一種適用于多視角點(diǎn)云處理的圓柱形鄰域及其搜索方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于多視角點(diǎn)云處理的圓柱形鄰域及其搜索方法，所述圓柱形鄰域定義為在圓柱形區(qū)域內(nèi)并同時(shí)滿足歐氏距離判據(jù)及法向量判據(jù)的點(diǎn)數(shù)據(jù)集合；所述圓柱形鄰域的搜索方法包括步驟：1）點(diǎn)數(shù)據(jù)法向量估計(jì)、2）八叉樹構(gòu)建、3）點(diǎn)數(shù)據(jù)所在的節(jié)點(diǎn)定位、4）圓柱形區(qū)域構(gòu)建、5）解域空間計(jì)算、6）圓柱形鄰域求解。與傳統(tǒng)的球形鄰域搜索方法相比，本發(fā)明一方面沿點(diǎn)數(shù)據(jù)的法向量方向拓展了搜索范圍，克服了多視角點(diǎn)云重疊區(qū)域分層所帶來(lái)的影響，提高了搜索鄰域完整性；另一方面在鄰域求解中引入了法向量判據(jù)，彌補(bǔ)了歐氏距離判據(jù)的缺陷，提高了搜索鄰域合理性。
【專利說(shuō)明】—種適用于多視角點(diǎn)云處理的圓柱形鄰域及其搜索方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)三維測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種點(diǎn)云鄰域及其搜索方法，更進(jìn)一步涉及一種新的用于包含重疊區(qū)域的多視角點(diǎn)云處理的圓柱形鄰域及其搜索方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的智能化、可視化的高新技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)的掃描，以得到物體的三維輪廓，獲得物體表面點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。隨著現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，特別是隨著激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及圖像處理技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，三維測(cè)量技術(shù)逐步成為人們的研究重點(diǎn)。光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)由于具有非接觸、快速測(cè)量、精度高等優(yōu)點(diǎn)，使其在航空航天、軍工、汽車和裝備制造等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。三維測(cè)量技術(shù)是獲取物體表面各點(diǎn)空間坐標(biāo)的技術(shù)，主要包括接觸式和非接觸式兩大類。其中，通過(guò)光學(xué)三維非接觸式測(cè)量設(shè)備采集的多視角點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理技術(shù)，如融合、降噪、曲面重建等，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。
[0003]在多視角點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，大部分的運(yùn)算、操作都是在局部鄰域內(nèi)進(jìn)行的，為此，需要獲取點(diǎn)數(shù)據(jù)的局部鄰域信息。文獻(xiàn)“PointPrimitivesforInteractiveModelingandProcessingof3DGeometry，，(FederalInstituteofTechnology (ETH)ofZurich,MarkPauIy,PhdThesis, 2003)報(bào)道了三種點(diǎn)數(shù)據(jù)的鄰域:K近鄰(K-nearestNeighbors)、BSP鄰域(BSPNeighbors)和 Voronoi 鄰域(VoronoiNeighbors)。其中，K 近鄰應(yīng)用最為廣泛，BSP 鄰域和Voronoi鄰域是K近鄰的子集，即這兩種鄰域是在K近鄰的基礎(chǔ)上建立的。
[0004]三維空間中任意一點(diǎn)數(shù)據(jù)P的K近鄰定義為:以點(diǎn)數(shù)據(jù)P為中心，以r為半徑的球形區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)數(shù)據(jù)集合。其中，半徑r的值可由使用者事先指定或者在搜索過(guò)程中確定。由上述定義可知，由于任意一點(diǎn)數(shù)據(jù)P的K近鄰一定位于以點(diǎn)數(shù)據(jù)P為中心的一個(gè)球形區(qū)域內(nèi)，因此，K近鄰也可稱為球形鄰域。在本發(fā)明中，將K近鄰稱為球形鄰域。
[0005]球形鄰域的搜索可通過(guò)構(gòu)建一棵kd-樹(kd-tree)或者一棵八叉樹(octree)來(lái)實(shí)現(xiàn)。球形鄰域的搜索因其具有簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，但其在使用過(guò)程中也存在需要克服的缺陷。球形鄰域的搜索的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:(1)受測(cè)量精度、匹配偏差等因素的影響，多視角點(diǎn)云之間存在間隙，搜索點(diǎn)數(shù)據(jù)的鄰域時(shí)，一部分鄰域點(diǎn)數(shù)據(jù)由于間隙而處于球形區(qū)域之外，導(dǎo)致該部分鄰域數(shù)據(jù)的缺失。因此，在搜索多視角密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊區(qū)域的點(diǎn)數(shù)據(jù)的鄰域時(shí)，搜索的鄰域不完整。