本發(fā)明涉及一種基于三維點云的標(biāo)志牌可視度評價方法。

背景技術(shù)：

標(biāo)志牌是指用文字或符號標(biāo)明特征，吸引行人注意的牌子，在我們?nèi)粘Ｖ袠O為常見，其包括禁令標(biāo)志牌、警告標(biāo)志牌、旅游標(biāo)志牌、限速標(biāo)志牌、指示標(biāo)志牌、反光標(biāo)志牌、安全標(biāo)志牌等，廣告牌也是其引申出的用途之一。指示牌作為一種指導(dǎo)性的標(biāo)識物，應(yīng)該給人醒目的視覺沖擊，但在實際應(yīng)用中，存在著諸多制約其醒目效果的因素，因安裝位置及安裝高度不恰當(dāng)引起的周圍建筑遮擋，綠化樹遮擋就是其中影響最大的因素之一。交通指示牌被遮擋，司機不能提前看到指示信息，極易走錯路線或因減速尋找指示信息而造成不必要的擁堵與追尾事故；廣告牌被遮擋，投資人的投資得不到預(yù)期的回報；而對于相關(guān)管理部門而言，綠化樹的修剪只能憑借主觀的判斷進行，從而造成部分路段重復(fù)修剪，部分路段被忽視，效率低下而結(jié)果卻不盡人意。因此亟需一種可直觀、準(zhǔn)確地評價標(biāo)志牌在實際應(yīng)用中醒目的程度的方法，作為對標(biāo)志牌安裝，廣告牌投放及是否對綠化樹進行修剪的指導(dǎo)方法和建議。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于三維點云數(shù)據(jù)的標(biāo)志牌空間可視度評價方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

基于三維點云的標(biāo)志牌可視度評價方法，包括以下步驟：

S1、計算標(biāo)志牌在基準(zhǔn)視點的基準(zhǔn)可視場強度：以過標(biāo)志牌中心的法線、離標(biāo)志牌中心d米處的位置為基準(zhǔn)視點，計算在該基準(zhǔn)視點觀測時標(biāo)志牌在視網(wǎng)膜上的成像面積，定義此時的可視場強度為1；

S2、計算標(biāo)志牌在視點的可視場強度：計算在視點觀測時標(biāo)志牌在視網(wǎng)膜上的成像面積與基準(zhǔn)視點觀測時標(biāo)志牌在視網(wǎng)膜上的成像面積的比值，該比值即為該點上的可視場強度；

S3、計算標(biāo)志牌在視點的空間可見度：計算過標(biāo)志牌中心、以標(biāo)志牌中心點和視點連線為法向量的平面上標(biāo)志牌未被遮擋部分面積與標(biāo)志牌面積之間的比值，該比值即為該點上的空間可見度；

S4、計算標(biāo)志牌在視點的空間可視度：該點的空間可視度為該點的可視場強度與該點的空間可見度的乘積；

S5、計算標(biāo)志牌的可視場：根據(jù)球面方程計算并存儲距離標(biāo)志牌中心距離為R的所有視點的球面坐標(biāo)，重復(fù)步驟S2-S4，計算各視點的空間可見度，建立觀測距離為R時的標(biāo)志牌的可視場模型。

進一步地，步驟S1具體包括以下步驟：

S11、使用現(xiàn)有的標(biāo)志牌提取算法，在點云場景中提取標(biāo)志牌點云；

S12、計算標(biāo)志牌點云的中心和標(biāo)志牌平面的法向量Normal；

S13、使用四元素方法將標(biāo)志牌點云法向量旋轉(zhuǎn)到以標(biāo)志牌平面法向量Normal為Z軸的坐標(biāo)空間中；

S14、將標(biāo)志牌點云投影到XOY平面，使用alpha—shape算法計算投影點云的邊界；

S15、根據(jù)投影點云的邊界頂點使用多邊形面積公式計算出標(biāo)志牌的面積；

S16、計算基準(zhǔn)視點與標(biāo)志牌中心的距離，根據(jù)視網(wǎng)膜成像原理，計算標(biāo)志牌在視網(wǎng)膜上面的成像面積。

