能適合所有類(lèi)型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；二是基于樹(shù)的層級(jí)結(jié)構(gòu)捜索k鄰 域，如KD-Tree、八叉樹(shù)等方法，但是該些方法在捜索不同層的相鄰葉節(jié)點(diǎn)的時(shí)候就會(huì)變得 特別復(fù)雜，若鄰域點(diǎn)和采樣點(diǎn)處于不同的層級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，該時(shí)會(huì)導(dǎo)致捜索范圍擴(kuò)大，致使捜索 效率大大降低；S是基于立方體小柵格捜索k鄰域，利用不同的劃分空間策略，將點(diǎn)云空間 分成許多大小相同的立方體柵格，按照一定的捜尋擴(kuò)展方式，快速捜索k鄰域，且該些方法 都是按照固定的k值捜尋，容易使其中的捜索循環(huán)陷入死循環(huán)，捜索效率較慢，且在一些邊 界位置，用固定的k鄰域處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致更大的錯(cuò)誤，因而會(huì)影響整體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精 簡(jiǎn)的速度和精度。
[0011] 另一方面是在估算曲率方面，主要有兩種方法；一種方法，是建立其他模型替代原 先的S維點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)估算曲率，如局部坐標(biāo)系中的二次參數(shù)曲面模型、S角網(wǎng)格模型等，該 種方法過(guò)程復(fù)雜，且不能保證轉(zhuǎn)換后的模型的準(zhǔn)確性，另一種直接采用原始點(diǎn)云模型估算 曲率，大部分局限在規(guī)則點(diǎn)云的條件之上，對(duì)散亂點(diǎn)云模型直接估算曲率計(jì)算復(fù)雜，設(shè)及很 多大參數(shù)和矩陣計(jì)算，因而也會(huì)嚴(yán)重影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的整體效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明克服了現(xiàn)有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)方法中的不足之 處，提出一種基于局部曲面變化因子的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)處理方法，通過(guò)建立動(dòng)態(tài)的點(diǎn)云k 鄰域，快速建立散亂點(diǎn)云的拓?fù)潢P(guān)系，W局部曲面變化因子為規(guī)則精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于 特征保護(hù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)方法，從而提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、曲面重建的效率和精度。
[0013] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的一種基于局部曲面變化因子的散亂點(diǎn)云數(shù) 據(jù)精簡(jiǎn)處理方法，包括W下步驟：
[0014] 步驟一、讀取測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[00巧]步驟二求取點(diǎn)云的中屯、點(diǎn)，包括：
[0016] (2-1)根據(jù)點(diǎn)云的密度P，W及點(diǎn)云數(shù)據(jù)總數(shù)N，中屯、點(diǎn)最大的鄰域點(diǎn)數(shù)K、點(diǎn)云數(shù) 據(jù)的數(shù)據(jù)范圍建立立方體柵格，具體內(nèi)容如下：
[0017] 根據(jù)散亂點(diǎn)云中坐標(biāo)中的最大值和最小值，得到最小包圍盒的邊長(zhǎng)及其體積V，由 式（1)求得初次劃分的立方體柵格邊長(zhǎng)L。：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于局部曲面變化因子的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)處理方法，其特征在于，包括以下 步驟： 步驟一、讀取測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 步驟二、求取點(diǎn)云的中心點(diǎn)，包括： (2-1)根據(jù)點(diǎn)云的密度P，以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)總數(shù)N，中心點(diǎn)最大的鄰域點(diǎn)數(shù)K、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的 數(shù)據(jù)范圍建立立方體柵格，具體內(nèi)容如下： 根據(jù)散亂點(diǎn)云中坐標(biāo)中的最大值和最小值，得到最小包圍盒的邊長(zhǎng)及其體積V，由式 (1)求得初次劃分的立方體柵格邊長(zhǎng)L。：
