一种基于点云数据的物体表面三维重建方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于点云数据的物体表面三维重建方法及装置，方法包括：采集物体表面的点云数据并进行预处理；将预处理后点云数据所处的三维空间区域进行子区域划分；计算处于每个空间子区域内的所有点云数据的质心的三维坐标；以每个空间子区域内点云数据的质心的三维坐标为特征点，生成能反映物体表面特征的四边形网格；对四边形网格的上下表面进行生成及渲染。本发明专利技术用于对挖掘机、装载机或塔式起重机等工程机械施工时所面对的物体表面进行三维建模，从而获取物体表面关键特征点在工程机械坐标系中的三维坐标，且依据这些关键特征点生成物体表面的网格图，为人工监控系统是否正常运行提供直观的图形化显示信息。正常运行提供直观的图形化显示信息。正常运行提供直观的图形化显示信息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于点云数据的物体表面三维重建方法及装置


[0001]本专利技术涉及工程机械领域，可应用于施工环境中物体表面的三维重建，具体涉及一种基于点云数据的物体表面三维重建方法及装置。

技术介绍

[0002]工程机械的施工过程中，经常需要获得施工环境中的物体表面的特征点的三维坐标信息。从而为工程机械的半自主、全自主决策和操作等提供依据。三维表面建模技术能获得物料表面点的三维坐标信息，属于一种立体测量技术，能完成对于复杂物料表面的非接触测量，同时不会对物料表面产生变形或其它方面的影响。比如挖掘机和塔机是两种比较典型的工程机械，这两种工程机械在施工过程中，需要对目标物料和建筑物等进行三维表面建模，从而为挖掘机铲斗的自动提升和塔机塔臂的自动旋转等操作提供依据。
[0003]挖掘机是一种多功能工程机械，被广泛应用于矿山采掘、农田水利工程，货物运输，建筑工程，工业施工等场景。无人挖掘机可以替代挖掘机操作员在具备塌方危险、有毒有害气体等场景下进行操作及施工，同时缓解现代社会老龄化带来的劳动力短缺的问题。无人挖掘机进行施工的基础是获得物料表面特征点在挖机坐标系下的三维坐标信息，从而可以判断铲斗需要移动的距离和角度等参数。并在操作铲斗移动对应的距离和参数后，铲起物料并移动至指定区域卸料，从而最终完成挖掘机的完整操作。这就需要对挖机施工的目标物料表面进行三维建模，从而生成准确的物料表面特征点在挖机坐标系下的三维坐标信息。
[0004]另外，在塔机的施工过程中，也需要感知施工环境中的建筑物和障碍物等物体表面的特征点在塔机坐标系下的三维坐标。从而使得塔机在移动塔臂和吊钩时，判断塔机所吊起的重物是否会碰到建筑物等障碍物，从而进行继续移动或调整移动参数等判断，为塔机的自动安装施工和高效施工奠定基础。
[0005]为了实现对物体表面进行三维重建，需要对物体表面点云数据进行处理并进而获取物体表面的模型。论文《基于地面激光扫描点云数据的三维重建方法研究》采用激光雷达实现以网格或参数曲面的形式构建地物的表面几何模型。专利《一种基于5G+3D物料体积扫描建模称重系统》，通过对物体表面对应点云的拟合，还原物料堆真实的三维点云模型。专利《一种基于点云数据的废钢料堆三维建模方法》利用坐标变换和三维重建算法构建废钢料堆的三维立体模型数据。
[0006]这些三维重建技术都是在对物体表面点云数据进行处理的基础上，随机提取物体表面的三维坐标点的特征，并形成三角形或多边形的网格，然后进行表面形成及渲染等处理，完成物体的三维重建。对于指定的空间区域而言，这种技术所生成的特征点的数量和位置都是随机的，难以用于计算与特征点所对应的物体体积等参数，也无法便捷地获取挖机或塔机施工环境中目标物体表面的三维特征信息，从而无法实现挖掘机或塔机无人化或高度自动化的施工。