進一步地，所述步驟S2具體包括：

S21、計算視點與標(biāo)志牌中心之間連線的線向量L，使用四元素方法將標(biāo)志牌點云旋轉(zhuǎn)到以線向量L為Z軸的坐標(biāo)空間中；

S22、將標(biāo)志牌點云投影到XOY平面，使用alpha—shape算法計算投影點云的邊界；

S23、根據(jù)投影點云的邊界頂點，使用多邊形面積公式計算出標(biāo)志牌的面積；

S24、計算視點與標(biāo)志牌中心的距離，根據(jù)視網(wǎng)膜成像原理，計算標(biāo)志牌在視網(wǎng)膜上面的成像面積，該成像面積與基準(zhǔn)可視場強度的比值即為該視點處的可視場強度。

進一步地，所述步驟S3具體包括：

S31、重復(fù)步驟S21將視點坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)到以線向量L為Z軸的坐標(biāo)空間中；

S32、在轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)空間中，根據(jù)步驟S22中計算出來的標(biāo)志牌邊界頂點坐標(biāo)，連接視點與各頂點的連線，計算該連線與視點和標(biāo)志牌中心的連線間的夾角，然后計算并找出最大的夾角α；

S33、在原坐標(biāo)空間中，以視點與標(biāo)志牌中心的連線為方向，以α為視角角度形成一個視錐體，判斷視點和視錐體內(nèi)的點云的連線與視點和標(biāo)志牌中心的連線形成的夾角是否大于α，若＞α則舍棄，若≤α則進行下一步；

S34、計算視點和視錐體內(nèi)點云的連線與標(biāo)志牌的所在平面的交點，該交點點云記為Cloud1，使用四元素方法將點云Cloud1旋轉(zhuǎn)到以線向量L為Z軸的坐標(biāo)空間中，坐標(biāo)變換后的點云記為Cloud2；

S35、將點云Cloud2投影到XOY平面上，通過射線法判斷Cloud2投影點云的點是否在步驟S22中計算出來的標(biāo)志牌投影點云的邊界內(nèi)部，若該點在內(nèi)部則視為交點，否則舍棄該點，獲得的交點點云集記為Cloud3；

S36、使用alpha—shape算法計算點云Cloud3的邊界，根據(jù)Cloud3的邊界的頂點，使用多邊形面積公式計算出交點點云的面積；

S37、計算交點點云邊界與步驟S24中計算出的標(biāo)志牌的面積比值，用1減去該比值即為該視點處的空間可見度。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

可自動、直觀、準(zhǔn)確、高效地對標(biāo)志牌的可視度進行評價，在標(biāo)志牌安裝維護、廣告牌投放、道路綠化以及建筑設(shè)計方面給出合理的指導(dǎo)和建議，尤其在城市道路中可定期使用車載激光掃描系統(tǒng)進行掃描，從而判定綠化樹對標(biāo)志牌的遮擋程度，作為綠化樹修剪周期及修剪量的參考。

附圖說明

圖1為可視場模型構(gòu)建示意圖；

圖2為觀測時遮擋物示意圖；

圖3為本發(fā)明計算流程框圖；

圖4為本發(fā)明可視場強度計算框圖；

圖5為多邊形面積計算示意圖；

圖6為視網(wǎng)膜成像原理示意圖；

圖7為本發(fā)明空間可見度計算流程框圖；

圖8為交點點云計算俯視結(jié)果；

圖9交點點云計算側(cè)視結(jié)果；

圖10為遮擋點云計算結(jié)果圖；

圖11為Cloud3的邊界和標(biāo)志牌邊界的計算結(jié)果；

圖12為實施例中存儲的球面視點點云示意圖；

圖13為實施例中有無遮擋情況的可視場顯示結(jié)果。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例

為了直觀地表示標(biāo)志牌在不同距離、不同視角上的可視程度，引入可視場的定義，如圖1所示，定義可視場為：以標(biāo)志牌中心為球心，以R為半徑，建立一個三維球體，定義標(biāo)志牌的前方所對應(yīng)的半球體為該標(biāo)志牌的可視場。

