一种基于建筑物三维线段模型的假设平面拟合方法技术

本发明专利技术公开了一种基于建筑物三维线段模型的假设平面拟合方法，针对目前尚无有效的仅以三维线段模型为源数据的建筑物假设平面模型拟合方法的问题，本发明专利技术仅以三维线段模型为源数据，实现了建筑物假设平面模型的快速提取。本发明专利技术的方法主要流程包括：（1）基于线段夹角对三维线段进行初步聚类；（2）从线段初始聚类中提取轴方向和非轴方向线段聚类，并以其为基准，对未分类的三维线段进行二次聚类和线段过滤，最终获取准确的线段聚类；（3）从线段模型中获取点云数据，根据线段聚类结果确定轴方向和非轴方向假设平面的法向量方向，依据这些法向量方向使用不同的方法分别对轴方向和非轴方向假设平面进行拟合，得到建筑物的假设平面模型。

A Hypothetical Plane Fitting Method Based on Three-Dimensional Segment Model of Buildings

The invention discloses a hypothetical plane fitting method based on three-dimensional line segment model of buildings. To solve the problem that there is no effective method for building hypothetical plane model fitting only using three-dimensional line segment model as source data at present, the invention only takes three-dimensional line segment model as source data and achieves fast building hypothetical plane model. Extraction. The main processes of the method include: (1) preliminary clustering of three-dimensional line segments based on the angle between line segments; (2) extracting axially and non-axially oriented line segments from the initial clustering of line segments, and using it as a benchmark, carrying out secondary clustering and line segment filtering for unclassified three-dimensional line segments, and finally obtaining accurate line segments clustering; (2) extracting axially and non-axially oriented line segments from the initial clustering of line segments. 3) Obtain the point cloud data from the line segment model, determine the normal vectors of the hypothetical planes in the axis direction and non-axis direction according to the results of line segment clustering, and use different methods to fit the hypothetical planes in the axis direction and non-axis direction, respectively, to get the hypothetical plane model of the building.

【技术实现步骤摘要】
一种基于建筑物三维线段模型的假设平面拟合方法
本专利技术涉及图像处理领域，特别是一种基于建筑物三维线段模型的假设平面拟合方法。
技术介绍
建筑物分段平面模型是对建筑物的三维结构的一种概要化表达，是一种十分重要的三维模型表达方式，被广泛地应用于智慧城市、地理信息系统、数字导航地图、虚拟现实等众多领域。建筑物的假设平面模型是建筑物可能存在的三维平面的集合，其代表建筑物平面分布的一种可能性，并不是精确的分段平面模型。建筑物的假设平面模型用途广泛，在很多建筑物分段平面模型重建算法中，获取假设平面模型往往是重建精确的分段平面模型的前提。同时，假设平面模型也能够为其他种类的三维重建算法提供待重建物体的平面先验知识。因此，建筑物的假设平面模型快速获取技术是某些建筑三维重建算法中至关重要的一个环节。目前的建筑物假设平面拟合算法根据源数据可以分成两大类：(1)基于密集点云的假设平面拟合算法：该类算法的缺点在于其算法效率过低，因为假设平面拟合依赖于密集点云，而获取密集点云是非常耗时的过程；(2)基于稀疏点云和稀疏三维线段模型的假设平面拟合算法：该类算法的缺点在于：a)某些算法使用的三维线段重建算法的效率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于建筑物三维线段模型的假设平面拟合方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤a、以线段夹角为考量因素，对建筑物三维线段模型中的所有三维线段按照线段方向进行初步聚类，获取三维线段的初始聚类；步骤b、根据线段聚类之间的垂直关系，从初始线段聚类中提取出所有备选轴聚类对，根据线段方向与聚类主方向的一致性构造代价函数，以此从所有备选轴聚类对中筛选出最优轴聚类对，以最优轴聚类对为基准，筛选出非轴方向聚类；步骤c、为回收上述聚类过程中遗漏的线段，以线段夹角为考量因素，对未聚类线段再次进行聚类操作，最后根据线段长度和线段聚类大小对所有已聚类线段和线段聚类进行滤波；步骤d、从轴方向线段聚类中获取点云数据，以...

