本發(fā)明涉及一種對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣提取的方法，尤其涉及一種應(yīng)用八鄰域深度差的點(diǎn)云邊緣提取方法。

背景技術(shù)：
：

隨著激光測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，激光測(cè)量設(shè)備不斷推出，使逆求工程技術(shù)得到不斷發(fā)展。在逆求工程設(shè)計(jì)中，可以將某個(gè)產(chǎn)品表面表達(dá)為大量的離散點(diǎn)，即點(diǎn)云。通過點(diǎn)云可進(jìn)行逆求工程設(shè)計(jì)，如何從點(diǎn)云信息中提取產(chǎn)品的一些幾何特征，成為逆求工程的設(shè)計(jì)核心。

點(diǎn)云邊緣是指能夠表達(dá)產(chǎn)品特征的一些邊緣測(cè)量點(diǎn)。邊緣不僅能表達(dá)產(chǎn)品的幾何特征，而且在產(chǎn)品識(shí)別、重建曲面模型的品質(zhì)和精度中起著重要的作用?；邳c(diǎn)云的邊緣提取在曲面重構(gòu)、空洞修補(bǔ)、曲面特征檢測(cè)得到廣泛應(yīng)用。

點(diǎn)云包括孔洞與非孔洞兩類。目前，提取非孔洞點(diǎn)云邊緣輪廓的方法有：利用點(diǎn)云分割方法的凸包算法提取點(diǎn)云邊緣；利用KD樹建立空間拓?fù)潢P(guān)系，通過鄰近點(diǎn)構(gòu)成的最小二乘平面投影點(diǎn)的角度差算法提取點(diǎn)云邊緣。提取孔洞點(diǎn)云邊緣輪廓的方法有：利用網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系提取點(diǎn)云邊緣；利用alpha-shape算法提取點(diǎn)云邊緣，可想象為一個(gè)半徑為α的圓在點(diǎn)云里滾動(dòng)，當(dāng)α滿足一定條件，圓會(huì)在點(diǎn)云邊緣滾動(dòng)，其滾動(dòng)的痕跡就是點(diǎn)云的邊緣。

對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用上述方法均難以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)特征邊界的快速提取。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

發(fā)明目的：

為了克服現(xiàn)有的點(diǎn)云邊緣提取速度慢的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了基于八鄰域深度差的點(diǎn)云邊緣提取方法，能夠精確、快速地對(duì)點(diǎn)云邊緣進(jìn)行提取。

技術(shù)方案：

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

基于八鄰域深度差的點(diǎn)云邊緣提取方法，其特征在于：先根據(jù)目標(biāo)特征的點(diǎn)云，對(duì)每個(gè)點(diǎn)沿深度方向進(jìn)行垂直投影并對(duì)投影點(diǎn)進(jìn)行柵格劃分，計(jì)算出每個(gè)柵格內(nèi)投影點(diǎn)所對(duì)應(yīng)深度的平均值作為該柵格的深度值；然后比較每個(gè)柵格與其八鄰域柵格的深度差，根據(jù)深度差判斷該柵格內(nèi)是否存在邊緣點(diǎn)，并采用排列法從柵格內(nèi)篩選出點(diǎn)云邊緣點(diǎn)。

采用Kinect傳感器和Atos掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具體步驟為：

(1)對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)沿深度方向垂直投影：對(duì)沿深度方向獲取的單面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，沿深度方向進(jìn)行投影；

(2)對(duì)投影點(diǎn)進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)組織：對(duì)于投影點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)其橫縱坐標(biāo)最小與最大的四個(gè)值，根據(jù)柵格的劃分次數(shù)，計(jì)算出單個(gè)柵格的大小，然后將各投影點(diǎn)分配到各個(gè)柵格且進(jìn)行編號(hào)；

(3)計(jì)算柵格的深度差：根據(jù)編號(hào)的任意柵格，統(tǒng)計(jì)柵格內(nèi)投影點(diǎn)數(shù)目，若投影點(diǎn)數(shù)目為零，則將該柵格的深度值設(shè)定零；若柵格內(nèi)投影點(diǎn)數(shù)目大于零，則將投影點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度值進(jìn)行加權(quán)平均，將加權(quán)平均值作為該柵格的深度值；

(4)比較柵格與八鄰域柵格的深度差：對(duì)每個(gè)柵格進(jìn)行判斷，若該柵格的深度值不為零，計(jì)算其與八鄰域柵格里每個(gè)柵格的深度差，若存在深度差大于設(shè)定閾值，則該柵格為存在邊緣點(diǎn)柵格；

