實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界樣點(diǎn)識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界樣點(diǎn)識(shí)別方法，屬于產(chǎn)品逆向工程技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 曲面重建技術(shù)在逆向工程、醫(yī)學(xué)圖像處理、機(jī)器視覺(jué)以及虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域已獲得 廣泛應(yīng)用，由于曲面邊界是曲面定義中的關(guān)鍵幾何特征，因此在曲面重建過(guò)程中，邊界樣點(diǎn) 識(shí)別不僅是實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理階段的核心技術(shù)，也是影響曲面重建正確性與精度的 重要因素。
[0003] 對(duì)于判斷實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)中的任一目標(biāo)樣點(diǎn)是否為邊界樣點(diǎn)，現(xiàn)有的識(shí)別方 法主要基于該樣點(diǎn)周?chē)詺W氏距離進(jìn)行度量的鄰域數(shù)據(jù)并結(jié)合曲面局部平坦特性進(jìn)行判 斷，即：對(duì)目標(biāo)樣點(diǎn)鄰域數(shù)據(jù)進(jìn)行平面逼近，然后將目標(biāo)樣點(diǎn)與其鄰域數(shù)據(jù)向該平面投影， 若后者的投影點(diǎn)位于前者的投影點(diǎn)一側(cè)，則目標(biāo)樣點(diǎn)被判定為邊界樣點(diǎn)。這類(lèi)方法主要存 在兩個(gè)問(wèn)題：（1)曲面的局部平坦特性只限于對(duì)光滑曲面有效，因此無(wú)法對(duì)位于曲面上尖 銳棱邊或曲率變化較大的過(guò)渡區(qū)域內(nèi)的邊界樣點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別；(2)對(duì)于非均勻分布的采樣數(shù) 據(jù)，雖然許多目標(biāo)樣點(diǎn)并非邊界樣點(diǎn)，但是基于歐氏距離所獲取的鄰域參考數(shù)據(jù)極有可能 位于目標(biāo)樣點(diǎn)一側(cè)，從而造成誤判。孫殿柱等在學(xué)術(shù)期刊《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)》2013,44(12)， P275-279, 268上發(fā)表的學(xué)術(shù)論文"基于核密度估計(jì)的散亂點(diǎn)云邊界特征提取"中，基于核密 度估計(jì)方法獲取曲面局部形狀參考點(diǎn)集的模式點(diǎn)，以其與目標(biāo)樣點(diǎn)之間的歐式距離作為依 據(jù)進(jìn)行邊界樣點(diǎn)的判定，雖然可在一定程度上處理非光滑的曲面采樣數(shù)據(jù)，但是未能解決 非均勻采樣數(shù)據(jù)的適應(yīng)性問(wèn)題。
[0004] 綜上所述，目前的實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界樣點(diǎn)識(shí)別方法存在邊界樣點(diǎn)識(shí)別不完 整、難以適應(yīng)非均勻分布的實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)等問(wèn)題，因此，提供一種識(shí)別能力與適應(yīng)性較 強(qiáng)的實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界樣點(diǎn)識(shí)別方法已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù) 邊界樣點(diǎn)識(shí)別方法，快速、準(zhǔn)確識(shí)別實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)的邊界樣點(diǎn)。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界樣 點(diǎn)識(shí)別方法，其特征在于，步驟依次為：（1)基于核密度估計(jì)方法計(jì)算獲取待邊界特征識(shí)別 的目標(biāo)樣點(diǎn)鄰域數(shù)據(jù)的模式點(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)樣點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)模式點(diǎn)的偏離程度建立邊界樣點(diǎn)識(shí) 別準(zhǔn)則，即將偏離程度大的目標(biāo)樣點(diǎn)判定為邊界樣點(diǎn)；（2)設(shè)實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)集合為5； 利用KD樹(shù)對(duì)5構(gòu)建樣點(diǎn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)空間索引；（3)基于KD樹(shù)索引采用動(dòng)態(tài)空心球擴(kuò)展算法 