本發(fā)明提供基于局部樣本投影輪廓形狀的實(shí)物表面采樣點(diǎn)集邊界特征識(shí)別方法，可用于對(duì)實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界特征的識(shí)別，屬于數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

實(shí)物表面采樣點(diǎn)集的邊界特征是指分布于非封閉點(diǎn)集邊緣的樣點(diǎn)集合及位于點(diǎn)集內(nèi)部孔洞的邊緣樣點(diǎn)的集合。由于實(shí)物表面的采樣數(shù)據(jù)是散亂點(diǎn)集，點(diǎn)集中各樣點(diǎn)之間沒(méi)有任何拓?fù)湫畔?，因此?duì)采樣數(shù)據(jù)邊界特征識(shí)別，本質(zhì)上是通過(guò)點(diǎn)集中樣點(diǎn)及其鄰域數(shù)據(jù)分布的幾何信息判斷樣點(diǎn)是否為邊界點(diǎn)。采樣點(diǎn)集的邊界特征是曲面的重要幾何特征之一，作為求解曲面參數(shù)的定義域，對(duì)曲面模型重建的品質(zhì)和精度有著重要的影響。

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)的邊界特征識(shí)別進(jìn)行了研究。孫殿柱等在《散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)云邊界特征自動(dòng)提取算法》(華中科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2008, 36(8): 82-84)采用R*-tree動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，基于索引結(jié)構(gòu)獲取采樣點(diǎn)的 k鄰域作為局部曲面參考數(shù)據(jù)，以最小二乘法擬合該數(shù)據(jù)的微切平面，并將采樣點(diǎn)和 k個(gè)近鄰點(diǎn)向微切平面投影， 根據(jù)采樣點(diǎn)與其 k個(gè)近鄰點(diǎn)所對(duì)應(yīng)投影點(diǎn)連線的最大夾角識(shí)別散亂點(diǎn)云邊界特征。但該算法需要提取點(diǎn)的 k近鄰點(diǎn)及進(jìn)行夾角的計(jì)算，計(jì)算量大，同時(shí)，R*-tree 的創(chuàng)建非常復(fù)雜，使得算法的時(shí)間復(fù)雜度增強(qiáng)。Milroy等在《Segmentation of a wrap-around model using an active contour》(Computer-Aided Design, 1997, 29(4): 299-320) 采用局部坐標(biāo)系內(nèi)的二次多項(xiàng)式曲面來(lái)估計(jì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的曲率值，求出曲率極值點(diǎn)，從中提取邊界點(diǎn)，雖然曲率極值法可以針對(duì)無(wú)規(guī)則的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出精度較高的邊界特征點(diǎn)，但這種方法需要計(jì)算每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲率值，其計(jì)算過(guò)程非常復(fù)雜，而且得出的曲率值受到其估計(jì)的方法的直接影響，有時(shí)可能和真實(shí)的曲率差別較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種快速識(shí)別實(shí)物表面采樣點(diǎn)集邊界特征的有效方法，技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)如下：

一種基于局部樣本投影輪廓形狀的實(shí)物表面采樣點(diǎn)集邊界特征識(shí)別方法，其特征在于步驟依次為：一、對(duì)實(shí)物表面采樣點(diǎn)集中的每個(gè)樣點(diǎn)的法向進(jìn)行估計(jì)；二、為中的每個(gè)樣點(diǎn)添加標(biāo)記，通過(guò)該標(biāo)記可以區(qū)分樣點(diǎn)是被標(biāo)記為邊界樣點(diǎn)狀態(tài)還是非邊界樣點(diǎn)狀態(tài)；三、將中所有樣點(diǎn)的標(biāo)記設(shè)為邊界樣點(diǎn)狀態(tài)，即假設(shè)中所有樣點(diǎn)均為邊界樣點(diǎn)；四、對(duì)于中的每個(gè)樣點(diǎn)，若其標(biāo)記為邊界樣點(diǎn)狀態(tài)，則沿樣點(diǎn)的法向?yàn)橹畼?gòu)建局部樣本的投影輪廓，驗(yàn)證樣點(diǎn)沿法向的投影點(diǎn)是否落入局部樣本投影的凹點(diǎn)與凸點(diǎn)所構(gòu)成的輪廓集合，若未落入該集合，則將樣點(diǎn)的標(biāo)記修改為非邊界點(diǎn)狀態(tài)；五、將中被標(biāo)記為邊界樣點(diǎn)狀態(tài)的樣點(diǎn)所構(gòu)成的子集輸出。

