專利名稱：一種基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，尤其涉及一種基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，該方法更適用于處理海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割，是根據(jù)一定的屬性或規(guī)則，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割為若干互不相交的子集的過(guò)程。目前，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割主要利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何信息(曲率、法向、高斯球等)或者光譜信息(多結(jié)合幾何信息)。基于幾何信息的方法主要有基于邊的分割、基于面的分割以及其他方法。基于邊的分割方法是根據(jù)一定的屬性或規(guī)則探測(cè)突變邊界，根據(jù)突變邊界分割數(shù)據(jù)體；基于面的分割方法是根據(jù)幾何空問(wèn)特性，把點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為不同的類別；其它方法包括基于掃描線的分割、基于Level Set的分割、基于Reeb圖的分割等。
在人工環(huán)境中，目標(biāo)對(duì)象多以規(guī)則幾何形體(平面、柱面、球面等)組成，基于面的分割能為人們提供點(diǎn)云數(shù)據(jù)的抽象表達(dá)，且在激光點(diǎn)云后處理中具有重要應(yīng)用，如點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)配準(zhǔn)、模型與拓?fù)渲亟ā⒖臻g數(shù)據(jù)組織與分析、點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波與精簡(jiǎn)等，因此基于面的分割方法獲得了廣泛的認(rèn)可。
在基于面的方法中，RANSAC和HOUGH變換是其中最著名的方法，但HOUGH變換存在效率低、內(nèi)存消耗高等缺點(diǎn)，不適合處理海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。RANSAC具有內(nèi)存消耗低，方法簡(jiǎn)單、通用、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，因此在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中獲得了廣泛的應(yīng)用。但是傳統(tǒng)未經(jīng)優(yōu)化的RANSAC方法，采用全局采樣策略，即從全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取采樣點(diǎn)進(jìn)行幾何模型的構(gòu)建，這樣容易產(chǎn)生“擬合出現(xiàn)實(shí)世界中所不具有的模型”的問(wèn)題，舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)從一建筑物內(nèi)部的全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取了三個(gè)采樣點(diǎn)擬合出一平面，這三個(gè)采樣點(diǎn)可能分別來(lái)自于屋頂、墻面和底板，這樣得到的平面在現(xiàn)實(shí)世界是完全不存在的，得出的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)相去甚遠(yuǎn)，影響了計(jì)算效率；同時(shí)，RANSAC方法一次計(jì)算只能從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中確定出一個(gè)幾何特征，而現(xiàn)實(shí)人工對(duì)象多以多種規(guī)則幾何形體(即多幾何基元)組成，因此如何在海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)中有效提取多幾何基元特征在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中具有重要的意義。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種更適合處理海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的、可快速提取幾何特征的基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
—種基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，包括以下步驟:
步驟一、利用激光掃描儀對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行掃描取點(diǎn)，以獲取目標(biāo)對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
步驟二、利用三維規(guī)則格網(wǎng)將對(duì)所獲取的全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)第一格網(wǎng)單元;
