單站地面雷射掃描海量散亂點雲的lod模型快速構建方法
2023-06-11 02:22:46 2
專利名稱：單站地面雷射掃描海量散亂點雲的lod模型快速構建方法
技術領域：
本發明涉及一種利用地面雷射掃描儀在單站獲取的海量散亂點雲實現多細節層 次L0D(Levels of Details)模型的快速構建方法。
背景技術：
地面雷射掃描儀作為測繪領域的高新技術，以其快速、高精度獲取物體表面三維 幾何數據和紋理數據而受到愈來愈多的研究者的關注。絕大多數地面雷射掃描儀獲取的數 據具有數據量大、無拓樸關係、密疏不均等特點，故稱之海量散亂點雲。
由於海量散亂點雲表面重建問題的複雜性，目前流行的各種表面重建算法都存在 一定局限性
(1) 一些方法要求點集的密度儘量均勻；
(2) 一些方法不能重建含有孔洞的實體模型；
(3)不少方法自動化程度不高，要求用戶調節參數或者輔助選擇種子點；
(4)大多數方法時間複雜度太高，計算量大，從而實用性被限制。
對於利用地面雷射掃描儀在單站獲取點雲後再採用球面投影使其變為二維的方 法，如中國專利公告號為CN101266694號的發明專利案，其能夠提高表面模型的重建速度， 是目前最新的單站地面雷射掃描點雲的處理方法。該發明能夠在構網效率方向有了較大提 高，然而仍有以下缺陷
(1)在三角剖分過程中使用了所採集點集中的每一個點，對於原始點雲沒做壓縮 簡化，計算量仍然很大。
(2)認為點雲中的點均在物體的表面，沒有考慮噪音點的影響。
(3)不能處理拓撲複雜的情況，如含洞、孤島的情況；
因此，該發明不適用於海量、稠密、含有較多噪音點的散亂點雲數據，所獲得的三 角網僅在球面意義上滿足狄洛尼(Delaimay)準則，由於以上缺陷限制了其的應用性。發明內容
本發明提出一種可以克服上述缺陷的單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模 型快速構建方法。
實現本發明目的方法包括以下步驟
步驟一、以雷射發射中心點為球心，輸入或計算半徑，設定投影球面；
步驟二、根據用戶期望解析度設定投影球面上的規則格網；
步驟三、設置數據存儲空間；
步驟四、投影點到格網，累加徑向距和顏色，並求取球面包圍盒；球面包圍盒是指 投影點至球面的規則點雲的邊界之中的球體部份。
步驟五、計算網格數據點和對應顏色均值，生成球面規整點雲；
步驟六、生成規則三角網，並執行投影逆操作，執行三角形頂點著色，得到彩色三角網；
步驟七、三角網轉換到笛卡爾坐標，並剔除不合理三角形，得到目標三角網。
作為本發明的具體化，
步驟一包括
1、設定球心以雷射掃描儀默認採集坐標系的原點為球心；
2、由用戶輸入徑向距的均值^或抽樣估算球面半徑用戶直接設定徑向距的均值^ 或從原始點雲數據中隨機抽取一定量的樣本，轉換為球坐標(Y，θ，β)後，求取徑向距的 均值、
步驟二包括
1、設定球坐標系取值範圍徑向距γ e
；
2、設置球面規則格網的單格大小根據用戶設定的單個網格的期望大小(h，ν), 計算單個網格的方位角和仰角的角度步長(h0，ve)，
即he=h/y，hp=vli。
步驟三包括
1、點數組R用於存儲對應網格內點的徑向距均值Y ；
2、顏色數組C存儲對應網格內點的顏色均值；
3、數組Count用來統計落入對應網格內的點數目；
4、利用公式1由(h0，ν0)來計算各數組大小m，n，各數組元素個數相同，彼此對 應。
=1_之冗//^」，《=L2冗/ν"」(ι)
式中[*」為取整符號。
步驟四包括
1、將點雲中的點依次投影到網格，即將數據點轉換為球坐標，判斷點所在網格，找 到該網格對應的各數組元素，累加徑向距和顏色；
2、I^Biffit[JB i， j， Y WM^it^Micit mini, maxi, minj, maxj, min y , max y , 即為規則點雲的邊界，這裡稱其為球面包圍盒，其中(i，j) :[i e (0，m)，j e (0,n)]為投 影點所在球面網格對應的數組元素位置。
步驟五包括
1、每個網格有對應的數組元素簡化為點，如果Count (i，j)為零，說明該網格沒有 接受到投影點；否則，按照Σ R(i, j)/Count (i, j), Σ C(i, j)/Count (i, j)來計算徑向距均 值與顏色均值；Count (i，j)表示每個網格內的投影點的個數，R(i，j)表示單個投影點的徑 向距值，C(I, j)表示單個投影點的顏色值；
2、對有投影點的格網，生成其球面格網中心點，按照顏色均值賦予顏色，得到球面 規整點雲。
步驟六包括
1、遍歷球面全部的規整點雲，依次生成規則三角網，如果網格中沒有投影點，則認5為原始點雲存在洞，不生成三角網；
2、在保持三角網的各點間的拓撲關係不變的情況下，將點的球坐標按照網格的徑 向距均值執行投影逆操作，然後按照顏色均值對三角網執行頂點著色，得到真彩色三角網。
步驟七包括
1、將三角網各點的球坐標轉換為笛卡爾坐標；