查詢(xún)獲取目標(biāo)樣點(diǎn)P的免近鄰數(shù)據(jù)，并將其作為實(shí)物表面上目標(biāo)樣點(diǎn)所在位置的初始曲面 局部樣本；(4)基于K均值聚類(lèi)算法使曲面局部樣本在一定程度上向目標(biāo)樣點(diǎn)鄰近的采樣 數(shù)據(jù)稀疏區(qū)域擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面局部樣本的擴(kuò)展優(yōu)化（5)對(duì)擴(kuò)展優(yōu)化后的曲面局部樣本， 基于核密度估計(jì)方法進(jìn)行概率密度估計(jì)，獲取能反映樣點(diǎn)分布特征的模式點(diǎn)，并利用邊界 樣點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)則對(duì)目標(biāo)樣點(diǎn)進(jìn)行邊界特征判定；(6)對(duì)沖的所有樣點(diǎn)進(jìn)行上述的邊界特征 判定，即可完成實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)的邊界樣點(diǎn)識(shí)別。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界樣點(diǎn)識(shí)別方法，其特征在于步驟 (1)中所述根據(jù)目標(biāo)樣點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)模式點(diǎn)的偏離程度建立邊界樣點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)則，具體為：設(shè) 2 (/7)為/7在實(shí)物表面上相應(yīng)位置的良好曲面局部樣本，則基于核密度估計(jì)方法的模式點(diǎn) 計(jì)算公式為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界樣點(diǎn)識(shí)別方法，其特征在于，步驟依次為：（1)基于核 密度估計(jì)方法計(jì)算獲取待邊界特征識(shí)別的目標(biāo)樣點(diǎn)鄰域數(shù)據(jù)的模式點(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)樣點(diǎn)與其 對(duì)應(yīng)模式點(diǎn)的偏離程度建立邊界樣點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)則，即將偏離程度大的目標(biāo)樣點(diǎn)判定為邊界樣 點(diǎn)；（2)設(shè)實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)集合為5；利用KD樹(shù)對(duì)5構(gòu)建樣點(diǎn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)空間索引；(3)基 于KD樹(shù)索引采用動(dòng)態(tài)空心球擴(kuò)展算法查詢(xún)獲取目標(biāo)樣點(diǎn)的免近鄰數(shù)據(jù)，并將其作為實(shí)物 表面上目標(biāo)樣點(diǎn)所在位置的初始曲面局部樣本；(4)基于K均值聚類(lèi)算法使曲面局部樣本 在一定程度上向目標(biāo)樣點(diǎn)鄰近的采樣數(shù)據(jù)稀疏區(qū)域擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面局部樣本的擴(kuò)展優(yōu)化 (5)對(duì)擴(kuò)展優(yōu)化后的曲面局部樣本，基于核密度估計(jì)方法進(jìn)行概率密度估計(jì)，獲取能反映樣 點(diǎn)分布特征的模式點(diǎn)，并利用邊界樣點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)則對(duì)目標(biāo)樣點(diǎn)進(jìn)行邊界特征判定；(6)對(duì)S 中的所有樣點(diǎn)進(jìn)行上述的邊界特征判定，即可完成實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)的邊界樣點(diǎn)識(shí)別。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界樣點(diǎn)識(shí)別方法，其特征在于步驟 (1)中所述根據(jù)目標(biāo)樣點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)模式點(diǎn)的偏離程度建立邊界樣點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)則，具體為：設(shè) 2 〇7)為在實(shí)物表面上相應(yīng)位置的良好曲面局部樣本，則基于核密度估計(jì)方法的模式點(diǎn) 計(jì)算公式為：
其中，/?為』(/?)中樣點(diǎn)的數(shù)量，為帶寬，GU)為核函數(shù)，目標(biāo)樣點(diǎn)與模 式點(diǎn)#( 2 〇7))的偏離程度可基于2 〇7)的標(biāo)準(zhǔn)差予以量化，若滿足：
便可判定為邊界樣點(diǎn)，其中，冰?）為樣點(diǎn)間的歐氏距離'為敏感因子，用于調(diào)整 邊界樣點(diǎn)識(shí)別的靈敏度，/澈判定為邊界樣點(diǎn)的概率與該值成反比；S為2 〇7)的標(biāo)準(zhǔn)差，