(5)柵格內(nèi)點(diǎn)云邊緣點(diǎn)篩選：對(duì)于存在邊緣點(diǎn)的柵格，統(tǒng)計(jì)出柵格內(nèi)投影點(diǎn)個(gè)數(shù)，然后對(duì)投影點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度值進(jìn)行升序排列；當(dāng)投影點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù)，柵格邊緣點(diǎn)為中間位置所對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)；當(dāng)投影點(diǎn)個(gè)數(shù)為偶數(shù)，該柵格邊緣點(diǎn)為中間兩個(gè)值所對(duì)應(yīng)的任一投影點(diǎn)，根據(jù)投影點(diǎn)提取其所對(duì)應(yīng)的三維點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)及效果：

對(duì)均勻分布和非均勻分布的點(diǎn)云有較好的魯棒性，對(duì)非孔洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)和孔洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)都有很好的提取效果。

點(diǎn)云邊緣提取準(zhǔn)確性高，耗時(shí)短。

附圖說明：

圖1為3×3柵格劃分圖。

圖2為柵格的深度平均值圖。

圖3為柵格存在邊緣點(diǎn)示意圖。

圖4為柵格深度篩選示意圖。

具體實(shí)施方式：

本發(fā)明涉及一種基于八鄰域深度差(8N-DD)的點(diǎn)云邊緣提取方法，一種準(zhǔn)確性高、耗時(shí)短的點(diǎn)云邊緣提取方法，先根據(jù)目標(biāo)特征的點(diǎn)云，對(duì)每個(gè)點(diǎn)沿深度方向進(jìn)行垂直投影并對(duì)投影點(diǎn)進(jìn)行柵格劃分，計(jì)算出每個(gè)柵格內(nèi)投影點(diǎn)所對(duì)應(yīng)深度的平均值作為該柵格的深度值；然后比較每個(gè)柵格與其八鄰域柵格的深度差，根據(jù)深度差判斷該柵格內(nèi)是否存在邊緣點(diǎn)，并采用排列法從柵格內(nèi)篩選出點(diǎn)云邊緣點(diǎn)。

采用Kinect傳感器和Atos掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具體步驟如下：

(1)對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)沿深度方向垂直投影：對(duì)沿深度方向獲取的單面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，沿深度方向進(jìn)行投影；

(2)對(duì)投影點(diǎn)進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)組織：對(duì)于投影點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)其橫縱坐標(biāo)最小與最大的四個(gè)值，根據(jù)柵格的劃分次數(shù)，計(jì)算出單個(gè)柵格的大小，然后將各投影點(diǎn)分配到各個(gè)柵格且進(jìn)行編號(hào)；

(3)計(jì)算柵格的深度差：根據(jù)編號(hào)的任意柵格，統(tǒng)計(jì)柵格內(nèi)投影點(diǎn)數(shù)目，若投影點(diǎn)數(shù)目為零，則將該柵格的深度值設(shè)定零；若柵格內(nèi)投影點(diǎn)數(shù)目大于零，則將投影點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度值進(jìn)行加權(quán)平均，將加權(quán)平均值作為該柵格的深度值；

(4)比較柵格與八鄰域柵格的深度差：對(duì)每個(gè)柵格進(jìn)行判斷，若該柵格的深度值不為零，計(jì)算其與八鄰域柵格里每個(gè)柵格的深度差，若存在深度差大于設(shè)定閾值，則該柵格為存在邊緣點(diǎn)柵格；

(5)柵格內(nèi)點(diǎn)云邊緣點(diǎn)篩選：對(duì)于存在邊緣點(diǎn)的柵格，統(tǒng)計(jì)出柵格內(nèi)投影點(diǎn)個(gè)數(shù)，然后對(duì)投影點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度值進(jìn)行升序排列；當(dāng)投影點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù)，柵格邊緣點(diǎn)為中間位置所對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)；當(dāng)投影點(diǎn)個(gè)數(shù)為偶數(shù)，該柵格邊緣點(diǎn)為中間兩個(gè)值所對(duì)應(yīng)的任一投影點(diǎn)，根據(jù)投影點(diǎn)提取其所對(duì)應(yīng)的三維點(diǎn)。

該方法對(duì)均勻分布和非均勻分布的點(diǎn)云有較好的魯棒性，同時(shí)對(duì)含有孔洞和非孔洞點(diǎn)云均能有效進(jìn)行邊緣提取。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：

