基于三维点云的标志牌可视度评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三维点云的标志牌可视度评价方法，发明专利技术中提出了可视场与空间可视度的定义，并以空间可视度作为标志牌在不同观测位置的空间可见性评价标准。在三维点云中，利用四元素方法、alpha‑shape算法和视网膜成像原理计算该视点处标志牌的可视场强度；通过射线法计算视锥体内的投影点云是否为遮挡点云；利用可视场强度和可见度的相关性计算某视点位置的标志牌的可视度，计算交通标志的可视场。该方法自动、直观、准确、高效，在交通标志牌安装维护、广告牌投放、道路绿化以及建筑设计方面可以给出合理的指导和建议，具有很高的实际推广价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于三维点云的标志牌可视度评价方法。
技术介绍
标志牌是指用文字或符号标明特征，吸引行人注意的牌子，在我们日常中极为常见，其包括禁令标志牌、警告标志牌、旅游标志牌、限速标志牌、指示标志牌、反光标志牌、安全标志牌等，广告牌也是其引申出的用途之一。指示牌作为一种指导性的标识物，应该给人醒目的视觉冲击，但在实际应用中，存在着诸多制约其醒目效果的因素，因安装位置及安装高度不恰当引起的周围建筑遮挡，绿化树遮挡就是其中影响最大的因素之一。交通指示牌被遮挡，司机不能提前看到指示信息，极易走错路线或因减速寻找指示信息而造成不必要的拥堵与追尾事故；广告牌被遮挡，投资人的投资得不到预期的回报；而对于相关管理部门而言，绿化树的修剪只能凭借主观的判断进行，从而造成部分路段重复修剪，部分路段被忽视，效率低下而结果却不尽人意。因此亟需一种可直观、准确地评价标志牌在实际应用中醒目的程度的方法，作为对标志牌安装，广告牌投放及是否对绿化树进行修剪的指导方法和建议。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于三维点云数据的标志牌空间可视度评价方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：基于三维点云的标志牌可视度评价方法，包括以下步骤：S1、计算标志牌在基准视点的基准可视场强度：以过标志牌中心的法线、离标志牌中心d米处的位置为基准视点，计算在该基准视点观测时标志牌在视网膜上的成像面积，定义此时的可视场强度为1；S2、计算标志牌在视点的可视场强度：计算在视点观测时标志牌在视网膜上的成像面积与基准视点观测时标志牌在视网膜上的成像面积的比值，该比值即为该点上的可视场强度；S3、计算标志牌在视点的空间可见度：计算过标志牌中心、以标志牌中心点和视点连线为法向量的平面上标志牌未被遮挡部分面积与标志牌面积之间的比值，该比值即为该点上的空间可见度；S4、计算标志牌在视点的空间可视度：该点的空间可视度为该点的可视场强度与该点的空间可见度的乘积；S5、计算标志牌的可视场：根据球面方程计算并存储距离标志牌中心距离为R的所有视点的球面坐标，重复步骤S2-S4，计算各视点的空间可见度，建立观测距离为R时的标志牌的可视场模型。进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：S11、使用现有的标志牌提取算法，在点云场景中提取标志牌点云；S12、计算标志牌点云的中心和标志牌平面的法向量Normal；S13、使用四元素方法将标志牌点云法向量旋转到以标志牌平面法向量Normal为Z轴的坐标空间中；S14、将标志牌点云投影到XOY平面，使用alpha—shape算法计算投影点云的边界；S15、根据投影点云的边界顶点使用多边形面积公式计算出标志牌的面积；S16、计算基准视点与标志牌中心的距离，根据视网膜成像原理，计算标志牌在视网膜上面的成像面积。进一步地，所述步骤S2具体包括：S21、计算视点与标志牌中心之间连线的线向量L，使用四元素方法将标志牌点云旋转到以线向量L为Z轴的坐标空间中；S22、将标志牌点云投影到XOY平面，使用alpha—shape算法计算投影点云的边界；S23、根据投影点云的边界顶点，使用多边形面积公式计算出标志牌的面积；S24、计算视点与标志牌中心的距离，根据视网膜成像原理，计算标志牌在视网膜上面的成像面积，该成像面积与基准可视场强度的比值即为该视点处的可视场强度。进一步地，所述步骤S3具体包括：S31、重复步骤S21将视点坐标旋转到以线向量L为Z轴的坐标空间中；S32、在转换后的坐标空间中，根据步骤S22中计算出来的标志牌边界顶点坐标，连接视点与各顶点的连线，计算该连线与视点和标志牌中心的连线间的夹角，然后计算并找出最大的夹角α；S33、在原坐标空间中，以视点与标志牌中心的连线为方向，以α为视角角度形成一个视锥体，判断视点和视锥体内的点云的连线与视点和标志牌中心的连线形成的夹角是否大于α，若＞α则舍弃，若≤α则进行下一步；S34、计算视点和视锥体内点云的连线与标志牌的所在平面的交点，该交点点云记为Cloud1，使用四元素方法将点云Cloud1旋转到以线向量L为Z轴的坐标空间中，坐标变换后的点云记为Cloud2；S35、将点云Cloud2投影到XOY平面上，通过射线法判断Cloud2投影点云的点是否在步骤S22中计算出来的标志牌投影点云的边界内部，若该点在内部则视为交点，否则舍弃该点，获得的交点点云集记为Cloud3；S36、使用alpha—shape算法计算点云Cloud3的边界，根据Cloud3的边界的顶点，使用多边形面积公式计算出交点点云的面积；S37、计算交点点云边界与步骤S24中计算出的标志牌的面积比值，用1减去该比值即为该视点处的空间可见度。采用上述技术方案后，本专利技术与
技术介绍