(2)對(duì)于厚度較薄物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，比如薄壁葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，當(dāng)搜索半徑大于厚度尺寸時(shí)，搜索某一表面上點(diǎn)數(shù)據(jù)的鄰域時(shí)，會(huì)將另外一表面上的點(diǎn)數(shù)據(jù)也包括在其中，導(dǎo)致搜索出錯(cuò)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述現(xiàn)有球形鄰域搜索方法的不足，本發(fā)明提出了一種適用于多視角點(diǎn)云處理的圓柱形鄰域及其搜索方法，以滿足包含重疊區(qū)域的多視角點(diǎn)云處理過(guò)程中鄰域搜索的需求。[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種適用于多視角點(diǎn)云處理的圓柱形鄰域，對(duì)于三維空間中任意一包含法向量η的點(diǎn)數(shù)據(jù)P，點(diǎn)數(shù)據(jù)P的圓柱形鄰域定義為:位于底面半徑為r、高度為h的圓柱形區(qū)域內(nèi)，并同時(shí)滿足歐氏距離判據(jù)及法向量判據(jù)的點(diǎn)數(shù)據(jù)集合Ω ；
[0009]所述的歐氏距離判據(jù)為
【權(quán)利要求】
1.一種適用于多視角點(diǎn)云處理的圓柱形鄰域，其特征在于:對(duì)于三維空間中任意一包含法向量η的點(diǎn)數(shù)據(jù)P，點(diǎn)數(shù)據(jù)P的圓柱形鄰域定義為:位于底面半徑為r、高度為h的圓柱形區(qū)域內(nèi)，并同時(shí)滿足歐氏距離判據(jù)及法向量判據(jù)的點(diǎn)數(shù)據(jù)集合Ω ；

所述的歐氏距離判據(jù)為
2.一種適用于多視角點(diǎn)云處理的圓柱形鄰域的搜索方法，其特征在于包括如下步驟: 2.1)點(diǎn)數(shù)據(jù)的法向量估計(jì) 所述點(diǎn)數(shù)據(jù)的法向量估計(jì)分為法向量的初步估算及法向量的修正兩個(gè)階段: a)法向量的初步估算:依據(jù)單視角點(diǎn)云的柵格線信息直接估算每個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的法向量，或者依據(jù)球形鄰域信息通過(guò)主元分析法估算每個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的法向量； b)法向量的修正:當(dāng)點(diǎn)數(shù)據(jù)的圓柱形鄰域確定時(shí)，利用法向量濾波方法對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)的法向量進(jìn)行修正； 2.2)八叉樹構(gòu)建 將包含法向量信息的多視角點(diǎn)云合并在一起構(gòu)建一顆八叉樹；所述多視角點(diǎn)云由三維光學(xué)非接觸式測(cè)量設(shè)備采集獲得，并包含步驟2.1)所估計(jì)的法向量信息； 2.3)點(diǎn)數(shù)據(jù)所在的節(jié)點(diǎn)定位 以步驟2.2)所構(gòu)建的八叉樹為基礎(chǔ)，從八叉樹的根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，采用廣度優(yōu)先遍歷的方法確定點(diǎn)數(shù)據(jù)所在的節(jié)點(diǎn)； 2.4)圓柱形區(qū)域構(gòu)建 以點(diǎn)數(shù)據(jù)為圓柱的中心，將點(diǎn)數(shù)據(jù)的法向量方向作為圓柱形區(qū)域的軸線的方向，構(gòu)建一圓柱形區(qū)域； 2.5)解域空間計(jì)算 以步驟2.3)確定的點(diǎn)數(shù)據(jù)所在的節(jié)點(diǎn)為中心，采用逐層向外擴(kuò)展的方式計(jì)算與步驟2.4)所構(gòu)建的圓柱形區(qū)域相交的節(jié)點(diǎn)；點(diǎn)數(shù)據(jù)所在的節(jié)點(diǎn)以及與步驟2.4)所構(gòu)建的圓柱形區(qū)域相交的節(jié)點(diǎn)所包圍形成的空間即為解域空間，所述解域空間包含了點(diǎn)數(shù)據(jù)的所有鄰域點(diǎn)數(shù)據(jù)； 2.6)圓柱形鄰域求解 根據(jù)歐氏距離判據(jù)及法向量判據(jù)依次判定所述步驟2.5)獲得的解域空間內(nèi)的每個(gè)鄰域點(diǎn)數(shù)據(jù)是否屬于點(diǎn)數(shù)據(jù)的鄰域:凡同時(shí)滿足所述歐氏距離判據(jù)及法向量判據(jù)的鄰域點(diǎn)數(shù)據(jù)均屬于點(diǎn)數(shù)據(jù)的鄰域，否則不屬于點(diǎn)數(shù)據(jù)的鄰域；對(duì)同時(shí)滿足所述歐氏距離判據(jù)及法向量判據(jù)的鄰域點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)鄰域點(diǎn)數(shù)據(jù)至所述步驟2.4)所構(gòu)建的圓柱形區(qū)域的軸線的距離ti;并按\從小到大的順序?qū)︵徲螯c(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序；

所述的歐氏距離判據(jù)為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于多視角點(diǎn)云處理的圓柱形鄰域的搜索方法，其特征在于:所述圓柱形區(qū)域構(gòu)建需同時(shí)滿足如下條件: 3.1)點(diǎn)數(shù)據(jù)P為圓柱形區(qū)域的中心； 3.2)圓柱形區(qū)域的高度h大于2倍的點(diǎn)云間隙G，所述圓柱形區(qū)域的高度h取值范圍為2至4倍的圓柱形區(qū)域底面半徑r。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK103914837SQ201410113800
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】史寶全 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)