基本图元点云曲面的几何形状识别方法以及特征识别方法技术

本发明专利技术提供了一种基本图元点云曲面的几何形状识别方法以及特征识别方法。所述几何形状识别方法包括以下步骤：基于高斯映射法，利用高斯映像的特征显著性对基本图元分组，得到平面‑圆柱面‑圆锥面组和球面‑圆环面组；通过高斯映像特征分析，识别平面‑圆柱面‑圆锥面组中的平面、圆柱面和圆锥面；构建拉普拉斯贝尔特拉米算子，计算拉普拉斯贝尔特拉米算子的算子值，利用算子值均值和方差识别球面‑圆环面组中的球面和圆环面。所述特征识别方法包括：识别基本图元点云曲面几何形状；根据所述识别的基本图元点云曲面几何形状，提取形状几何参数。本发明专利技术的有益效果包括识别方法简单可行，针对性好，增强了参数提取的导向性。

【技术实现步骤摘要】
基本图元点云曲面的几何形状识别方法以及特征识别方法
本专利技术涉及计算机领域，用于曲面重构技术，更具体地讲，涉及一种基本图元点云曲面的几何形状识别方法以及基本图元点云曲面的特征识别方法。
技术介绍
实物样件表面由多张曲面片组合而成，点云模型经分割之后形成多个相应曲面片区域，由于区域没有相应的几何信息，无法精确重构出各曲面片，分析并研究点云曲面特征识别具有重要意义。传统点云重构方法不进行曲面片识别，采用如隐函数等方法对点云模型进行统一建模得到整体近似曲面，或者采用如三角剖分等方法进行网格剖分建立点云拓扑关系。由于采用传统点云重构方法的曲面几何形状未知，重建过程无导向性，因此曲面重建精度不够，曲面的局部特征无法准确表达，进而无法更好支持CAD\CAM\CAE后续处理。实物样件点云数据，通常也被称为散乱点云或无结构点云，虽然空间上呈散乱状，无拓扑结构，但点云源于样件表面，在空间上会呈现某种规律分布，分布特性蕴含着点与点之间的约束关系。点云模型经特征提取和区域分割后将形成独立的曲面片，准确识别这些曲面片的几何形状，可以有针对性地提取曲面片的几何参数，从而精确提取曲面片特征，是完成点云模型精度重构的重要过程之一。曲面特征识别可分为两个过程，第一是在点云数据上识别出曲面几何形状或图元，第二是从已知形状点云数据块上提取形状的几何参数。现有曲面特征识别方法并没有将两个过程做明显区分。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本专利技术的目的之一在于提供一种基本图元点云曲面几何形状识别方法可以易于区分基本图元。为了实现上述目的，本专利技术的一方面提供了一种基本图元点云曲面几何形状识别方法，所述基本图元可以包括平面、圆柱面、圆锥面、球面和圆环面，所述识别方法可以包括以下步骤：基于高斯映射法，利用高斯映像的特征显著性对基本图元分组，得到平面-圆柱面-圆锥面组和球面-圆环面组；通过高斯映像特征分析，识别平面-圆柱面-圆锥面组中的平面、圆柱面和圆锥面；构建拉普拉斯贝尔特拉米算子，计算拉普拉斯贝尔特拉米算子的算子值，利用算子值均值和方差识别球面-圆环面组中的球面和圆环面，其中，所述拉普拉斯贝尔特拉米算子为：其中，ΔSf表示函数f在曲面S上的拉普拉斯贝尔特拉米算子，Δ定义为曲面S定义为r＝r(u,v)，(u,v)是参数(u＝u1,v＝u2)，所述算子采用Einstein求和约定，α,β＝1或2，为度量矩阵，gαβ＝(gαβ)-1，g＝det(gαβ)。本专利技术的另一方面提供了一种基本图元点云曲面特征识别方法，所述特征识别方法包括根据上述所述的基本图元点云曲面几何形状识别方法，识别基本图元点云曲面几何形状；利用所述得到的几何形状表达式，根据点云坐标数据，提取形状几何参数。与现有技术相比，根据本专利技术的基本图元点云曲面几何形状识别方法简单可行，可以对几何形状的单一曲面片进行几何参数提取，针对性好，鲁棒性强，提取精度高；根据本专利技术的点云曲面特征识别方法，将识别分阶段进行，避免了曲面拟合的盲目性，增强了参数提取的导向性。附图说明通过下面结合附图进行的描述，本专利技术的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：图1示出了根据高斯映射方法的平面高斯映像示意图，其中，(a)示出了平面点模拟与法线示意图，(b)示出了平面法线的高斯映射球面示意图。图2示出了根据高斯映射方法的无底圆柱面高斯映像示意图，其中，(a)示出了圆柱面点模拟与法线示意图，(b)示出了圆柱面法线的高斯映射球面示意图。图3示出了根据高斯映射方法的无底圆锥面高斯映像示意图，其中，(a)示出了圆锥面点模型与法线示意图，(b)示出了圆锥面法线的高斯映射球面示意图。图4示出了根据高斯映射方法的球面高斯映像示意图，其中，(a)示出了球面点模型与法线示意图，(b)示出了球面法线的高斯映射球面示意图。图5示出了根据高射映射方法的圆环面高斯映像示意图，其中，(a)示出了圆环面点模型与法线示意图，(b)示出了圆环面法线的高斯映射球面示意图。图6示出了根据本专利技术示例性实施例的平面法线变化与高斯映像示意图。图7示出了根据本专利技术示例性实施例的圆柱面旋转轴方法与高斯映像示意图。图8示出了根据本专利技术示例性实施例的圆锥面旋转轴方向与高斯映像示意图。图9示出了根据本专利技术示例性实施例的圆锥面半顶角变化与高斯映像示意图。图10示出了根据本专利技术示例性实施例的球面上圆弧切线与球面半径夹角示意图。图11(a)示出了根据本专利技术示例性实施例的球面点云模型和与之对应的ΔSf曲线，图11(b)示出了根据本专利技术示例性实施例的圆环面点云模型和与之对应的ΔSf曲线。图12(a)示出了根据本专利技术示例性实施例的1/2上球面点云模型和与之对应的ΔSf曲线，图12(b)示出了根据本专利技术示例性实施例的1/2圆环面点云模型和与之对应的ΔSf曲线。图13(a)示出了根据本专利技术示例性实施例的1/2右球面点云模型和与之对应的ΔSf曲线，图13(b)示出了根据本专利技术示例性实施例的1/2圆环面点云模型和与之对应的ΔSf曲线。图14(a)示出了根据本专利技术示例性实施例的1/4球面点云模型和与之对应的ΔSf曲线，图14(b)示出了根据本专利技术示例性实施例的1/4圆环面点云模型和与之对应的ΔSf曲线。具体实施方式在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本专利技术的一种基本图元点云曲面几何形状识别方法以及点云曲面特征识别方法。具体来讲，本专利技术基于高斯映射从点云模型中识别五种基本图元的几何形状，在曲面几何形状识别阶段，利用图元高斯映射的特征显著性将基本图元分为两组，分别是平面-圆柱面-圆锥面组和球面-圆环面组，通过分析高斯映像的特征将平面-圆柱面-圆锥面组中的平面、圆柱面以及圆锥面区分。而在球面-圆环面组，由于球面和圆环面无法通过高斯映射识别，本专利技术提出了球面和圆环面识别的鲁棒方法，通过构建Lapalce-Beltrami算子(拉普拉斯贝尔特拉米算子)，重新构建一个函数并计算在曲面(曲面即球面和圆环面)上的算子值，利用算子值的均值和方差识别出球面和圆环面。通过识别点云数据中所蕴含的每个曲面(片)，结合各曲面片的特点，然后通过拟合方法来提取几何参数，对点云曲面特征进行识别。图1示出了根据高斯映射方法的平面高斯映像示意图，其中，(a)示出了平面点模拟与法线示意图，(b)示出了平面法线的高斯映射球面示意图。图2示出了根据高斯映射方法的无底圆柱面高斯映像示意图，其中，(a)示出了圆柱面点模拟与法线示意图，(b)示出了圆柱面法线的高斯映射球面示意图。图3示出了根据高斯映射方法的无底圆锥面高斯映像示意图，其中，(a)示出了圆锥面点模型与法线示意图，(b)示出了圆锥面法线的高斯映射球面示意图。图4示出了根据高斯映射方法的球面高斯映像示意图，其中，(a)示出了球面点模型与法线示意图，(b)示出了球面法线的高斯映射球面示意图。图5示出了根据高射映射方法的圆环面高斯映像示意图，其中，(a)示出了圆环面点模型与法线示意图，(b)示出了圆环面法线的高斯映射球面示意图。图6示出了根据本专利技术示例性实施例的平面法线变化与高斯映像示意图。图7示出了根据本专利技术示例性实施例的圆柱面旋转轴方法与高斯映像示意图。图8示出了根据本专利技术示例性实施例的圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基本图元点云曲面几何形状识别方法，所述基本图元包括平面、圆柱面、圆锥面、球面和圆环面，其特征在于，所述识别方法包括以下步骤：基于高斯映射法，利用高斯映像的特征显著性对基本图元分组，得到平面‑圆柱面‑圆锥面组和球面‑圆环面组；通过高斯映像特征分析，识别平面‑圆柱面‑圆锥面组中的平面、圆柱面和圆锥面；构建拉普拉斯贝尔特拉米算子，计算拉普拉斯贝尔特拉米算子的算子值，利用算子值均值和方差识别球面‑圆环面组中的球面和圆环面，其中，所述拉普拉斯贝尔特拉米算子为：