相比，具有如下优点：可自动、直观、准确、高效地对标志牌的可视度进行评价，在标志牌安装维护、广告牌投放、道路绿化以及建筑设计方面给出合理的指导和建议，尤其在城市道路中可定期使用车载激光扫描系统进行扫描，从而判定绿化树对标志牌的遮挡程度，作为绿化树修剪周期及修剪量的参考。附图说明图1为可视场模型构建示意图；图2为观测时遮挡物示意图；图3为本专利技术计算流程框图；图4为本专利技术可视场强度计算框图；图5为多边形面积计算示意图；图6为视网膜成像原理示意图；图7为本专利技术空间可见度计算流程框图；图8为交点点云计算俯视结果；图9交点点云计算侧视结果；图10为遮挡点云计算结果图；图11为Cloud3的边界和标志牌边界的计算结果；图12为实施例中存储的球面视点点云示意图；图13为实施例中有无遮挡情况的可视场显示结果。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例为了直观地表示标志牌在不同距离、不同视角上的可视程度，引入可视场的定义，如图1所示，定义可视场为：以标志牌中心为球心，以R为半径，建立一个三维球体，定义标志牌的前方所对应的半球体为该标志牌的可视场。则球体上的每个点均是与标志牌距离为R的视点vi，视点vi和标志牌组成一个视锥体。人眼对标志牌的空间可视度受视点vi的距离与观测角度影响：当观测距离一定时，对于不同的视点，观测角度与标志牌在视网膜上的成像面积成反比，观测角度偏离标志牌法线方向越大，视网膜成像面积越小；当观测角度一定时，观测距离与标志牌在视网膜上的成像面积成反比，距离越远，视网膜成像面积越小。为直观地表述这种关系，将视点位置对空间可视度的影响定义为可视场强度。为了度量可视场强度并将可视场强度归一化，定义过标志牌中心、沿着标志牌法线方向距离标志牌中心d米(d通常＜10，根据实际情况而定)处的位置为基准视点，记录此时标志牌在视网膜上的成像面积，定义此时的可视场强度为1，则视点vi的可视场强度即为在视点vi时标志牌在视网膜上的成像面积与在基准视点时标志牌在视网膜上的成像面积的比值。从而，半球体上的每个视点vi均有一个唯一的可视场强度，可视场强度随视点距离的增加而衰减，随偏离标志牌法线方向的角度增加而衰减。基准视点处的可视场强度为1，无穷远处或者与标志牌法线方向偏角为90度时的可视场强度为0。然而如图2所示，不考虑本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于三维点云的标志牌可视度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、计算标志牌在基准视点的基准可视场强度：以过标志牌中心的法线、离标志牌中心d米处的位置为基准视点，计算在该基准视点观测时标志牌在视网膜上的成像面积，定义此时的可视场强度为1；S2、以距离标志牌中心距离为R的点为视点，计算标志牌在视点的可视场强度：计算在视点观测时标志牌在视网膜上的成像面积与基准视点观测时标志牌在视网膜上的成像面积的比值，该比值即为该点上的可视场强度；S3、计算标志牌在视点的空间可见度：计算过标志牌中心、以标志牌中心点和视点连线为法向量的平面上标志牌未被遮挡部分面积与标志牌面积之间的比值，该比值即为该点上的空间可见度；S4、计算标志牌在视点的空间可视度：该点的空间可视度为该点的可视场强度与该点的空间可见度的乘积；S5、计算标志牌的可视场：根据球面方程计算并存储距离标志牌中心距离为R的所有视点的球面坐标，重复步骤S2‑S4，计算各视点的空间可见度，建立观测距离为R时的标志牌的可视场模型。

【技术特征摘要】
1.基于三维点云的标志牌可视度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、计算标志牌在基准视点的基准可视场强度：以过标志牌中心的法线、离标志牌中心d米处的位置为基准视点，计算在该基准视点观测时标志牌在视网膜上的成像面积，定义此时的可视场强度为1；S2、以距离标志牌中心距离为R的点为视点，计算标志牌在视点的可视场强度：计算在视点观测时标志牌在视网膜上的成像面积与基准视点观测时标志牌在视网膜上的成像面积的比值，该比值即为该点上的可视场强度；S3、计算标志牌在视点的空间可见度：计算过标志牌中心、以标志牌中心点和视点连线为法向量的平面上标志牌未被遮挡部分面积与标志牌面积之间的比值，该比值即为该点上的空间可见度；S4、计算标志牌在视点的空间可视度：该点的空间可视度为该点的可视场强度与该点的空间可见度的乘积；S5、计算标志牌的可视场：根据球面方程计算并存储距离标志牌中心距离为R的所有视点的球面坐标，重复步骤S2-S4，计算各视点的空间可见度，建立观测距离为R时的标志牌的可视场模型。2.根据权利要求1所述的基于三维点云的标志牌可视度评价方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：S11、使用现有的标志牌提取算法，在点云场景中提取标志牌点云；S12、计算标志牌点云的中心和标志牌平面的法向量Normal；S13、使用四元素方法将标志牌点云法向量旋转到以法向量Normal为Z轴的坐标空间中；S14、将标志牌点云投影到XOY平面，使用alpha—shape算法计算投影点云的边界；S15、根据投影点云的边界顶点使用多边形面积公式计算出标志牌的面积；S16、计算基准视点与标志牌中心的距离，根据视网膜成像原理，计算标志牌在视网膜上面的成像面积。3.根据权利要求1所述的基于三维点云的标志牌可视度评价方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：S21、计算视点与标志牌中心...

【专利技术属性】
技术研发人员：王程，张善心，吴爽，温程璐，李军，杨晨晖，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35