步驟三、從全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取多個(gè)幾何特征，多個(gè)幾何特征的提取過(guò)程包括:(I)以全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集，(2)在第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選取一個(gè)采樣點(diǎn)，確定該采樣點(diǎn)所在的當(dāng)前第一格網(wǎng)單元，利用該采樣點(diǎn)以及當(dāng)前第一格網(wǎng)單元內(nèi)的其他點(diǎn)構(gòu)建出α個(gè)候選幾何模型，(3)從α個(gè)候選幾何模型中確定一最優(yōu)模型，(4)在第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集中，計(jì)算步驟(3)得到的最優(yōu)模型的一致集，該一致集為一個(gè)子集，則第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集中不屬于該一致集的點(diǎn)形成下一個(gè)第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集，重復(fù)(2) (4)，根據(jù)多個(gè)幾何特征將全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割成多個(gè)子集。
優(yōu)選的是，所述的基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法中，所述步驟三的(3)中，當(dāng)α個(gè)候選幾何模型中只有一個(gè)候選幾何模型滿足以下條件:在當(dāng)前第一格網(wǎng)單元的點(diǎn)中，當(dāng)一個(gè)候選幾何模型的一致集的點(diǎn)的數(shù)目到達(dá)第一閾值時(shí)，則將該候選幾何模型作為最優(yōu)模型。
優(yōu)選的是，所述的基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法中，所述步驟三的(3)中，當(dāng)d個(gè)候選幾何模型中有β個(gè)候選幾何模型滿足以下條件:在當(dāng)前第一格網(wǎng)單元的點(diǎn)中，一個(gè)候選幾何模型的一致集的點(diǎn)的數(shù)目到達(dá)第一閾值，其中，β ( α，則利用超幾何分布方法對(duì)P個(gè)候選幾何模型進(jìn)行驗(yàn)證，從β個(gè)候選幾何模型確定最優(yōu)模型，具體過(guò)程為:
(I)對(duì)于β個(gè)候選幾何模型中的任一個(gè)候選幾何模型Ψ，以其在當(dāng)前格網(wǎng)單元S1的一致集的點(diǎn)的數(shù)目作為其在當(dāng)前格網(wǎng)單元SI的局部打分％4(Φ)，
則一個(gè)候選幾何模型中在多個(gè)格網(wǎng)單元的全局打分'3Ρ(ψ.)推斷為:
權(quán)利要求
1.一種基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、利用激光掃描儀對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行掃描取點(diǎn)，以獲取目標(biāo)對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；步驟二、利用三維規(guī)則格網(wǎng)將對(duì)所獲取的全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)第一格網(wǎng)單元；步驟三、從全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取多個(gè)幾何特征，多個(gè)幾何特征的提取過(guò)程包括:(1)以全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集，(2)在第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選取一個(gè)采樣點(diǎn)，確定該采樣點(diǎn)所在的當(dāng)前第一格網(wǎng)單元，利用該采樣點(diǎn)以及當(dāng)前第一格網(wǎng)單元內(nèi)的其他點(diǎn)構(gòu)建出α個(gè)候選幾何模型，(3)從α個(gè)候選幾何模型中確定一最優(yōu)模型，(4)在第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集中，計(jì)算步驟(3)得到的最優(yōu)模型的一致集，該一致集為一個(gè)子集，則第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集中不屬于該一致集的點(diǎn)形成下一個(gè)第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集，重復(fù)(2) (4)，根據(jù)多個(gè)幾何特征將全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割成多個(gè)子集。
2.如權(quán)利要求1所述的基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，其特征在于，所述步驟三的(3)中，當(dāng)α個(gè)候選幾何模型中只有一個(gè)候選幾何模型滿足以下條件:在當(dāng)前第一格網(wǎng)單元的點(diǎn)中，當(dāng)一個(gè)候選幾何模型的一致集的點(diǎn)的數(shù)目到達(dá)第一閾值時(shí)，則將該候選幾何模型作為最優(yōu)模型。
3.如權(quán)利要求2所述的基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，其特征在于，所述步驟三的(3)中，當(dāng)α個(gè)候選幾何模型中有β個(gè)候選幾何模型滿足以下條件:在當(dāng)前第一格網(wǎng)單元的點(diǎn)中，一個(gè)候選幾何模型的一致集的點(diǎn)的數(shù)目到達(dá)第一閾值，其中，β ( α，則利用超幾何分布方法對(duì)β個(gè)候選幾何模型進(jìn)行驗(yàn)證，從β個(gè)候選幾何模型確定最優(yōu)模型，具體過(guò)程為: (1)對(duì)于β個(gè)候選幾何模型中的任一個(gè)候選幾何模型Ψ，以其在當(dāng)前格網(wǎng)單元SJA一致集的點(diǎn)的數(shù)目作為其在當(dāng)前格網(wǎng)單元SI的局部打分σ5ι(ψ)， 則一個(gè)候選幾何模型山在多個(gè)格網(wǎng)單元的全局打分(中)推斷為:
