專利名稱：建筑點(diǎn)云的自適應(yīng)分割方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字媒體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種建筑點(diǎn)云的自適應(yīng)分割方法。
背景技術(shù)：
隨著三維激光掃 描技術(shù)的發(fā)展，建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)(也簡稱為建筑點(diǎn)云)已經(jīng)可以被方便地獲取。這類建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)將建筑采樣為三維空間中的離散點(diǎn)。建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)是建筑重構(gòu)、數(shù)字城市等應(yīng)用的重要數(shù)據(jù)來源。建筑點(diǎn)云在采集過程中容易受到光照、陰影、遮擋等的影響，使得采集得到的數(shù)據(jù)往往存在缺失和噪音。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的無規(guī)則性，因此直接從這類建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)中重構(gòu)出質(zhì)量良好的三維建筑模型是十分困難的。處理這類建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的核心問題就是如何將它分割為有語義的結(jié)構(gòu)單元，并且檢測出結(jié)構(gòu)單元之間的相似性?，F(xiàn)有的建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析方法十分依賴于用戶的交互。Zheng等人在2010年提出的“Non-local scan consolidation for 3d urban scenes”方法，需要用戶顯示地選擇建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的一塊采樣良好的結(jié)構(gòu)單元，再根據(jù)此結(jié)構(gòu)單元去尋找與之相似的其他結(jié)構(gòu)單兀。Nan 等人在 2010 年提出的"Smartboxes for interactive urban reconstruction，，， 也需要用戶交互來繪制矩形狀的網(wǎng)格面片，從而實(shí)現(xiàn)建筑的重構(gòu)。自動(dòng)、有效的建筑點(diǎn)云結(jié)構(gòu)分析方法是建筑點(diǎn)云處理方面亟待解決的問題。與建筑點(diǎn)云處理不同的是建筑圖像的結(jié)構(gòu)分析。和建筑點(diǎn)云相比，建筑圖像具有規(guī)則的二維參數(shù)域，而且缺失和噪音并不嚴(yán)重。因此，對建筑圖像的分析是目前日趨成熟的技術(shù)。Muller 等人在 2007 年提出的"Image-based procedural modeling of facades，， 方法，將建筑圖像在水平和豎直兩個(gè)方向上分解為一系列的基本單元。與此類似的， Musialski 等人在 2010 年提出的"Tiling of ortho-rectif ied facade images，，方法，也是用水平和豎直的線對建筑圖像進(jìn)行分割。這些方法都假定建筑結(jié)構(gòu)單元的分布是二維的均勻格點(diǎn)狀，因此適用范圍非常有限。此外，這些二維圖像上的方法也很難直接推廣到三維建筑點(diǎn)云上，因?yàn)槿S建筑往往有突出的陽臺等立體結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何實(shí)現(xiàn)建筑點(diǎn)云的自動(dòng)分割。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種建筑點(diǎn)云的自適應(yīng)分割方法，包括以下步驟a、獲取建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)；b、提取所述建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的邊界點(diǎn)以及每個(gè)邊界點(diǎn)的邊界方向；C、根據(jù)提取得到的邊界點(diǎn)和邊界方向，計(jì)算在水平和豎直兩個(gè)方向上放置的分割平面的懲罰函數(shù)，得到初始的分割方向、分割平面和分割平面的位置，從而分割得到子點(diǎn)云塊；d、對于分割得到子點(diǎn)云塊，通過點(diǎn)云配準(zhǔn)方法進(jìn)行兩兩配準(zhǔn)，將相似值高于一定閾值的子點(diǎn)云塊劃分為同一組；e、利用同一組中子點(diǎn)云塊間的相似關(guān)系，補(bǔ)全缺失的分割平面；f、利用同一組中子點(diǎn)云塊間的相似關(guān)系，優(yōu)化分割平面的位置；g、根據(jù)步驟f的優(yōu)化結(jié)果，確定最終分割出 來的子點(diǎn)云塊。