專利名稱：一種管道結構三維重建方法
技術領域：
本發明涉及三維點云建模領域，特別是涉及一種管道結構三維重建方法。
背景技術：
管道工廠廣泛存在于石油、化工和冶金等行業領域中，涉及大量縱橫交錯、十分密集的管道。一個較為完整、系統和理想化的管道工廠協同設計與管理系統中，管道工廠的三維幾何模型占據相當關鍵的地位，它是各種工程數據的載體，管道工廠的三維建模技術已成為管道工廠設計與管理系統的關鍵問題。很多管道工廠施工年代較早，經過多次改擴建后其二維圖紙也變得不完整，由于沒有相應的三維幾何模型，致使無法使用現代化的管道工廠管理方式對其進行管理。目前，可以通過激光掃描得到管道工廠點云數據，但由于工廠規模龐大、結構復雜，獲取的點云數據通常不完整，且含有大量噪音，使得從點云數據恢復三維幾何模型存在很大的困難。 因此，目前需要本領域技術人員迫切解決的一個問題就是如何能夠創新地提出一種管道工廠激光掃描點云的幾何建模方法，從而實現高效地對管道工廠點云數據進行管道的三維重建。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何通過管道工廠點云數據高效地對管道進行三維重建。(二)技術方案為解決上述技術問題，本發明提供了一種管道結構三維重建方法，其特征是該方法包括以下步驟SI :獲取管道的點云數據和地面的單位法向量，將所述點云數據變換到以地面的法向量為Z軸的坐標系，計算坐標變換后的點云數據的法向量；S2:根據所述坐標變換后的點云數據的法向量找到法向量平行于地面的點云數據，并投影到平行于地面的平面上；S3:根據所述坐標變換后的點云數據的法向量找到法向量不平行于地面的點云數據，并投影到高斯球上，沿緯度方向投影到赤道上，在赤道上檢測峰值點；將峰值點所在區域內的點云數據投影到峰值的方向和Z軸構成的平面上；S4 :分別檢測步驟S2得到的平面和步驟S3得到的平面中點云數據構成的點云圓；通過點云圓得到管道的三維圖。所述坐標變換的公式為X’ =Mx其中X’為變換后的點云數據的坐標；
M為坐標變換方陣；X為變換前的點云數據的坐標。所述計算坐標變換后的點云數據的法向量具體為對每個點云數據取設定個近鄰點，將所述近鄰點擬合成一個平面，則這個平面的法向量為該點云數據的法向量。所述法向量平行于地面的點云數據是指該點云數據的法向量和地面平面的夾角小于設定角度的點云數據。所述在赤道上檢測峰值點具體為
將法向量不平行于地面的點云數據投影到高斯球上，并求得該點云數據法向量和高斯球的赤道平面的夾角；將赤道平面上共η的方向角分成設定數量的均勻區間，統計落在各個區間內的點云數據的數量；若點云數據的數量大于設定閾值，則認為該區域有一個峰值點，該峰值點的角度為該區域角度的中間值；否則，認為該區域沒有峰值。所述分別檢測步驟S2得到的平面和步驟S3得到的平面中點云數據構成的點云圓具體為S41 :統計步驟S2得到的平面和步驟S3得到的平面的點云數據在各自平面中的分布，進而設定初始圓的參數空間；根據初始圓的參數空間確定點云圓。所述根據初始圓的參數空間確定點云圓具體為S411 :若初始圓的參數空間內的點云數據少于設定閾值，則舍棄該初始圓的參數空間，否則，進入步驟S412;S412:若初始圓的參數空間小于設定范圍，則檢測該初始圓的參數空間中的點云圓，否則，將該初始圓的參數空間等分為設定個初始圓的參數空間，返回步驟S411。所述檢測該初始圓的參數空間中的圓的方法為隨機樣本一致性算法。所述通過點云圓得到管道的三維圖具體為S42:根據所述點云圓繪制該點云圓的圓柱軸線，經擬合后得到管道的三維圖。(三)有益效果本發明通過對點云數據的處理，將點云數據劃分到平行于水平面和垂直于水平面上，進而通過RANSAC算法將這兩類平面內的點云數據擬合成圓，最終得到管道的三維圖。本發明方法最大程度避免了噪聲干擾，在沒有完全獲得點云數據的條件下，依然能夠對點云數據進行清晰分類，且計算量遠小于現有三維重建方法，廣泛適用于各類管道的三維重建。
圖I是本發明的基本步驟；圖2是本發明的整體流程圖；圖3是法向量垂直于地面的點云投影到地面平面的結果；圖4是高斯球赤道上的點云分布峰值檢測。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。圖I是本發明的基本步驟。參考圖2，示出了本發明的一種基于參數域裁剪的結構化管道點云幾何重建方法與系統的流程圖，所述具體方法包括SI，獲取管道的點云數據和地面的單位法向量t ;將點云數據變換到以地面的法向量為Z軸的坐標系,計算坐標變換后的點云數據的法向量；在大多數點云數據中，地面方向都已經在采集數據時進行 了標定。在數據中，常常將三維坐標系的Z軸方向作為地面的法方向，既地面的單位法向量為(0，0，I)。即使點云數據的地面法向量未知，而可以通過很多已有的技術快速準確的檢測得到。假設地面的單位法向量為t，任意選擇向量懷t2，使得t，t1； t2成為一組正交向量，并作為新的坐標系。那么對于點云中的一個點X，變換到新坐標系中的坐標為X’ X，=Mx其中X’為變換后的點云數據的坐標；M為坐標變換方陣；X為變換前的點云數據的坐標。其中變換方陣M為M=Lt1 t2 t]T而新坐標系中的點X’對應的原坐標系中的點為X = JVT1Xj為了計算方便，以后都在新坐標系中進行運算，必要時可以使用上述公式在兩個坐標系中變換。在新坐標系中，地面法方向為Z軸方向，其單位法向量為(0，0，1)。對于點云中的某個點,取其k (k=10)近鄰,將這k個點擬合成一個平面,將該平面的法向量作為該點的法向量。對點云中的每個點都進行上述操作，得到點云中每個點的法向量。S2，根據坐標變換后的點云數據的法向量找到法向量平行于地面的點云數據，并投影到平行于地面的平面上；由于在新坐標系中，地面的單位法向量為(0，0，I)，對于點云中的某個點X，如果其法方向η和地面平面的夾角小于一個閾值Λ α，Δ α = (0,1] °，即，(O, O, I) *n<sin(A α)。將符合這些條件的點投影到地面平面，既新坐標系的XOY平面上，即