【技术特征摘要】
1.一种基于建筑物三维线段模型的假设平面拟合方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤a、以线段夹角为考量因素，对建筑物三维线段模型中的所有三维线段按照线段方向进行初步聚类，获取三维线段的初始聚类；步骤b、根据线段聚类之间的垂直关系，从初始线段聚类中提取出所有备选轴聚类对，根据线段方向与聚类主方向的一致性构造代价函数，以此从所有备选轴聚类对中筛选出最优轴聚类对，以最优轴聚类对为基准，筛选出非轴方向聚类；步骤c、为回收上述聚类过程中遗漏的线段，以线段夹角为考量因素，对未聚类线段再次进行聚类操作，最后根据线段长度和线段聚类大小对所有已聚类线段和线段聚类进行滤波；步骤d、从轴方向线段聚类中获取点云数据，以轴方向线段聚类的主方向作为平面拟合方向，利用meanshift对点云进行平面拟合获取初始假设平面，以初始假设平面所包含线段的个数和长度作为考量因素构建代价函数来表征假设平面的可信度，以此从初始假设平面中筛选出最终的轴方向假设平面；步骤e、对于某个非轴方向线段聚类，从该线段聚类中获取点云数据，使用随机采样法获取多个平面拟合方向，沿着每一个方向使用meanshift对点云进行平面拟合，获取多个假设平面簇，再从中筛选出最优假设平面簇，并对其进行滤波处理；遍历每一个非轴方向线段聚类，重复上述操作，获取最终的非轴方向假设平面；将获得的轴方向与非轴方向的假设平面共同构成最终的假设平面模型。2.根据权利要求1所述的一种基于建筑物三维线段模型的假设平面拟合方法，其特征在于，所述步骤a包括如下步骤：a1、定义未分类线段集合U和已分类线段聚类集合C，用表示U中的第a1条三维线段，用表示C中第b1个线段聚类；初始化U和C的过程为：将所有线段放入集合U中，对U中的线段按照长度进行降序排列，在C中创建第一个初始聚类C0，将U中的第一条三维线段加入C0中；a2、遍历U，对于U中的每一条线段，遍历C中每一个线段聚类，判断该线段是否属于该线段聚类；具体为：对于和判断是否属于若属于则将插入若不属于则将与C中下一个线段聚类进行比较；判断是否属于的方法如下：对于中的第a2条三维线段若则判定这两条线段方向一致；其中和分别表示和的单位方向向量，α1为预设的第一个角度阈值；将与中的每条线段均进行上述判断，统计中与方向一致的线段个数N1，中线段的总个数N2，当N1/N2>R时，将归入中；R为聚类一致性阈值；a3、若不属于C中任何一个线段聚类，则对长度进行检查：若长度大于设定的长度阈值则在集合C中新建一个线段聚类，并将插入其中；若长度小于则将重新放回U中；取三维线段模型中所有线段的长度平均值；a4、循环a2、a3直至U为空或遍历U的次数达到预设上限，此时集合C中的线段聚类即为三维线段的初始聚类。3.根据权利要求1所述的一种基于建筑物三维线段模型的假设平面拟合方法，其特征在于，所述步骤b包括如下步骤:b1、计算每一个三维线段初始聚类的线段主方向；先对每一个初始聚类中的线段单位方向向量进行方向一致化，即保证同一个聚类中的线段单位方向向量的夹角不超过90°；对于C中第b1个线段聚类依据中每条线段的单位方向向量的长度加权平均来计算其线段主方向的单位方向向量如公式(1)所示，其中表示中的第a2条三维线段，表示的单位方向向量，表示的长度，n1表示所包含的三维线段的个数，normalize()表示向量单位化；b2、从初始聚类中提取出主方向两两垂直的聚类对；先对C中所有线段聚类按照聚类中线段总长度进行降序排列，若初始线段聚类的个数大于20，则只将前20个初始聚类加入到集合C’；若初始线段聚类的个数小于等于20，则将集合C中所有线段聚类加入到集合C’；对于C’中任意两个线段聚类构成的聚类对，使用聚类的线段主方向夹角来判断其是否满足垂直聚类对的要求，具体为：对于C’中第b2个线段聚类和第b3个线段聚类若其中分别为和线段主方向的单位方向向量，则判定和为垂直聚类对，将加入垂直聚类对集合G中；其中，α2为预设的第二个角度阈值；遍历集合C’中所有两两一组的聚类对，重复上述操作，获取最终的垂直聚类对集合G；b3、对每一组垂直聚类对，在剩下的聚类中寻找能与之够成正交直角坐标系的聚类，形成备选轴聚类对；使用O来表示备选轴聚类对集合；对于集合G中第i1个垂直聚类对和C’中的不同于的第b6个聚类这三个聚类的线段主方向的单位方向向量分别为包含垂直聚类对分别表示C’中的第b4,b5个聚类；先计算与两个聚类线段主方向均垂直的单位方向向量若则可判定三个聚类两两正交，作为备选轴聚类对，将其加入集合O中，α1为预设的第一个角度阈值；遍历集合G中每一个垂直聚类对，重复上述操作，获取最终的备选轴聚类对集合O；b4、对于每一组备选轴聚类对，根据线段方向与轴聚类主方向的一致性构造代价函数，来评判该备选轴聚类对的可信度，以此从所有备选轴聚类对中筛选出最优轴聚类对；对于集合O中第i2个备选轴聚类对即为分别表示C’中的第b7,b8,b9个聚类，的代价函数W1的计算公式如公式(2)所示；式中，表示C中第a3条三维线段，n2表示C中包含的三维线段总个数，表示线段的长度，表示线段的单位方向向量，分别是线段聚类的线段主方向的单位方向向量；该代价函数体现了最优轴聚类对所具有的特性：拥有最多的有效线段与该聚类对所代表的正交直角坐标系的轴方向保持平行；的W1越大，表示有越多的有效线段平行于所代表的直角坐标系的坐标轴；将集合O中的所有备选轴聚类对按照代价函数值降序排列，选择代价函数最大的轴聚类对O0作为最优轴聚类对；O0中三个聚类的线段主方向即该建筑物所处的Manhattan-world空间直角坐标系的轴方向，此三个轴方向的单位方向向量记为b5、以最优轴聚类对为基础，筛选非轴方向的聚类；使用N来表示非轴线段聚类集合，对于C中第b1个线段聚类若同时满足如下三个条件：则判定为非轴线段聚类，将其加入N中；其中，为的线段主方向的单位方向向量，α3为预设的第三个角度阈值。4.根据权利要求1所述的一种基于建筑物三维线段模型的假设平面拟合方法，其特征在于，所述步骤c具体为：定义未聚类线段集合定义基础线段聚类集合对于U...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小国，王果，林立洲，王慧青，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32