則球體上的每個點均是與標(biāo)志牌距離為R的視點v_i，視點v_i和標(biāo)志牌組成一個視錐體。人眼對標(biāo)志牌的空間可視度受視點v_i的距離與觀測角度影響：當(dāng)觀測距離一定時，對于不同的視點，觀測角度與標(biāo)志牌在視網(wǎng)膜上的成像面積成反比，觀測角度偏離標(biāo)志牌法線方向越大，視網(wǎng)膜成像面積越?。划?dāng)觀測角度一定時，觀測距離與標(biāo)志牌在視網(wǎng)膜上的成像面積成反比，距離越遠，視網(wǎng)膜成像面積越小。

為直觀地表述這種關(guān)系，將視點位置對空間可視度的影響定義為可視場強度。為了度量可視場強度并將可視場強度歸一化，定義過標(biāo)志牌中心、沿著標(biāo)志牌法線方向距離標(biāo)志牌中心d米(d通常＜10，根據(jù)實際情況而定)處的位置為基準(zhǔn)視點，記錄此時標(biāo)志牌在視網(wǎng)膜上的成像面積，定義此時的可視場強度為1，則視點v_i的可視場強度即為在視點v_i時標(biāo)志牌在視網(wǎng)膜上的成像面積與在基準(zhǔn)視點時標(biāo)志牌在視網(wǎng)膜上的成像面積的比值。

從而，半球體上的每個視點v_i均有一個唯一的可視場強度，可視場強度隨視點距離的增加而衰減，隨偏離標(biāo)志牌法線方向的角度增加而衰減。基準(zhǔn)視點處的可視場強度為1，無窮遠處或者與標(biāo)志牌法線方向偏角為90度時的可視場強度為0。

然而如圖2所示，不考慮光照的情況下，在實際環(huán)境中在不同的視點上標(biāo)志牌仍會受到不同物體的遮擋，圖中，圓形和星形代表樹葉、路燈桿等物體的遮擋。故而，單一地使用可視場強度對標(biāo)志牌的空間可視度進行評價是不準(zhǔn)確的，視點的位置不同，則觀測到的標(biāo)志牌的面積不同，遮擋物形成的遮擋面積也不同，為直觀地表述這種關(guān)系，將遮擋程度對空間可視度的影響標(biāo)記為空間可見度，則視點的空間可見度定義為：過標(biāo)志牌中心、以標(biāo)志牌中心點和視點連線為法向量的平面上，標(biāo)志牌未被遮擋部分面積與標(biāo)志牌的面積之間的比值。則有，遮擋面積越大，空間可見度越小。

故而，標(biāo)志牌的空間可視度為視點的可視場強度與空間可見度的乘積，計算可視場中每個視點的空間可視度即獲得了可視場的空間可視度。

如圖3所示，具體的計算步驟如下：

S1、計算標(biāo)志牌在基準(zhǔn)視點的基準(zhǔn)可視場強度，具體為：

S11、使用現(xiàn)有的標(biāo)志牌提取算法，在點云場景中提取標(biāo)志牌點云；

S12、計算標(biāo)志牌點云的中心和標(biāo)志牌平面的法向量Normal；

S13、使用四元素方法將標(biāo)志牌點云法向量旋轉(zhuǎn)到以標(biāo)志牌平面法向量Normal為Z軸的坐標(biāo)空間中；

S14、將標(biāo)志牌點云投影到XOY平面(此時XOY平面即過標(biāo)志牌點云中心與標(biāo)志牌法線垂直的平面)，使用alpha—shape算法計算投影點云的邊界；

S15、根據(jù)投影點云的邊界頂點使用多邊形面積公式計算出標(biāo)志牌的面積；

S16、計算基準(zhǔn)視點與標(biāo)志牌中心的距離，根據(jù)視網(wǎng)膜成像原理，計算標(biāo)志牌在視網(wǎng)膜上面的成像面積。

S2計算標(biāo)志牌在視點的可視場強度，具體為：

S21、計算視點與標(biāo)志牌中心之間連線的線向量L，使用四元素方法將標(biāo)志牌點云旋轉(zhuǎn)到以線向量L為Z軸的坐標(biāo)空間中；

S22、將標(biāo)志牌點云投影到XOY平面(此時XOY平面即過標(biāo)志牌點云中心與線向量L垂直的平面)，使用alpha—shape算法計算投影點云的邊界；