4.如權(quán)利要求1所述的基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，其特征在于，所述步驟三的(2)中，當(dāng)當(dāng)前第一格網(wǎng)單元滿足條件:當(dāng)一個(gè)第一格網(wǎng)單元內(nèi)的所有的點(diǎn)中曲率方差大于第二閾值的點(diǎn)所占的比重大于第三閾值，則重新在第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選取一個(gè)采樣點(diǎn)，并重新確定該采樣點(diǎn)所在的當(dāng)前第一格網(wǎng)單元。
5.如權(quán)利要求3所述的基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，其特征在于，所述步驟三的(3)中，在當(dāng)前第一格網(wǎng)單元的點(diǎn)中，一個(gè)候選幾何模型的一致集的點(diǎn)滿足以下條件:當(dāng)前第一格網(wǎng)單元的一個(gè)點(diǎn)的法向與該點(diǎn)在候選幾何模型的投影點(diǎn)的法向的夾角小于一第四閾值，以及該點(diǎn)到候選幾何模型的距離小于第五閾值。
6.如權(quán)利要求3所述的基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，其特征在于，所述步驟三的(3)中，所述第一閾值為當(dāng)前第一格網(wǎng)單元的點(diǎn)的數(shù)目的一半。
7.如權(quán)利要求3所述的基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，其特征在于，所述步驟三中，對(duì)最優(yōu)模型的一致集進(jìn)行共面分割，具體過(guò)程為: (1)選擇第二規(guī)則格網(wǎng)將最優(yōu)模型的一致集劃分為多個(gè)第二格網(wǎng)單元，以最優(yōu)模型的一致集為第二當(dāng)前數(shù)據(jù)集， (2)選擇第二當(dāng)前數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)的其中一個(gè)不為空的第二格網(wǎng)單元進(jìn)行領(lǐng)域搜索， (3)當(dāng)與該第二格網(wǎng)單元的相鄰的一個(gè)第二格網(wǎng)單元不為空時(shí)，則再對(duì)相鄰的第二格網(wǎng)單元進(jìn)行領(lǐng)域搜索，當(dāng)與該第二格網(wǎng)單元的相鄰的一個(gè)第二格網(wǎng)為空時(shí)，則相鄰的第二格網(wǎng)單元位于當(dāng)前聚集區(qū)域的邊界， (4)重復(fù)(3)，直至確定出當(dāng)前聚集區(qū)域的邊界，則不屬于當(dāng)前聚集區(qū)域的點(diǎn)構(gòu)成下一個(gè)第二當(dāng)前數(shù)據(jù)集， (5)重復(fù)⑵ ⑷。
8.如權(quán)利要求7所述的基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，其特征在于，所述步驟二中，a個(gè)候選幾何模型包括若干候選平面模型、若干候選圓柱面模型、若干候選球面模型。
9.如權(quán)利要求8所述的基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，其特征在于，當(dāng)最優(yōu)模型為平面模型，第二規(guī)則格網(wǎng)為二維正方形規(guī)則格網(wǎng)，當(dāng)最優(yōu)模型為圓柱面模型，則將該圓柱面模型沿其軸向展成平面，再選擇第二規(guī)則格網(wǎng)進(jìn)行劃分，且第二規(guī)則格網(wǎng)為二維正方形規(guī)則格網(wǎng)，當(dāng) 最優(yōu)模型為球面模型時(shí)，則第二規(guī)則格網(wǎng)為QTM格網(wǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于局部采樣的多幾何特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割方法，包括利用三維規(guī)則格網(wǎng)將對(duì)所獲取的全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)第一格網(wǎng)單元；每個(gè)幾何特征的提取過(guò)程包括在第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選取一采樣點(diǎn)，確定該采樣點(diǎn)所在的當(dāng)前第一格網(wǎng)單元，利用該采樣點(diǎn)以及當(dāng)前第一格網(wǎng)單元內(nèi)的其他點(diǎn)構(gòu)建出α個(gè)候選幾何模型，從α個(gè)候選幾何模型中確定一最優(yōu)模型，在第一當(dāng)前數(shù)據(jù)集中，計(jì)算最優(yōu)模型的一致集，根據(jù)多個(gè)幾何特征將全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割成多個(gè)子集。本發(fā)明從局部采樣，在一個(gè)第一格網(wǎng)單元中構(gòu)建候選幾何模型，在多個(gè)候選幾何模型中確定出最優(yōu)模型，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)幾何特征的提取，避免出現(xiàn)“擬合出現(xiàn)實(shí)中不存在的模型”的問(wèn)題，本發(fā)明的效率更高。
文檔編號(hào)G06T5/50GK103247041SQ201310181368
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月16日
發(fā)明者王晏民, 石宏斌 申請(qǐng)人:北京建筑工程學(xué)院