技术实现思路

[0007]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于点云数据的物体表面三维重建方法及装置，用以解决上述至少一个技术问题。
[0008]根据本专利技术说明书的一方面，提供一种基于点云数据的物体表面三维重建方法，包括：
[0009]采集物体表面的点云数据并进行预处理；
[0010]将预处理后点云数据所处的三维空间区域进行子区域划分；
[0011]计算处于每个空间子区域内的所有点云数据的质心的三维坐标；
[0012]以每个空间子区域内点云数据的质心的三维坐标为特征点，生成能反映物体表面特征的四边形网格；
[0013]对四边形网格的上下表面进行生成及渲染。
[0014]上述技术方案用于对挖掘机、装载机或塔式起重机等工程机械施工时所面对的物体表面进行三维建模，从而获取物体表面关键特征点在工程机械坐标系中的三维坐标，且依据这些关键特征点生成物体表面的网格图，为人工监控系统是否正常运行提供直观的图形化显示信息。如果施工的工程机械式挖掘机和装载机等土方工程机械，那么进行三维重建的目标是物体表面；如果施工的工程机械式塔式起重机，那么进行三维重建的目标是建筑物表面。
[0015]作为进一步的技术方案，所述预处理的方式包括：采用均匀下采样、统计滤波器和半径滤波器来去除点云数据中的噪声数据或离群点数据。通过预处理消除非实际物料表面反射的点云数据，得到较为纯净的与实际物料表面相匹配的点云数据。
[0016]可选地，对采集的点云数据进行多帧叠加，以获得物体表面的稠密点云数据。
[0017]作为进一步的技术方案，所述方法进一步包括：
[0018](1)将点云所处的三维空间区域以XY平面和Z轴方向分别作为水平方向和垂直方向，对点云所处的三维空间进行均匀角度的子区域划分；
[0019](2)计算处于每个空间子区域内的点云数据的质心的三维坐标；
[0020](3)以每个空间子区域内点云数据的质心的三维坐标为特征点，生成能反映物体表面特征的四边形网格。
[0021]点云三维空间子区域划分的精度直接影响对于物体表面三维重建后生成的四边形网格的精度。点云三维空间子区域划分得越细密，那么对于物体表面三维重建后生成的四边形网格的精度越高，越接近于物体表面真实的三维形状。
[0022]作为进一步的技术方案，根据每个空间子区域内点云数据的质心及四边形网格的边生成上表面及下表面，并根据需要对上表面及下表面进行颜色渲染。
[0023]作为进一步的技术方案，所述渲染进一步包括：将每个四边形网格分解为两个三角形网格，然后对每个四边形网格对应的两个三角形网格赋予相同的颜色来进行渲染，同时，对于不同高度的网格赋予不同的颜色。
[0024]可选地，对于每个四边形网格所包含的每个三角形表面，通过其顶点距离坐标原点的距离，来确定这个三角形表面所渲染的颜色。也可以通过顶点距离某个坐标轴的距离，来确定这个三角形表面所渲染的颜色。
[0025]作为进一步的技术方案，依据三角形网格所对应顶点表中顶点列出的顺序，确定
三角形表面是上表面或下表面。
[0026]作为进一步的技术方案，用于四边形网格生成的算法与用于质心特征点的生成算法相对应。从而可以直观有效地根据少量的质心特征点信息，快速地对物体表面三维形状进行建模及描述。
[0027]根据本专利技术说明书的一方面，提供一种基于点云数据的物体表面三维重建装置，包括：
[0028]物体表面点云数据采集及预处理模块，用于采集物体表面的点云数据并进行预处理；
[0029]点云三维空间子区域划分模块，用于将预处理后点云数据所处的三维空间区域进行子区域划分；
[0030]空间子区域内点云质心求解模块，用于计算处于每个空间子区域内的点云数据的质心的三维坐标；
[0031]四边形网格生成模块，用于以每个空间子区域内点云数据的质心的三维坐标为特征点，生成能反映物体表面特征的四边形网格；
[0032]四边形网格上下表面生成及渲染模块，用于对四边形网格上下表面进行生成及渲染。
[0033]根据本专利技术说明书的一方面，提供一种计算设备，包括处理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于点云数据的物体表面三维重建方法，其特征在于，包括：采集物体表面的点云数据并进行预处理；将预处理后点云数据所处的三维空间区域进行子区域划分；计算处于每个空间子区域内的所有点云数据的质心的三维坐标；以每个空间子区域内点云数据的质心的三维坐标为特征点，生成能反映物体表面特征的四边形网格；对四边形网格的上下表面进行生成及渲染。2.根据权利要求1所述一种基于点云数据的物体表面三维重建方法，其特征在于，所述预处理的方式包括：采用均匀下采样、统计滤波器和半径滤波器来去除点云数据中的噪声数据或离群点数据。3.根据权利要求1所述一种基于点云数据的物体表面三维重建方法，其特征在于，所述方法进一步包括：(1)将点云所处的三维空间区域以XY平面和Z轴方向分别作为水平方向和垂直方向，对点云所处的三维空间进行均匀角度的子区域划分；(2)计算处于每个空间子区域内的点云数据的质心的三维坐标；(3)以每个空间子区域内点云数据的质心的三维坐标为特征点，生成能反映物体表面特征的四边形网格。4.根据权利要求1所述一种基于点云数据的物体表面三维重建方法，其特征在于，根据每个空间子区域内点云数据的质心及四边形网格的边生成上表面及下表面，并根据需要对上表面及下表面进行颜色渲染。5.根据权利要求4所述一种基于点云数据的物体表面三维重建方法，其特征在于，所述渲染进一步包括：将每个四边形网格分解为两个三角形网格，然后对每个四边形网格对应的两个三角形网格...

【专利技术属性】
技术研发人员：张坚，付强，濮洪钧，
申请(专利权)人：江苏徐工国重实验室科技有限公司，
类型：发明
国别省市：