S23、根據(jù)投影點云的邊界頂點，使用多邊形面積公式計算出標(biāo)志牌的面積；

S24、計算視點與標(biāo)志牌中心的距離，根據(jù)視網(wǎng)膜成像原理，計算標(biāo)志牌在視網(wǎng)膜上面的成像面積，該成像面積與基準(zhǔn)可視場強度的比值即為該視點處的可視場強度。

如圖4所示的是步驟S1與S2的計算流程框圖，即可視場強度的計算流程框圖，如圖5所示的是多邊形面積計算的示意圖，如圖6所示的是視網(wǎng)膜成像原理示意圖。其中，四元素法，alpha—shape及多邊形面積計算屬于現(xiàn)有技術(shù)，具體的算法在此不做贅述，需要注意的是alpha的取值會影響邊界的確定，應(yīng)根據(jù)實際情況設(shè)置，本實施例中設(shè)為0.1米。

S3、計算標(biāo)志牌在視點的空間可見度，具體包括：

S31、重復(fù)步驟S21將視點坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)到以線向量L為Z軸的坐標(biāo)空間中；

S32、在轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)空間中，根據(jù)步驟S22中計算出來的標(biāo)志牌邊界頂點坐標(biāo)，連接視點與各頂點的連線，計算該連線與視點和標(biāo)志牌中心的連線間的夾角，然后計算并找出最大的夾角α；

S33、在原坐標(biāo)空間中，以視點與標(biāo)志牌中心的連線為方向，以α為視角角度形成一個視錐體，此時視錐體內(nèi)的點云即為可能與標(biāo)志牌之間產(chǎn)生遮擋的點云，判斷視點和視錐體內(nèi)的點云的連線與視點和標(biāo)志牌中心的連線形成的夾角是否大于α，若＞α則舍棄，若≤α則進行下一步；

S34、計算視點和視錐體內(nèi)點云的連線與標(biāo)志牌的所在平面的交點，該交點點云記為Cloud1，使用四元素方法將點云Cloud1旋轉(zhuǎn)到以線向量L為Z軸的坐標(biāo)空間中，坐標(biāo)變換后的點云記為Cloud2；

S35、將點云Cloud2投影到XOY平面上(此時XOY平面即過標(biāo)志牌點云中心與線向量L垂直的平面)，通過射線法判斷Cloud2投影點云的點是否在步驟S22中計算出來的標(biāo)志牌投影點云的邊界內(nèi)部，若該點在內(nèi)部則視為交點，否則舍棄該點，獲得的交點點云集記為Cloud3；

S36、使用alpha—shape算法計算點云Cloud3的邊界，根據(jù)Cloud3的邊界的頂點，使用多邊形面積公式計算出交點點云的面積；

S37、計算交點點云邊界與步驟S24中計算出的標(biāo)志牌的面積比值，用1減去該比值即為該視點處的空間可見度。

如圖7所示的是步驟S3(即空間可見度的計算)流程框圖。圖8-圖10則依次為步驟S35中：交點點云計算俯視結(jié)果、交點點云計算側(cè)視結(jié)果及遮擋點云計算結(jié)果圖。圖11為Cloud3的邊界和標(biāo)志牌邊界的計算結(jié)果。

S4、計算標(biāo)志牌在視點的空間可視度：該點的空間可視度即為該點的可視場強度與該點的空間可見度的乘積。

S5、計算標(biāo)志牌的可視場：

以標(biāo)志牌中心為球心，觀測距離R為半徑，建立球體模型，取標(biāo)志牌正面所朝向的正半球面，θ、分別為水平和垂直方向的夾角，根據(jù)球的參數(shù)方程則有，

將球面點云利用四元素坐標(biāo)變換方法將球面點云旋轉(zhuǎn)到標(biāo)志牌的正前方。存儲正半球面上所有視點的球面坐標(biāo)，重復(fù)步驟S2-S4，計算各視點的空間可見度，建立觀測距離為R時的標(biāo)志牌的可視場模型。

如圖12所示的是存儲的球面視點點云示意圖。如圖13所示的是可視場中基準(zhǔn)視點為10米，可視場半徑為13米，水平和垂直角度均為6度的顯示結(jié)果，左圖為無遮擋時的顯示結(jié)果，右圖為有遮擋時的顯示結(jié)果。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。