【技术特征摘要】
1.一种基本图元点云曲面几何形状识别方法，所述基本图元包括平面、圆柱面、圆锥面、球面和圆环面，其特征在于，所述识别方法包括以下步骤：基于高斯映射法，利用高斯映像的特征显著性对基本图元分组，得到平面-圆柱面-圆锥面组和球面-圆环面组；通过高斯映像特征分析，识别平面-圆柱面-圆锥面组中的平面、圆柱面和圆锥面；构建拉普拉斯贝尔特拉米算子，计算拉普拉斯贝尔特拉米算子的算子值，利用算子值均值和方差识别球面-圆环面组中的球面和圆环面，其中，所述拉普拉斯贝尔特拉米算子为：其中，ΔSf表示函数f在曲面S上的拉普拉斯贝尔特拉米算子，Δ定义为曲面S定义为r＝r(u,v)，(u,v)为曲面参数(u＝u1,v＝u2)，曲面S为球面或圆环面，函数f＝x2+y2+z2，所述算子采用爱因斯坦求和约定，α,β＝1或2，为度量矩阵，gαβ＝(gαβ)-1，g＝det(gαβ)。2.根据权利要求1所述的基本图元点云曲面几何形状识别方法，其特征在于，所述对基本图元进行分组的依据为：所述平面-圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：李自胜，肖晓萍，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51