專利名稱：一種管道結(jié)構(gòu)三維重建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維點云建模領(lǐng)域，特別是涉及一種管道結(jié)構(gòu)三維重建方法。
背景技術(shù)：
管道工廠廣泛存在于石油、化工和冶金等行業(yè)領(lǐng)域中，涉及大量縱橫交錯、十分密集的管道。一個較為完整、系統(tǒng)和理想化的管道工廠協(xié)同設(shè)計與管理系統(tǒng)中，管道工廠的三維幾何模型占據(jù)相當(dāng)關(guān)鍵的地位，它是各種工程數(shù)據(jù)的載體，管道工廠的三維建模技術(shù)已成為管道工廠設(shè)計與管理系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。很多管道工廠施工年代較早，經(jīng)過多次改擴(kuò)建后其二維圖紙也變得不完整，由于沒有相應(yīng)的三維幾何模型，致使無法使用現(xiàn)代化的管道工廠管理方式對其進(jìn)行管理。目前，可以通過激光掃描得到管道工廠點云數(shù)據(jù)，但由于工廠規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，獲取的點云數(shù)據(jù)通常不完整，且含有大量噪音，使得從點云數(shù)據(jù)恢復(fù)三維幾何模型存在很大的困難。 因此，目前需要本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切解決的一個問題就是如何能夠創(chuàng)新地提出一種管道工廠激光掃描點云的幾何建模方法，從而實現(xiàn)高效地對管道工廠點云數(shù)據(jù)進(jìn)行管道的三維重建。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何通過管道工廠點云數(shù)據(jù)高效地對管道進(jìn)行三維重建。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種管道結(jié)構(gòu)三維重建方法，其特征是該方法包括以下步驟SI :獲取管道的點云數(shù)據(jù)和地面的單位法向量，將所述點云數(shù)據(jù)變換到以地面的法向量為Z軸的坐標(biāo)系，計算坐標(biāo)變換后的點云數(shù)據(jù)的法向量；S2:根據(jù)所述坐標(biāo)變換后的點云數(shù)據(jù)的法向量找到法向量平行于地面的點云數(shù)據(jù)，并投影到平行于地面的平面上；S3:根據(jù)所述坐標(biāo)變換后的點云數(shù)據(jù)的法向量找到法向量不平行于地面的點云數(shù)據(jù)，并投影到高斯球上，沿緯度方向投影到赤道上，在赤道上檢測峰值點；將峰值點所在區(qū)域內(nèi)的點云數(shù)據(jù)投影到峰值的方向和Z軸構(gòu)成的平面上；S4 :分別檢測步驟S2得到的平面和步驟S3得到的平面中點云數(shù)據(jù)構(gòu)成的點云圓；通過點云圓得到管道的三維圖。所述坐標(biāo)變換的公式為X’ =Mx其中X’為變換后的點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)；
M為坐標(biāo)變換方陣；X為變換前的點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)。所述計算坐標(biāo)變換后的點云數(shù)據(jù)的法向量具體為對每個點云數(shù)據(jù)取設(shè)定個近鄰點，將所述近鄰點擬合成一個平面，則這個平面的法向量為該點云數(shù)據(jù)的法向量。所述法向量平行于地面的點云數(shù)據(jù)是指該點云數(shù)據(jù)的法向量和地面平面的夾角小于設(shè)定角度的點云數(shù)據(jù)。所述在赤道上檢測峰值點具體為
將法向量不平行于地面的點云數(shù)據(jù)投影到高斯球上，并求得該點云數(shù)據(jù)法向量和高斯球的赤道平面的夾角；將赤道平面上共η的方向角分成設(shè)定數(shù)量的均勻區(qū)間，統(tǒng)計落在各個區(qū)間內(nèi)的點云數(shù)據(jù)的數(shù)量；若點云數(shù)據(jù)的數(shù)量大于設(shè)定閾值，則認(rèn)為該區(qū)域有一個峰值點，該峰值點的角度為該區(qū)域角度的中間值；否則，認(rèn)為該區(qū)域沒有峰值。所述分別檢測步驟S2得到的平面和步驟S3得到的平面中點云數(shù)據(jù)構(gòu)成的點云圓具體為S41 :統(tǒng)計步驟S2得到的平面和步驟S3得到的平面的點云數(shù)據(jù)在各自平面中的分布，進(jìn)而設(shè)定初始圓的參數(shù)空間；根據(jù)初始圓的參數(shù)空間確定點云圓。所述根據(jù)初始圓的參數(shù)空間確定點云圓具體為S411 :若初始圓的參數(shù)空間內(nèi)的點云數(shù)據(jù)少于設(shè)定閾值，則舍棄該初始圓的參數(shù)空間，否則，進(jìn)入步驟S412;S412:若初始圓的參數(shù)空間小于設(shè)定范圍，則檢測該初始圓的參數(shù)空間中的點云圓，否則，將該初始圓的參數(shù)空間等分為設(shè)定個初始圓的參數(shù)空間，返回步驟S411。