式⑵和式⑶中，含有數(shù)據(jù)點(diǎn)的柵格總數(shù)，a為調(diào)控因子；由式⑵和式（3) 得到二次劃分的立方體柵格邊長(zhǎng)L，并以該二次劃分的立方體柵格邊長(zhǎng)L劃分立方體柵格， 控制立方體柵格中心點(diǎn)的個(gè)數(shù)以此保證中心點(diǎn)鄰域覆蓋全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)； (2-2)求得立方體柵格中心的點(diǎn)，并作為立方體柵格中心點(diǎn)； 步驟三、基于立方體柵格搜尋中心點(diǎn)的動(dòng)態(tài)k個(gè)鄰域點(diǎn)，從而建立散亂點(diǎn)云的拓?fù)潢P(guān) 系，具體內(nèi)容如下： (3-1)搜尋并擴(kuò)展搜尋：首先，初始搜尋二次劃分的立方體柵格，并計(jì)算二次劃分的立 方體柵格的中心點(diǎn)距六個(gè)面的距離d[i]，iG[〇, 5]，并從小到大排序d[0]?d[5]; 如果在該二次劃分的立方體柵格中沒(méi)有搜尋到設(shè)定的k個(gè)鄰域點(diǎn)，則以當(dāng)前搜尋的中 心點(diǎn)為圓心，依次以遞增的radius為半徑作一個(gè)球，以與該球相交的柵格作為新的搜索區(qū) 域進(jìn)行擴(kuò)展搜尋，直到搜尋到設(shè)定的k個(gè)鄰域點(diǎn)為止； 其中，radius的遞增原則是：radius=d[i]+LXn(4) 式（4)中，0彡i彡5,0彡n彡5;當(dāng)n= 0時(shí)，1彡i彡5;當(dāng)1彡n彡5時(shí)，0彡i彡5，i,n均屬于自然數(shù)， (3-2)建立動(dòng)態(tài)k鄰域點(diǎn)：根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)特性、精度要求和運(yùn)算時(shí)間，確定k的閾值為 [M,K]； 步驟四、采用協(xié)方差分析法計(jì)算中心點(diǎn)k鄰域的曲面變化因子，具體內(nèi)容如下： 設(shè)Pi為點(diǎn)云數(shù)據(jù)中心點(diǎn)，其k鄰域?yàn)镵nn(p) = {q^，qi;1. . .qi，k}，通過(guò)分析k鄰域Knn(Pi)的統(tǒng)計(jì)特性，求得點(diǎn)云數(shù)據(jù)中心點(diǎn)Pi的法向量、曲面變化量的屬性， 點(diǎn)云數(shù)據(jù)中心點(diǎn)a.和k鄰域Knn(n,_)的質(zhì)心為：
k鄰域擬合的平面過(guò)該質(zhì)心L從而得到關(guān)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)中心點(diǎn)？1的3X3協(xié)方差矩陣 Cov：
從矩陣Cov得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)中心點(diǎn)Pi處的統(tǒng)計(jì)特性，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中心點(diǎn)pk鄰域Knn(pJ 關(guān)于所述質(zhì)心^的距離平方差的偏離程度； 所述3X3協(xié)方差矩陣Cov的特征向量有： Cov?a』=入』?a』，jG{〇, 1，2} (7) 由式（7)得到三個(gè)非負(fù)特征值A(chǔ)。，A2，其中，彡AA2;與所述三個(gè)非負(fù)特 征值--對(duì)應(yīng)的特征向量為a&aa2; 其中，所述三個(gè)非負(fù)特征值反映了k鄰域Knn(Pi)到所述質(zhì)心&的偏離程度，表述為：
其中，三個(gè)非負(fù)特征值特征值的比例反映點(diǎn)云數(shù)據(jù)中心點(diǎn)Pi處的曲面變化情況，將所 述三個(gè)非負(fù)特征值特征值的比例定義為曲面變化因子I，計(jì)算公式為：
曲面變化因子I的值越大，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中心點(diǎn)Pi處的曲面變化程度越大； 步驟五、確定每個(gè)立方體柵格中心點(diǎn)k鄰域的精簡(jiǎn)率Rotio，并在k鄰域范圍內(nèi)均勻精 簡(jiǎn)：
式（10)中，r為精簡(jiǎn)率調(diào)控因子用以控制點(diǎn)云整體的精簡(jiǎn)率。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于局部曲面變化因子的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)處理方法，包括：1)讀取測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；2)求取點(diǎn)云的中心點(diǎn)；3)基于立方體柵格搜尋中心點(diǎn)的動(dòng)態(tài)k個(gè)鄰域點(diǎn),從而建立散亂點(diǎn)云的拓?fù)潢P(guān)系；4)采用協(xié)方差分析法計(jì)算中心點(diǎn)k鄰域的曲面變化因子；5)確定每個(gè)立方體柵格中心點(diǎn)k鄰域的精簡(jiǎn)率，并在k鄰域范圍內(nèi)均勻精簡(jiǎn)。本發(fā)明通過(guò)建立散亂點(diǎn)云動(dòng)態(tài)k鄰域點(diǎn)信息，建立散亂點(diǎn)云的拓?fù)潢P(guān)系。用曲面變化因子替代復(fù)雜的曲率計(jì)算。通過(guò)曲面變化因子ξ調(diào)整精簡(jiǎn)率Rotio，實(shí)現(xiàn)在k鄰域范圍內(nèi)均勻精簡(jiǎn)，不僅能保護(hù)曲率大的細(xì)節(jié)特征，在精簡(jiǎn)程度較大時(shí)，也保護(hù)了曲率較小的平面特征。使點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、曲面重建的效率和精度得以提高。
【IPC分類(lèi)】G06T17-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104616349
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510050544
【發(fā)明人】林濱, 盛金月, 亓振良
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月30日