一种基于特征模板的点云精确分割方法技术

本发明专利技术公开了一种基于特征模板的点云精确分割方法，本发明专利技术公开了一种基于特征模板的实测点云数据分割方法，包括以下步骤：S1：首先对理论数模中的待测量和识别的曲面特征进行提取，构建成特征模板并存入模板数据库中；S2：利用空间栅格法建立实测点云拓扑关系并基于特征模板完成点云粗分割；S3：通过主成分分析法估计点云法向量，采用基于面的自适应区域生长算法对粗分割点云块进一步细分割，得到最终精确分割结果。本发明专利技术该方法为实际测量后的规模点云数据提供了一种精确的分割方法，减少了繁琐的人工操作，提高了分割效率和自动化程度，能够得到较好的分割结果。能够得到较好的分割结果。能够得到较好的分割结果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于特征模板的点云精确分割方法


[0001]本专利技术涉及一种点云数据分割方法，特别涉及一种基于特征模板的点云精确分割方法，属于数字化测量


技术介绍

[0002]飞机设计性能的不断提升，对飞机制造提出了更高的装配要求，出现了基于实测模型的预装配分析技术，该技术以实际测量点云数据重构的CAD模型代替理论模型进行虚拟装配分析。然而CAD模型重构的前提是需要将实测点云划分为只含有单一几何特征的拓扑结构区域的点云块。点云数据分割是值指根据曲线、曲面特征类型将点云数据分割成包含各自特征的区域点云数据，是点云逆向重构前非常关键的环节，但目前通过数字化测量设备得到的实测点云数据往往具有数据量大、空间分布不均匀、来源类型繁杂、含有杂点、特征繁多等特点，对点云按照设计意图的智能自动分割算法设计难度很大，同时飞机装配零部件数量多、结构复杂，这就要求逆向人员具有完备的逆向知识和大量的重构经验，在对实物零件测量点云的设计意图和造型规律充分理解的基础上，交互式对点云进行分割，获得属于不同特征类型的点云分割块。
[0003]为了解决目前数字化测量点云数据分割人机交互操作繁琐，工作量大，分割准确率低，自动化程度低，效率低下等问题，对此本文提出了一种基于特征模板的点云数据精确分割方法，通过理论数模的原始数据驱动引导规模点云数据完成粗分割、细分割的流程，最终得到精确的分割结果。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于特征模板的点云精确分割方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于特征模板的点云精确分割方法，所述基于特征模板的点云精确分割方法步骤如下：
[0006]S1：首先对理论数模中的待测量和识别的曲面特征进行提取，构建成特征模板并存入模板数据库中；
[0007]S2：利用空间栅格法建立实测点云拓扑关系并用质心点代替栅格实格内所有点，并通过判断质心点到特征模板的距离完成基于特征模板的点云数据粗分割；
[0008]S3：通过主成分分析法估计点云法向量，采用基于面的自适应区域生长算法对粗分割点云块进一步细分割，得到最终精确分割结果。
[0009]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤S1中对理论数模中的待测量和识别的曲面特征进行提取，构建成特征模板并存入模板数据库中包括以下步骤：
[0010]a1：先按照设定的离散间距参数采用截交线法将理论曲面特征依次离散为一组截交线，得到的截交线有序集合为L(S)＝{L
i
,i＝1,2,
…
,n
L
}；
[0011]a2：对截交线L
i
通过等弧长法离散。通过CATIA软件开放的二次开发接口函数
CATCrvParam获取理论截交线的参数方程，得到的参数表达式为L(x,y,z)＝(x(t),y(t),z(t)),t∈(a,b)
[0012]则曲线弧长的计算方程为：
[0013][0014]给定初始弧长S0，完成单条截交线L
i
的数字化离散，得到有序离散点集合：
[0015]P(L)＝{P
i
(x
i
,y
i
,z
i
),i＝1,
…
,n
P
}
[0016]整个理论曲面特征离散点集合为所有截交线有序特征离散点的并集：
[0017]P(S)＝{P(L1)∪P(L2)
…
∪P(L
k
),k＝n
L
}
[0018]a3：用三角化算法将曲面特征有序离散点作为三角形顶点连接成三角网格，需要提取三角网格模型的面片法向量，为了给后续点云分割提供精确的初始参数以及生长依据。
[0019]作为本专利技术的一种优选技术方案，利用空间栅格法建立实测点云拓扑关系并用质心点代替栅格实格内所有点，判断点到特征模板的距离完成基于特征模板的点云数据粗分割包括以下步骤：
[0020]b1：空间栅格法是利用空间立体栅格来近似表示点云的空间结构和几何形状，基本原理为：设x
max
、y
max
、z
max
、x
min
、y
min
、z
min
为点云中x、y、z的最大、最小坐标，给定栅格扩展阈值ε，以点(x
max
+ε,y
max
+ε,z
max
+ε)和点(x
min
‑
ε,y
min
‑
ε,z
min
‑