所述檢測該初始圓的參數(shù)空間中的圓的方法為隨機(jī)樣本一致性算法。所述通過點云圓得到管道的三維圖具體為S42:根據(jù)所述點云圓繪制該點云圓的圓柱軸線，經(jīng)擬合后得到管道的三維圖。(三)有益效果本發(fā)明通過對點云數(shù)據(jù)的處理，將點云數(shù)據(jù)劃分到平行于水平面和垂直于水平面上，進(jìn)而通過RANSAC算法將這兩類平面內(nèi)的點云數(shù)據(jù)擬合成圓，最終得到管道的三維圖。本發(fā)明方法最大程度避免了噪聲干擾，在沒有完全獲得點云數(shù)據(jù)的條件下，依然能夠?qū)c云數(shù)據(jù)進(jìn)行清晰分類，且計算量遠(yuǎn)小于現(xiàn)有三維重建方法，廣泛適用于各類管道的三維重建。


圖I是本發(fā)明的基本步驟；圖2是本發(fā)明的整體流程圖；圖3是法向量垂直于地面的點云投影到地面平面的結(jié)果；圖4是高斯球赤道上的點云分布峰值檢測。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖I是本發(fā)明的基本步驟。參考圖2，示出了本發(fā)明的一種基于參數(shù)域裁剪的結(jié)構(gòu)化管道點云幾何重建方法與系統(tǒng)的流程圖，所述具體方法包括SI，獲取管道的點云數(shù)據(jù)和地面的單位法向量t ;將點云數(shù)據(jù)變換到以地面的法向量為Z軸的坐標(biāo)系,計算坐標(biāo)變換后的點云數(shù)據(jù)的法向量；在大多數(shù)點云數(shù)據(jù)中，地面方向都已經(jīng)在采集數(shù)據(jù)時進(jìn)行 了標(biāo)定。在數(shù)據(jù)中，常常將三維坐標(biāo)系的Z軸方向作為地面的法方向，既地面的單位法向量為(0，0，I)。即使點云數(shù)據(jù)的地面法向量未知，而可以通過很多已有的技術(shù)快速準(zhǔn)確的檢測得到。假設(shè)地面的單位法向量為t，任意選擇向量懷t2，使得t，t1； t2成為一組正交向量，并作為新的坐標(biāo)系。那么對于點云中的一個點X，變換到新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為X’ X，=Mx其中X’為變換后的點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)；M為坐標(biāo)變換方陣；X為變換前的點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)。其中變換方陣M為M=Lt1 t2 t]T而新坐標(biāo)系中的點X’對應(yīng)的原坐標(biāo)系中的點為X = JVT1Xj為了計算方便，以后都在新坐標(biāo)系中進(jìn)行運算，必要時可以使用上述公式在兩個坐標(biāo)系中變換。在新坐標(biāo)系中，地面法方向為Z軸方向，其單位法向量為(0，0，1)。對于點云中的某個點,取其k (k=10)近鄰,將這k個點擬合成一個平面,將該平面的法向量作為該點的法向量。對點云中的每個點都進(jìn)行上述操作，得到點云中每個點的法向量。S2，根據(jù)坐標(biāo)變換后的點云數(shù)據(jù)的法向量找到法向量平行于地面的點云數(shù)據(jù)，并投影到平行于地面的平面上；由于在新坐標(biāo)系中，地面的單位法向量為(0，0，I)，對于點云中的某個點X，如果其法方向η和地面平面的夾角小于一個閾值Λ α，Δ α = (0,1] °，即，(O, O, I) *n<sin(A α)。將符合這些條件的點投影到地面平面，既新坐標(biāo)系的XOY平面上，即
,[10 0]X =IX
Lo I Oj這樣就得到了一組平面上的點云數(shù)據(jù)，我們將這個集合作為SetO。S3，根據(jù)坐標(biāo)變換后的點云數(shù)據(jù)的法向量找到法向量不平行于地面的點云數(shù)據(jù)，并投影到高斯球上，沿緯度方向投影到赤道上，在赤道上檢測峰值點；將峰值點所在區(qū)域內(nèi)的點云數(shù)據(jù)投影到峰值的方向和Z軸構(gòu)成的平面上；將法向量不平行于地面的點云數(shù)據(jù)投影到高斯球上，并求得該點云數(shù)據(jù)法向量和高斯球的赤道平面的夾角；將赤道平面上共η的方向角分成設(shè)定數(shù)量的均勻區(qū)間，統(tǒng)計落在各個區(qū)間內(nèi)的點云數(shù)據(jù)的數(shù)量；若點云數(shù)據(jù)的數(shù)量大于設(shè)定閾值，則認(rèn)為該區(qū)域有一個峰值點，該峰值點的角度為該區(qū)域角度的中間值；否則，認(rèn)為該區(qū)域沒有峰值。假設(shè)點云的法向量為n，那么將法向量在高斯球上沿維度方向投影到赤道平面，既XOY平面上。那么投影方向和X軸的夾角即為
權(quán)利要求