2、剔除不合理三角形，不合理三角形主要為狹長三角形，設定三角形的最長邊和 最短邊的比例閾值，大於該閾值的被認定為狹長三角形；或者設定最長邊閾值，當三角形的 某邊超出該閾值即刪除該三角形，得到目標三角網。
步驟一所述抽取樣本量可按預定的比例抽取或者設為定值，比如200個點或300 個佔.I /…
步驟二所述仰角取值範圍也可取為β e (0，π)。
對於數據採集中，前方無遮擋物的情況，步驟七中可不剔除狹長三角網。
本發明涉及的參數及應用效果
單站地面雷射掃描點雲構網算法通過VC++和Open hventor編程實現，對模型的 控制採用了四個主要輸入參數，其中各參數的單位與點雲中各點的坐標單位相同
1、投影球半徑抽樣點雲數據轉換為球坐標後的徑向距均值，即為投影時的球體 半徑。可由用戶根據採樣物體距離掃描儀的距離來設定。
2、期望解析度用於控制投影球面的四邊形網格大小，網格愈大，點雲生成格網後 的壓縮率愈大，則模型更不精細。
3、網格邊長閾值三角形的最長邊超出此閾值將被剔除。
4、長短邊比閾值三角形最長邊和最短邊的比值閾值，剔除超出此值的三角形。採 用本發明對單站地面雷射掃描點雲進行模型重建具有以下優點
1、自動化程度高，不需要種子點。
2、能夠適用於含洞、孤島的拓撲更為複雜的點雲；
3、能夠適用於含有噪音點、散亂的點雲數據；
4、本發明的時間複雜度僅為0(n)，明顯小於多站配準點雲的算法時間複雜度；而 中國專利公告第101266694號專利案的發明用到Delaimay三角剖分法，該剖分時間複雜度 至少為0(n log η)，大於本發明的時間；
5、以不同期望解析度構建模型對原始點雲進行了可控壓縮，能夠快速生成LOD模 型；
6、輸出的模型以規則矩陣方式存儲，存儲結構簡單，易於用現有信號處理算法對 模型再處理；
7、本發明所用到的數據結構簡單，易於實現。
圖1為即球面規則格網以及笛卡爾坐標系向球坐標的轉換的示意圖。
圖2為本發明的流程圖。
圖3Α為以期望解析度0. 06對點雲重採樣後的球面投影帶有真彩色的全局
圖;3Β為圖3Α的局部規則點雲的展現圖。
圖如為對某單站點雲進行建模模型實施例1的全局效果圖。
圖4b為對某單站點雲進行建模模型實施例1的細部效果圖。
圖fe為對某單站點雲進行建模模型的實施例2全局效果圖。
圖恥為對某單站點雲進行建模模型的實施例2細部效果圖。
圖6a為對某單站點雲進行建模模型實施例3的全局效果圖。
圖6b為對某單站點雲進行建模模型實施例3的細部效果圖。
圖7a為對某單站點雲進行建模模型實施例4的全局效果圖。
圖7b為對某單站點雲進行建模模型實施例4的細部效果圖。具體實施例
如圖1和圖2所示，本發明的單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模型快速構 建方法，包含以下步驟
步驟一、設定投影球面；具體包括
1、設定球心以雷射掃描儀默認採集坐標系的原點為球心；
2、由用戶輸入徑向距的均值^或抽樣估算球面半徑用戶直接設定徑向距的均值^ 或從原始點雲數據中隨機抽取一定量的樣本，轉換為球坐標(Y，θ，β )(如圖1所示)，求 取徑向距的均值^。抽取樣本量可按預定的比例抽取或者預定的設定值，比如200個點。
步驟二、如圖1所示，根據用戶期望解析度設定投影球面上的規則格網；具體包 括
1、設定球坐標系取值範圍徑向距γ e
；
2、設置球面規則格網的單格大小根據用戶設定的單個網格的期望大小(h，ν), 計算單個網格的方位角和仰角的角度步長(h0，ve)，
即/ζθ=Λ/;κ，hp =νIγ。
步驟三、設置數據存儲空間；具體包括
1、點數組R用於存儲對應網格內點的徑向距均值Y ；
2、顏色數組C存儲對應網格內點的顏色均值；
3、數組Count用來統計落入對應網格內的點數目；
4、利用公式1由(h0，ν0)來計算各數組大小m，n，各數組元素個數相同，彼此對 應。
權利要求
1.一種單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模型快速構建方法，其特徵在於包括步驟步驟一、以雷射發射中心點為球心，輸入或計算半徑，設定投影球面； 步驟二、根據用戶期望解析度設定投影球面上的規則格網； 步驟三、設置數據存儲空間；步驟四、投影點到格網，累加徑向距和顏色，並求取球面包圍盒；球面包圍盒是指投影 點至球面的規則點雲的邊界之中的球體部份。步驟五、計算網格數據點和對應顏色均值，生成球面規整點雲；步驟六、生成規則三角網，並執行投影逆操作，執行三角形頂點著色，得到彩色三角網；步驟七、三角網轉換到笛卡爾坐標，並剔除不合理三角形，得到目標三角網。
2.如權利要求1所述的單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模型快速構建方法，其 特徵在於步驟一包括1、設定球心以雷射掃描儀默認採集坐標系的原點為球心；2、由用戶輸入徑向距的均值^或抽樣估算球面半徑用戶直接設定徑向距的均值^或 從原始點雲數據中隨機抽取一定量的樣本，轉換為球坐標(Y，θ，β)後，求取徑向距的均 itr。