基于八鄰域深度差的點(diǎn)云邊緣提取方法，步驟如下：

(1)對(duì)點(diǎn)云沿深度方向垂直投影

對(duì)沿深度方向獲取的單面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，沿深度方向z進(jìn)行投影(相當(dāng)于垂直投影到x，y平面上)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)可表示為：

P＝{P_i|P_i＝(x_i,y_i,z_i),i∈[1,n]}

式中：P_i表示空間(x_i,y_i,z_i)處位置坐標(biāo)；n表示點(diǎn)云個(gè)數(shù)。

投影點(diǎn)可表示為：

P'＝{P_i'|P_i'＝(x_i,y_i),i∈[1,n]}

式中：P_i'表示(x_i,y_i)處位置坐標(biāo)。

(2)對(duì)投影點(diǎn)進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)組織

對(duì)于投影點(diǎn)P'，統(tǒng)計(jì)其橫縱坐標(biāo)最小與最大的四個(gè)值X_min、X_max、Y_min、Y_max；根據(jù)柵格的劃分次數(shù)m，計(jì)算出單個(gè)柵格的大小為axb，其中：

[]表示取整；

[]表示取整；

將各投影點(diǎn)分配到各個(gè)柵格且進(jìn)行編號(hào)：首先根據(jù)當(dāng)前投影點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)，計(jì)算該點(diǎn)所在柵格的行r和列c；然后將該點(diǎn)添加到第r行和c列的柵格中，且將該柵格編號(hào)為G(r,c)，如圖1所示，其中：

[]表示取整；

[]表示取整；

如圖1所示，柵格是3×3柵格，從柵格左上角對(duì)柵格進(jìn)行編號(hào)，第一行第一列柵格為G(0，0)，第一行第二列柵格為G(0，1)，直到將第三行第三列柵格編號(hào)為G(2,2)。

(3)計(jì)算柵格的深度值

根據(jù)編號(hào)的任意柵格G(i,j)，統(tǒng)計(jì)柵格內(nèi)投影點(diǎn)的數(shù)目，若投影點(diǎn)數(shù)目為零，則將該柵格的深度值設(shè)定為Z＝0，如圖2所示；若柵格內(nèi)投影點(diǎn)數(shù)目大于零，則將投影點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度值進(jìn)行加權(quán)平均，將加權(quán)平均值Z_ave作為該柵格的深度值，柵格深度值可表示為：

式中：D_m表示柵格內(nèi)投影點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度值；L表示柵格內(nèi)投影點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

圖2給出了3×3柵格的深度值設(shè)定，柵格G(0，0)，G(1，0)和G(2，2)柵格中無投影點(diǎn)，則柵格的深度值設(shè)為零；其它柵格內(nèi)都存在投影點(diǎn)，則柵格的深度值設(shè)定為對(duì)應(yīng)的加權(quán)平均值，如：Z₁，Z₂，Z₃，Z₄，Z₅，Z₆。

(4)柵格間深度比較

對(duì)每個(gè)柵格進(jìn)行判斷，若該柵格的深度值不為零，計(jì)算其與八鄰域柵格里每個(gè)柵格的深度差，若存在深度差大于閾值T，則該柵格為存在邊緣點(diǎn)柵格，圖3給出了判斷柵格存在邊緣點(diǎn)的示意圖。

如圖3所示，對(duì)于任意柵格G(i,j)，以其八鄰域柵格中G(i-1,j)柵格為例，其與柵格G(i,j)的深度差為D,D大于閾值T,判斷出柵格G(i,j)存在邊緣點(diǎn)。

(5)柵格內(nèi)點(diǎn)云邊緣點(diǎn)篩選

對(duì)于存在邊緣點(diǎn)的柵格G(i,j)，統(tǒng)計(jì)出柵格內(nèi)投影點(diǎn)個(gè)數(shù)k，然后對(duì)投影點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度值進(jìn)行升序排列。當(dāng)k為奇數(shù)，柵格邊緣點(diǎn)為位置所對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)；當(dāng)k為偶數(shù)，該柵格邊緣點(diǎn)為或位置所對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)，根據(jù)投影點(diǎn)提取其所對(duì)應(yīng)的三維點(diǎn)，圖4給出了邊緣點(diǎn)篩選示意圖。

如圖4所示，存在邊緣點(diǎn)的柵格G(i,j)中有4個(gè)投影點(diǎn)，對(duì)4個(gè)投影點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度值排序?yàn)閆₁，Z₂，Z₃和Z₄，所以Z₂或Z₃所對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)為邊緣點(diǎn)，根據(jù)邊緣點(diǎn)提取其三維點(diǎn)P。