,[10 0]X =IX
Lo I Oj這樣就得到了一組平面上的點云數據，我們將這個集合作為SetO。S3，根據坐標變換后的點云數據的法向量找到法向量不平行于地面的點云數據，并投影到高斯球上，沿緯度方向投影到赤道上，在赤道上檢測峰值點；將峰值點所在區域內的點云數據投影到峰值的方向和Z軸構成的平面上；將法向量不平行于地面的點云數據投影到高斯球上，并求得該點云數據法向量和高斯球的赤道平面的夾角；將赤道平面上共η的方向角分成設定數量的均勻區間，統計落在各個區間內的點云數據的數量；若點云數據的數量大于設定閾值，則認為該區域有一個峰值點，該峰值點的角度為該區域角度的中間值；否則，認為該區域沒有峰值。假設點云的法向量為n，那么將法向量在高斯球上沿維度方向投影到赤道平面，既XOY平面上。那么投影方向和X軸的夾角即為
權利要求
1.一種管道結構三維重建方法，其特征是該方法包括以下步驟 Si:獲取管道的點云數據和地面的單位法向量，將所述點云數據變換到以地面的法向量為Z軸的坐標系，計算坐標變換后的點云數據的法向量； S2 :根據所述坐標變換后的點云數據的法向量找到法向量平行于地面的點云數據，并投影到平行于地面的平面上； S3:根據所述坐標變換后的點云數據的法向量找到法向量不平行于地面的點云數據，并投影到高斯球上，沿緯度方向投影到赤道上，在赤道上檢測峰值點；將峰值點所在區域內的點云數據投影到峰值的方向和Z軸構成的平面上； S4 :分別檢測步驟S2得到的平面和步驟S3得到的平面中點云數據構成的點云圓；通過點云圓得到管道的三維圖。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述坐標變換的公式為 X' =Mx 其中 X'為變換后的點云數據的坐標； M為坐標變換方陣； X為變換前的點云數據的坐標。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述計算坐標變換后的點云數據的法向量具體為 對每個點云數據取設定個近鄰點，將所述近鄰點擬合成一個平面，則這個平面的法向量為該點云數據的法向量。
4.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述法向量平行于地面的點云數據是指該點云數據的法向量和地面平面的夾角小于設定角度的點云數據。
5.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述在赤道上檢測峰值點具體為 將法向量不平行于地面的點云數據投影到高斯球上，并求得該點云數據法向量和高斯球的赤道平面的夾角；將赤道平面上共η的方向角分成設定數量的均勻區間，統計落在各個區間內的點云數據的數量；若點云數據的數量大于設定閾值，則認為該區域有一個峰值點，該峰值點的角度為該區域角度的中間值；否則，認為該區域沒有峰值。
6.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述分別檢測步驟S2得到的平面和步驟S3得到的平面中點云數據構成的點云圓具體為 S41 :統計步驟S2得到的平面和步驟S3得到的平面的點云數據在各自平面中的分布，進而設定初始圓的參數空間；根據初始圓的參數空間確定點云圓。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述根據初始圓的參數空間確定點云圓具體為 S411 :若初始圓的參數空間內的點云數據少于設定閾值，則舍棄該初始圓的參數空間，否則，進入步驟S412 ； S412:若初始圓的參數空間小于設定范圍，則檢測該初始圓的參數空間中的圓，否則，將該初始圓的參數空間等分為設定個初始圓的參數空間，返回步驟S411。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述檢測該初始圓的參數空間中的圓的方法為隨機樣本一致性算法。
9.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述通過點云圓得到管道的三維圖具體 為S42:根據所述點云圓繪制該點云圓的圓柱軸線，經擬合后得到管道的三維圖。
全文摘要
本發明提供三維點云建模領域中的一種管道結構三維重建方法。本發明獲取管道的點云數據和地面的單位法向量；將點云數據變換到以地面的法向量為Z軸的坐標系；計算坐標變換后的點云數據的法向量；從中分離出法向量平行于地面的點云數據，并投影到平行于地面的平面上；法向量不平行于地面的點云數據，并投影到高斯球上，沿緯度方向投影到赤道上，在赤道上檢測峰值點；將峰值點所在區域內的點云數據投影到峰值的方向和Z軸構成的平面上；得到點云數據構成的點云圓；通過點云圓得到管道的三維圖。本發明方法最大程度地避免了噪聲干擾，在沒有完全獲得點云數據的條件下，依然能夠對點云數據進行清晰分類，且計算量小，適用于各類管道的三維重建。
文檔編號G06T17/00GK102915561SQ20121036568
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者劉永進, 侯季春, 張俊斌, 任繼成, 唐衛清, 胡事民 申請人:清華大學, 北京中科輔龍計算機技術股份有限公司