3.如權利要求1所述的單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模型快速構建方法，其 特徵在於步驟二包括1、設定球坐標系取值範圍徑向距Ye
或為 β G (0，π)；2、設置球面規則格網的單格大小根據用戶設定的單個網格的期望大小(h，v)，計算 單個網格的方位角和仰角的角度步長(h0，ve)，艮hp = νIγ 。
4.如權利要求1所述的單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模型快速構建方法，其 特徵在於步驟三包括1、點數組R用於存儲對應網格內點的徑向距均值、；2、顏色數組C存儲對應網格內點的顏色均值；3、數組Count用來統計落入對應網格內的點數目；4、利用公式1由(h0，ve)來計算各數組大小m，n，各數組元素個數相同，彼此對應。m = \ π I he\n - Ll^/v。」式中L*」為取整符號。
5.如權利要求1所述的單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模型快速構建方法，其 特徵在於步驟四包括(1、將點雲中的點依次投影到網格，即將數據點轉換為球坐標，判斷點所在網格，找到該 網格對應的各數組元素，累加徑向距和顏色；(2、同時蹄選出i,j,Y的最小值與最大值mini, maxi, minj, maxj, min γ , max γ ,艮口為 規則點雲的邊界，這裡稱其為球面包圍盒，其中(i，j) :[i e (0，m)，j e (0,n)]為投影點 所在球面網格對應的數組元素位置。
6.如權利要求1所述的單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模型快速構建方法，其 特徵在於步驟五包括(1、每個網格有對應的數組元素簡化為點，如果Count(i，j)為零，說明該網格沒有接受 到投影點；否則，按照Σ R(i, j)/Count (i, j), Σ C(i, j)/Count (i, j)來計算徑向距均值與 顏色均值；Count (i，j)表示每個網格內的投影點的個數，R(i，j)表示單個投影點的徑向距 值，C(I，j)表示單個投影點的顏色值；(2、對有投影點的格網，生成其球面格網中心點，按照顏色均值賦予顏色，得到球面規整 點雲。
7.如權利要求1所述的單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模型快速構建方法，其 特徵在於步驟六包括(1、遍歷球面全部的規整點雲，依次生成規則三角網，如果網格中沒有投影點，則認為原 始點雲存在洞，不生成三角網；(2、在保持三角網的各點間的拓撲關係不變的情況下，將點的球坐標按照網格的徑向距 均值執行投影逆操作，然後按照顏色均值對三角網執行頂點著色，得到真彩色三角網。
8.如權利要求1所述的單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模型快速構建方法，其 特徵在於步驟七包括(1、將三角網各點的球坐標轉換為笛卡爾坐標；(2、剔除不合理三角形，不合理三角形主要為狹長三角形，設定三角形的最長邊和最短 邊的比例閾值，大於該閾值的被認定為狹長三角形；或者設定最長邊閾值，當三角形的某邊 超出該閾值即刪除該三角形，得到目標三角網。
9.如權利要求2所述的單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模型快速構建方法，其 特徵在於抽取樣本量可按預定的比例抽取或者設為定值。
10.如權利要求8所述的單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模型快速構建方法，其 特徵在於對於數據採集中，前方無遮擋物的情況，步驟七中可不剔除狹長三角網。
全文摘要
本發明公開了一種單站地面雷射掃描海量散亂點雲的LOD模型快速構建方法，將原始單站雷射掃描點雲投影到球面，按照一定期望解析度構造規則球面網格，對網格中的投影數據點以及顏色值重採樣，得到規整點雲；接著建立重採樣點之間的拓撲關係生成三角網；最後為三角形頂點著色，並剔除不合理的三角形，得到矩陣式存儲的真彩色三角格網。此方法生成的LOD模型壓縮率高，在測繪科學與技術及逆向工程領域均有著重大影響，可用於仿真漫遊中。
文檔編號G06T17/30GK102044088SQ20101053771
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月9日 優先權日2010年11月9日
發明者張 榮, 王峰, 邱廣新, 陳煥然 申請人:廣州市城市規劃勘測設計研究院