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界樣點(diǎn)識(shí)別方法，其特征在于步驟（4) 中所述曲面局部樣本的擴(kuò)展優(yōu)化過(guò)程，具體步驟為：（1)i=〇,令4(F)為目標(biāo)樣點(diǎn)的左 近鄰點(diǎn)集；（2)基于K均值聚類(lèi)算法確定馬(F)的概率密度極大值點(diǎn)為(F))，具體步驟為： ①對(duì)Vf,e馬00，依次查詢(xún)其鄰點(diǎn)集{Ipip…，37,處的概率密度估計(jì)值的計(jì)算公式 為：
其中，A為帶寬，GU)為核函數(shù)；②令K=2,對(duì)中各點(diǎn)按其概率密度大小進(jìn)行K均 值聚類(lèi)，從分類(lèi)結(jié)果中選取聚類(lèi)中心對(duì)應(yīng)概率密度最大的一簇;③取€^中的樣點(diǎn) 定義毛(P)的概率密度極大值點(diǎn)，計(jì)算公式為：
?-I 其中ffl= |c?|為中的樣點(diǎn)數(shù)目；（3)計(jì)算關(guān)于目標(biāo)樣點(diǎn)/7的對(duì)稱(chēng)點(diǎn) ；(4)在實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)中查詢(xún)功的沿a鄰點(diǎn)集不cp> ;(5)從不go中選擇可減少為Cp)的鄰域信息缺失的子集7U6)若r= ?，跳轉(zhuǎn)至步驟（9) ;(7)
i=i+ 1 ; (8)重復(fù)步驟⑵至（7) ; (9) !〇) =為(P)，擴(kuò)展過(guò)程終止， 此時(shí)鄭)即近似為目標(biāo)樣點(diǎn)處的拓?fù)溧徲颍簧鲜鲞^(guò)程的步驟（5)中，從40)中選擇可減 少為Cf)的鄰域信息缺失的子集r，具體方法為：①對(duì)；Cp)中的樣點(diǎn)據(jù)其至/7的距離進(jìn)行 升序排列使之成為有序集;②j'=i，r=#，JU，_r)為點(diǎn)I到點(diǎn)7的歐氏距 離；③r=nj{gj;④根據(jù)計(jì)算為《的模式點(diǎn)同理可據(jù)此方法計(jì)算馬t^ur 的模式點(diǎn)Af(4(?)U：n;⑤宋
則從沖刪除ffj，跳轉(zhuǎn)至 步驟⑧；⑥j' =j' + 1;⑦重復(fù)步驟③至⑥；⑧返回r。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界樣點(diǎn)識(shí)別方法，其特征在于所述模式 點(diǎn)計(jì)算公式中帶寬A的取值為目標(biāo)樣點(diǎn)/7至毛(rt中所有樣點(diǎn)距離的最大值，A是一個(gè)自適 應(yīng)帶寬值，核函數(shù)^U)取高斯核函數(shù)，其形式為；
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界樣點(diǎn)識(shí)別方法，，其特征在于基于核 密度估計(jì)的概率密度計(jì)算公式中帶寬A的取值為％到其k近鄰點(diǎn)集…中各點(diǎn)距 離的最大值，其中的核函數(shù)^u)同樣取高斯核函數(shù)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)邊界樣點(diǎn)識(shí)別方法，屬于產(chǎn)品逆向工程技術(shù)領(lǐng)域。基于核密度估計(jì)方法計(jì)算獲取目標(biāo)樣點(diǎn)鄰域數(shù)據(jù)的模式點(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)樣點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)模式點(diǎn)的偏離程度建立邊界樣點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)則。構(gòu)建實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)的K-D樹(shù)空間索引，并基于該索引快速獲取目標(biāo)樣點(diǎn)的k近鄰數(shù)據(jù)，將其作為目標(biāo)樣點(diǎn)處的初始曲面局部樣本，基于K均值聚類(lèi)算法使曲面局部樣本在一定程度上向目標(biāo)樣點(diǎn)鄰近的采樣數(shù)據(jù)稀疏區(qū)域擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面局部樣本的擴(kuò)展優(yōu)化。利用擴(kuò)展優(yōu)化后的曲面局部樣本，根據(jù)邊界樣點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)則對(duì)目標(biāo)樣點(diǎn)進(jìn)行邊界樣點(diǎn)的判定。本方法可快速、準(zhǔn)確識(shí)別任意復(fù)雜實(shí)物表面采樣數(shù)據(jù)的邊界樣點(diǎn)，并且對(duì)于非均勻分布的采樣數(shù)據(jù)具有良好的適應(yīng)性。
【IPC分類(lèi)】G06T17-30
【公開(kāi)號(hào)】CN104700458
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510162553
【發(fā)明人】孫殿柱, 魏亮, 李延瑞, 白銀來(lái)
【申請(qǐng)人】山東理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年4月8日