為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的基于局部樣本投影輪廓形狀的實(shí)物表面采樣點(diǎn)集邊界特征識(shí)別方法，其特征在于：在步驟四中，對(duì)樣點(diǎn)的局部樣本投影點(diǎn)集進(jìn)行凸點(diǎn)識(shí)別，具體步驟為：(1)在中獲取任意一點(diǎn)，查詢的最遠(yuǎn)點(diǎn)；(2)查詢的最遠(yuǎn)點(diǎn),計(jì)算以所在直線的法向；(3)在中搜索沿距離直線最遠(yuǎn)的點(diǎn)，就是識(shí)別的一個(gè)凸點(diǎn)；(4)以點(diǎn),,三點(diǎn)作三角形，判斷中的點(diǎn)是否在三角形內(nèi)部，凡是落在三角形內(nèi)的點(diǎn)排除，不再參與凸點(diǎn)的計(jì)算，否則將該點(diǎn)加入凸點(diǎn)集合中；(5)遍歷采樣數(shù)據(jù)內(nèi)所有點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)的完整識(shí)別過(guò)程，輸出凸點(diǎn)集合。

為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的基于局部樣本投影輪廓形狀的實(shí)物表面采樣點(diǎn)集邊界特征識(shí)別方法，其特征在于：在步驟四中，對(duì)進(jìn)行凹點(diǎn)識(shí)別，以識(shí)別的凸點(diǎn)作為輔助點(diǎn)，依次判定的每條邊是否穿過(guò)點(diǎn)云的凹陷區(qū)域來(lái)識(shí)別凹點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的直線段，通過(guò)離散化該直線段，計(jì)算離散點(diǎn)在內(nèi)的最近點(diǎn)即為相應(yīng)的凹點(diǎn)，輸出凹點(diǎn)集合。

為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的基于局部樣本投影輪廓形狀的實(shí)物表面采樣點(diǎn)集邊界特征識(shí)別方法，其特征在于：在判定三角形每條邊是否穿過(guò)凹陷區(qū)域時(shí)，具體步驟為：(1)對(duì)三角形的三條邊進(jìn)行離散化；(2)計(jì)算離散點(diǎn)在中的最近點(diǎn)并計(jì)算離散點(diǎn)與最近點(diǎn)之間的距離；(3)若該距離大于所設(shè)定的閾值，即認(rèn)為該離散點(diǎn)所在的邊對(duì)應(yīng)的凹陷區(qū)域。

為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的基于局部樣本投影輪廓形狀的實(shí)物表面采樣點(diǎn)集邊界特征識(shí)別方法，其特征在于：在判定凹陷區(qū)域所設(shè)定的閾值，其設(shè)定方法為：a)從實(shí)物表面采樣點(diǎn)集中隨機(jī)獲取個(gè)樣點(diǎn)，形成點(diǎn)集；b)設(shè)為空集，對(duì)于中的每個(gè)樣點(diǎn)，計(jì)算它到中距其最近的個(gè)樣點(diǎn)的距離均值并將其加入集合中；c)將中所有元素的均值作為閾值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 通過(guò)局部樣本進(jìn)行邊界特征識(shí)別并將其投影至平面，降低維度，利用識(shí)別的二維邊界點(diǎn)獲取對(duì)應(yīng)的三維邊界點(diǎn)，可快識(shí)別實(shí)物表面點(diǎn)集的邊界點(diǎn)；

(2) 對(duì)樣本點(diǎn)分別提取鄰域點(diǎn)集依次判斷邊界點(diǎn)，提高了實(shí)物表面點(diǎn)集邊界點(diǎn)的識(shí)別精度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于局部樣本投影輪廓形狀的實(shí)物表面采樣點(diǎn)集邊界特征識(shí)別方法的流程圖；

圖2是計(jì)算閾值的示意圖；

圖3是對(duì)點(diǎn)集投影至平面的示意圖；

圖4是凸點(diǎn)識(shí)別示意圖；

圖5是凹點(diǎn)識(shí)別示意圖；

圖6是phone模型的邊界特征識(shí)別過(guò)程示意圖；

圖7是part、fish模型邊界特征識(shí)別效果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明基于局部樣本投影輪廓形狀的實(shí)物表面采樣點(diǎn)集邊界特征識(shí)別方法的流程圖，采用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明所載方法的主要過(guò)程包括樣點(diǎn)局部鄰域點(diǎn)集的獲取，對(duì)局部鄰域點(diǎn)集投影，識(shí)別投影樣本點(diǎn)的凸點(diǎn)和凹點(diǎn)作為投影輪廓，基于投影輪廓獲取局部樣本的邊界點(diǎn)，如果該樣點(diǎn)落入邊界點(diǎn)集合中，則可判斷該點(diǎn)為采樣點(diǎn)集的邊界點(diǎn)。