1.一種管道結(jié)構(gòu)三維重建方法，其特征是該方法包括以下步驟 Si:獲取管道的點云數(shù)據(jù)和地面的單位法向量，將所述點云數(shù)據(jù)變換到以地面的法向量為Z軸的坐標(biāo)系，計算坐標(biāo)變換后的點云數(shù)據(jù)的法向量； S2 :根據(jù)所述坐標(biāo)變換后的點云數(shù)據(jù)的法向量找到法向量平行于地面的點云數(shù)據(jù)，并投影到平行于地面的平面上； S3:根據(jù)所述坐標(biāo)變換后的點云數(shù)據(jù)的法向量找到法向量不平行于地面的點云數(shù)據(jù)，并投影到高斯球上，沿緯度方向投影到赤道上，在赤道上檢測峰值點；將峰值點所在區(qū)域內(nèi)的點云數(shù)據(jù)投影到峰值的方向和Z軸構(gòu)成的平面上； S4 :分別檢測步驟S2得到的平面和步驟S3得到的平面中點云數(shù)據(jù)構(gòu)成的點云圓；通過點云圓得到管道的三維圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述坐標(biāo)變換的公式為 X' =Mx 其中 X'為變換后的點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)； M為坐標(biāo)變換方陣； X為變換前的點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述計算坐標(biāo)變換后的點云數(shù)據(jù)的法向量具體為 對每個點云數(shù)據(jù)取設(shè)定個近鄰點，將所述近鄰點擬合成一個平面，則這個平面的法向量為該點云數(shù)據(jù)的法向量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述法向量平行于地面的點云數(shù)據(jù)是指該點云數(shù)據(jù)的法向量和地面平面的夾角小于設(shè)定角度的點云數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述在赤道上檢測峰值點具體為 將法向量不平行于地面的點云數(shù)據(jù)投影到高斯球上，并求得該點云數(shù)據(jù)法向量和高斯球的赤道平面的夾角；將赤道平面上共η的方向角分成設(shè)定數(shù)量的均勻區(qū)間，統(tǒng)計落在各個區(qū)間內(nèi)的點云數(shù)據(jù)的數(shù)量；若點云數(shù)據(jù)的數(shù)量大于設(shè)定閾值，則認(rèn)為該區(qū)域有一個峰值點，該峰值點的角度為該區(qū)域角度的中間值；否則，認(rèn)為該區(qū)域沒有峰值。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述分別檢測步驟S2得到的平面和步驟S3得到的平面中點云數(shù)據(jù)構(gòu)成的點云圓具體為 S41 :統(tǒng)計步驟S2得到的平面和步驟S3得到的平面的點云數(shù)據(jù)在各自平面中的分布，進(jìn)而設(shè)定初始圓的參數(shù)空間；根據(jù)初始圓的參數(shù)空間確定點云圓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)初始圓的參數(shù)空間確定點云圓具體為 S411 :若初始圓的參數(shù)空間內(nèi)的點云數(shù)據(jù)少于設(shè)定閾值，則舍棄該初始圓的參數(shù)空間，否則，進(jìn)入步驟S412 ； S412:若初始圓的參數(shù)空間小于設(shè)定范圍，則檢測該初始圓的參數(shù)空間中的圓，否則，將該初始圓的參數(shù)空間等分為設(shè)定個初始圓的參數(shù)空間，返回步驟S411。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述檢測該初始圓的參數(shù)空間中的圓的方法為隨機(jī)樣本一致性算法。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述通過點云圓得到管道的三維圖具體 為S42:根據(jù)所述點云圓繪制該點云圓的圓柱軸線，經(jīng)擬合后得到管道的三維圖。
全文摘要
本發(fā)明提供三維點云建模領(lǐng)域中的一種管道結(jié)構(gòu)三維重建方法。本發(fā)明獲取管道的點云數(shù)據(jù)和地面的單位法向量；將點云數(shù)據(jù)變換到以地面的法向量為Z軸的坐標(biāo)系；計算坐標(biāo)變換后的點云數(shù)據(jù)的法向量；從中分離出法向量平行于地面的點云數(shù)據(jù)，并投影到平行于地面的平面上；法向量不平行于地面的點云數(shù)據(jù)，并投影到高斯球上，沿緯度方向投影到赤道上，在赤道上檢測峰值點；將峰值點所在區(qū)域內(nèi)的點云數(shù)據(jù)投影到峰值的方向和Z軸構(gòu)成的平面上；得到點云數(shù)據(jù)構(gòu)成的點云圓；通過點云圓得到管道的三維圖。本發(fā)明方法最大程度地避免了噪聲干擾，在沒有完全獲得點云數(shù)據(jù)的條件下，依然能夠?qū)c云數(shù)據(jù)進(jìn)行清晰分類，且計算量小，適用于各類管道的三維重建。
文檔編號G06T17/00GK102915561SQ20121036568
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者劉永進(jìn), 侯季春, 張俊斌, 任繼成, 唐衛(wèi)清, 胡事民 申請人:清華大學(xué), 北京中科輔龍計算機(jī)技術(shù)股份有限公司