優(yōu)選地，步驟b具體為首先檢測所述建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的平面，對于每個(gè)檢測出的平面，將屬于該平面的所有點(diǎn)投影到該平面上，對于投影后的點(diǎn)集中的每個(gè)點(diǎn)，選取它的10個(gè)最鄰近的點(diǎn)做主分量分析，主分量分析得到的特征值由小到大依次記為rl，r2, r3，對應(yīng)的特征向量分別為 dl，d2，d3，把r2/r3小于某一預(yù)設(shè)值的點(diǎn)提取為邊界點(diǎn)，對應(yīng)的邊界方向?yàn)閐3，所有平面上檢測出的邊界點(diǎn)的集合為該建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的邊界點(diǎn)集。優(yōu)選地，步驟c具體包括Cl、用累積函數(shù)(1)表示平面P和豎直方向dv = (0,0,1)的相交程度Cv(P)=I: w Idi, dvp(1 )其中Li是第i個(gè)邊界點(diǎn)到平面P的距離，di是該邊界點(diǎn)的邊界方向，σ通常設(shè)為 0. 5m，i = 1，...，N，N為邊界點(diǎn)總數(shù)；c2、用累積函數(shù)(2)表示平面P和水平方向dh = (0，1,0)的相交程度定義Ch(P)=‘ dh|:(2)c3、用式(3)的懲罰函數(shù)提取水平放置的分割平面Fh (P) = Cv (P) _t*Ch (P)(3)其中t為預(yù)設(shè)常數(shù)，對于豎直放置的分割平面，類似地定義其懲罰函數(shù)Fv (P)= Ch(P)-t*Cv(P)來提取豎直放置的分割平面；c4、記Ph和Pv分別為水平和豎直放置的分割平面的懲罰函數(shù)的局部極小值點(diǎn)的平均值，Lh和Lv為水平和豎直方向上的點(diǎn)云的長度，取Ph/Lh和Pv/Lv中的值較小的點(diǎn)的方向作為分割方向，該方向上的懲罰函數(shù)的局部極小值點(diǎn)對應(yīng)的位置作為該方向上初始的分割平面的位置，從而分割得到子點(diǎn)云塊。優(yōu)選地，步驟d具體為使用迭代最近點(diǎn)的方法，將步驟c分割得到的子點(diǎn)云塊兩兩配準(zhǔn)，對于配準(zhǔn)后的兩塊子點(diǎn)云A和B，計(jì)算它們在三維空間中的包圍盒，將包圍盒在三個(gè)方向上進(jìn)行等間隔的劃分。對于劃分得到的每個(gè)小立方體，如果它包含有某塊子點(diǎn)云中的點(diǎn)，則記為被該子點(diǎn)云占用，記被A占用的立方體數(shù)目為Na，被B占用的立方體數(shù)目為Nb，同時(shí)被A和B占用的立方體數(shù)目為Nab，如果(Nab/Na+Nab/Nb) /2大于預(yù)設(shè)閾值，則這兩塊子點(diǎn)云被認(rèn)為是相似的，將子點(diǎn)云劃分為同一組。
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權(quán)利要求
1.一種建筑點(diǎn)云的自適應(yīng)分割方法，其特征在于，包括以下步驟a、獲取建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)；b、提取所述建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的邊界點(diǎn)以及每個(gè)邊界點(diǎn)的邊界方向；C、根據(jù)提取得到的邊界點(diǎn)和邊界方向，計(jì)算在水平和豎直兩個(gè)方向上放置的分割平面的懲罰函數(shù)，得到初始的分割方向、分割平面和分割平面的位置，從而分割得到子點(diǎn)云塊；d、對于分割得到子點(diǎn)云塊，通過點(diǎn)云配準(zhǔn)方法進(jìn)行兩兩配準(zhǔn)，將相似值高于一定閾值的子點(diǎn)云塊劃分為同一組；e、利用同一組中子點(diǎn)云塊間的相似關(guān)系，補(bǔ)全缺失的分割平面；f、利用同一組中子點(diǎn)云塊間的相似關(guān)系，優(yōu)化分割平面的位置；g、根據(jù)步驟f的優(yōu)化結(jié)果，確定最終分割出來的子點(diǎn)云塊。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟b具體為首先檢測所述建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的平面，對于每個(gè)檢測出的平面，將屬于該平面的所有點(diǎn)投影到該平面上，對于投影后的點(diǎn)集中的每個(gè)點(diǎn)，選取它的10個(gè)最鄰近的點(diǎn)做主分量分析，主分量分析得到的特征值由小到大依次記為1~1，1~2，1~3，對應(yīng)的特征向量分別為(11，(12， d3，把r2/r3小于某一預(yù)設(shè)值的點(diǎn)提取為邊界點(diǎn)，對應(yīng)的邊界方向?yàn)閐3，所有平面上檢測出的邊界點(diǎn)的集合為該建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的邊界點(diǎn)集。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟c具體包括Cl、用累積函數(shù)(1)表示平面P和豎直方向dv= (0,0,1)的相交程度