ε)为对角点且表面平行于空间坐标系的空间六面体构建点云的空间包围盒；
[0021]b2：将空间包围盒作为栅格划分的总空间，以预设宽度λ作为单位长度并对包围盒进行均等划分，沿x、y、z方向的栅格数量分别为：
[0022][0023]符号[]表示向上取整，三维立体栅格划分完成后，每个栅格是一个微小正方体；用栅格坐标(u，v，h)表示所有栅格，u、v、h分别代表在x、y、z方向的栅格序号，则有u∈[0,l
‑
1]，v∈[0,m
‑
1]，h∈[0,n
‑
1]，然后将点云数据点按坐标值放入对应栅格内，有点的栅格称为实格，无点的栅格称为空格；栅格之间的邻域关系间接代表了点云的拓扑关系；
[0024]b3：按照特征模板中三角面片顶点集合计算并构建曲面特征空间包围盒{B
i
(S),i＝1,
…
,n}，n为特征模板的数量；
[0025]b4：检索空间栅格G
k
(u,v,h)，若G
k
是实格，其质心点坐标为则以质心点代表栅格实格内所有点，遍历所有曲面特征空间包围盒，若把栅格坐标G
k
(u,v,h)存入对应的分割块，直到空间栅格全部遍历完毕，实现点云数据实格质心点粗分割。
[0026]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤S3中通过主成分分析法估计点云法向量，采用基于面的自适应区域生长算法对粗分割点云块进一步细分割，得到最终精确分割结果，包括以下步骤：
[0027]c1：对于点云{V
i
,i＝1,2,...n}中的某一点x
i
∈{V
i
}，通过空间栅格法建立的拓扑
关系搜索点云中距离点x
i
最近的k个点，即点x
i
的k邻域，记作kNb(x
i
)，
[0028]c2：对kNb(x
i
)最小二乘拟合局部切平面P，P的法向量记作n，点x
i
到坐标系原点的欧式距离记作d
i
，则局部切平面P可以表示为：
[0029][0030]采用主成分分析方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于特征模板的点云精确分割方法，其特征在于，所述基于特征模板的点云精确分割方法步骤如下：S1：首先对理论数模中的待测量和识别的曲面特征进行提取，构建成特征模板并存入模板数据库中；S2：利用空间栅格法建立实测点云拓扑关系并用质心点代替栅格实格内所有点，并通过判断质心点到特征模板的距离完成基于特征模板的点云数据粗分割；S3：通过主成分分析法估计点云法向量，采用基于面的自适应区域生长算法对粗分割点云块进一步细分割，得到最终精确分割结果。2.根据权利要求1所述的一种基于特征模板的点云精确分割方法，其特征在于：所述步骤S1中对理论数模中的待测量和识别的曲面特征进行提取，构建成特征模板并存入模板数据库中包括以下步骤：a1：先按照设定的离散间距参数采用截交线法将理论曲面特征依次离散为一组截交线，得到的截交线有序集合为L(S)＝{L
i
,i＝1,2,
…
,n
L
}；a2：对截交线L
i
通过等弧长法离散。通过CATIA软件开放的二次开发接口函数CATCrvParam获取理论截交线的参数方程，得到的参数表达式为L(x,y,z)＝(x(t),y(t),z(t)),t∈(a,b)则曲线弧长的计算方程为：给定初始弧长S0，完成单条截交线L
i
的数字化离散，得到有序离散点集合：P(L)＝{P
i
(x
i
,y
i
,z
i
),i＝1,
…
,n
P
}整个理论曲面特征离散点集合为所有截交线有序特征离散点的并集：P(S)＝{P(L1)∪P(L2)
…
∪P(L
k
),k＝n
L
}a3：用三角化算法将曲面特征有序离散点作为三角形顶点连接成三角网格，需要提取三角网格模型的面片法向量，为了给后续点云分割提供精确的初始参数以及生长依据。3.根据权利要求1所述的一种基于特征模板的点云精确分割方法，其特征在于：利用空间栅格法建立实测点云拓扑关系并用质心点代替栅格实格内所有点，判断点到特征模板的距离完成基于特征模板的点云数据粗分割包括以下步骤：b1：空间栅格法是利用空间立体栅格来近似表示点云的空间结构和几何形状，基本原理为：设x
max
、y
max
、z
max
、x
min
、y
min
、z
min
为点云中x、y、z的最大、最小坐标，给定栅格扩展阈值ε，以点(x
max
+ε,y
max
+ε,z
max
+ε)和点(x
min
‑
ε,y
min
‑
ε,z
min
‑
ε)为对角点且表面平行于空间坐标系的空间六面体构建点云的空间包围盒；b2：将空间包围盒作为栅格划分的总空间，以预设宽度λ作为单位长度并对包围盒进行均等划分，沿x、y、z方向的栅格数量分别为：符号[]表示向上取整，三维立体栅格划分完成后，每个栅格是一个微小正方体；用栅格
坐标(u，v，h)表示所有栅格，u、v、h分别代表在x、y、z方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泷杲，黄翔，梁标，牛振，彭云，黄璐璐，徐树强，楼佩煌，钱晓明，宋允辉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学苏州研究院，
类型：发明
国别省市：