對(duì)于圖2中所示的局部樣本數(shù)據(jù)，該樣本的點(diǎn)云跨度為,,……,等各距離的算術(shù)平均值。

為獲取點(diǎn)集的投影輪廓，對(duì)于鄰域點(diǎn)集沿樣點(diǎn)的法向或者法向的反方向進(jìn)行投影，如圖3所示。

凸點(diǎn)識(shí)別過(guò)程實(shí)際上將樣點(diǎn)集合中分布于凸邊緣處的樣點(diǎn)識(shí)別出來(lái)，如圖4所示的局部樣本數(shù)據(jù)，在點(diǎn)集中獲取任意點(diǎn)，查詢的最遠(yuǎn)點(diǎn)以及的最遠(yuǎn)點(diǎn)，計(jì)算距最遠(yuǎn)的點(diǎn)，則為識(shí)別的一個(gè)凸點(diǎn)。

凹點(diǎn)識(shí)別過(guò)程實(shí)際上將樣點(diǎn)集合中分布于凹邊緣處的樣點(diǎn)識(shí)別出來(lái)，如圖5所示，凹點(diǎn)提取的具體步驟為：(1) ，初始化 中所有點(diǎn)的標(biāo)記為0；(2) 設(shè)為凸點(diǎn)集合中的第個(gè)點(diǎn)，其中，對(duì)于點(diǎn),,構(gòu)成的三角形，對(duì)其三條邊,,進(jìn)行等距劃分為10段，將每個(gè)等分點(diǎn)作為判斷點(diǎn)；(3) 設(shè)凹點(diǎn)存在判斷符為，遍歷中的所有標(biāo)記為0的點(diǎn)，查找每個(gè)等分點(diǎn)的最近點(diǎn)并計(jì)算距離，如果（其中為調(diào)節(jié)系數(shù)，）則判斷該線段存在凹點(diǎn)，將該點(diǎn)加入凹點(diǎn)集合，同時(shí)將該點(diǎn)標(biāo)記設(shè)為1，凹點(diǎn)標(biāo)記符為真；(4) 若為真，將該線段繼續(xù)等分為個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，遍歷點(diǎn)云集合中中的所有標(biāo)記為0的點(diǎn)，查找每個(gè)等分點(diǎn)的最近點(diǎn)并計(jì)算距離, 如果則將該點(diǎn)加入凹點(diǎn)集合，同時(shí)將該點(diǎn)標(biāo)記設(shè)為1；(5)，重復(fù)步驟(2)-(4)直至；(7) 輸出凹點(diǎn)集合。

實(shí)施例一：圖6是phone模型的邊界特征識(shí)別過(guò)程示意圖，如圖6-a所示，對(duì)一個(gè)phone模型的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界特征提取試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行投影，得到樣本數(shù)據(jù)的二維點(diǎn)集合（圖6-b所示），基于提出的凸點(diǎn)、凹點(diǎn)識(shí)別方法，對(duì)二維點(diǎn)集提取凸邊界、凹邊界特征（圖6-c、6-d所示），完整的二維邊界特征如圖6-e所示，根據(jù)投影對(duì)應(yīng)關(guān)系，可進(jìn)一步獲取phone模型的三維邊界特征，如圖6-f所示，從圖中可以看出，phone模型的外邊界以及按鍵、屏幕邊界特征均被有效識(shí)別出來(lái)。

實(shí)施例二：為驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，進(jìn)一步對(duì)另外兩個(gè)模型part、fish進(jìn)行邊界特征提取測(cè)試，如圖7所示，從圖中可以看出，part、fish模型的二維邊界及其對(duì)應(yīng)的三維邊界特征均被有效識(shí)別，從而驗(yàn)證了本發(fā)明在提取邊界特征過(guò)程中的適用性。

通過(guò)實(shí)施例可以得出，本發(fā)明能以較小的計(jì)算代價(jià)識(shí)別點(diǎn)云的邊界特征，在邊界特征識(shí)別的效率與精度等方面的綜合性能優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)例而已，并非是對(duì)本發(fā)明作其他形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為同等變化的等效實(shí)施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)內(nèi)容。