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟d具體為使用迭代最近點(diǎn)的方法，將步驟c分割得到的子點(diǎn)云塊兩兩配準(zhǔn)，對于配準(zhǔn)后的兩塊子點(diǎn)云A和B，計(jì)算它們在三維空間中的包圍盒，將包圍盒在三個(gè)方向上進(jìn)行等間隔的劃分。對于劃分得到的每個(gè)小立方體，如果它包含有某塊子點(diǎn)云中的點(diǎn)，則記為被該子點(diǎn)云占用，記被A占用的立方體數(shù)目為Na，被B占用的立方體數(shù)目為Nb，同時(shí)被A和B占用的立方體數(shù)目為Nab，如果(Nab/Na+Nab/Nb)/2大于預(yù)設(shè)閾值，則這兩塊子點(diǎn)云被認(rèn)為是相似的， 將子點(diǎn)云劃分為同一組。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟e具體為選取在同組的子點(diǎn)云塊中長度最小的子點(diǎn)云塊和其它點(diǎn)云塊配準(zhǔn)記La為配準(zhǔn)后某一較大點(diǎn)云塊的長度，Da和Db為該較大點(diǎn)云和某一較小點(diǎn)云的左端點(diǎn)的位置，如果 I Da-Db I/La大于一定閾值，則在該較大點(diǎn)云塊的Db位置處增加一個(gè)分割平面，對于右端點(diǎn)，采用相同的策略來增加缺失的分割平面。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟f中，對于屬于同組的子點(diǎn)云塊A和B， 固定子點(diǎn)云塊A不動(dòng)，將子點(diǎn)云塊B進(jìn)行平移，記T為使得子點(diǎn)云塊B和A配準(zhǔn)后，子點(diǎn)云塊B的位移量；通過調(diào)整分割平面的位置，使得在進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)前，子點(diǎn)云塊A的左端點(diǎn)Ea 和子點(diǎn)云塊B的左端點(diǎn)Eb之間的差值Ea-Eb與T之差最小，同時(shí)，使得A與B的右端點(diǎn)Fa 和Fb之間的差值Fa-Fb與T之差最小，從而得到在該方向上的分割平面的最終位置。
7.如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在步驟g之后，對于屬于同一組的子點(diǎn)云，將它們合并，對于合并后的結(jié)果，遞歸地調(diào)用步驟b-g對其進(jìn)行進(jìn)一步的分害!]，直到無法在步驟c中找到分割平面，或者該子點(diǎn)云的長度小于一定閾值。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)字媒體技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種建筑點(diǎn)云的自適應(yīng)分割方法，包括a、獲取建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)；b、提取建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的邊界點(diǎn)以及每個(gè)邊界點(diǎn)的邊界方向；c、根據(jù)提取得到的邊界點(diǎn)和邊界方向，計(jì)算懲罰函數(shù)，得到初始的分割方向、分割平面的數(shù)目和分割平面的位置，從而分割得到子點(diǎn)云塊；d、對于分割得到子點(diǎn)云塊，通過點(diǎn)云配準(zhǔn)方法進(jìn)行配準(zhǔn)，將相似值高于閾值的子點(diǎn)云塊劃分為同一組；e、補(bǔ)全缺失的分割平面；f、優(yōu)化分割平面的位置；g、根據(jù)步驟f的優(yōu)化結(jié)果，確定最終分割出來的子點(diǎn)云塊；h、將相似的子點(diǎn)云塊合并，然后遞歸地執(zhí)行步驟b-g。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)建筑點(diǎn)云的自動(dòng)分割。
文檔編號G06T7/00GK102436654SQ201110259080
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者沈超慧, 胡事民, 黃石生 申請人:清華大學(xué)