本發(fā)明涉及地圖制圖，特別是指一種顧及室內(nèi)曲面結(jié)構(gòu)的室內(nèi)三維重建方法。

背景技術(shù)：

1、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)快速發(fā)展，建筑物數(shù)量大幅增加，人類室內(nèi)活動(dòng)顯著增長(zhǎng)。建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)大型化、復(fù)雜化趨勢(shì)，匯集各種生產(chǎn)、生活用品，室內(nèi)三維建模勢(shì)在必行。隨著激光硬件與移動(dòng)式掃描設(shè)備的不斷普及，基于三維激光掃描產(chǎn)生的三維點(diǎn)云已成為獲取室內(nèi)場(chǎng)景信息的重要方式，如何通過三維點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)室內(nèi)實(shí)景建模已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。然而，目前建模方法，一般針對(duì)室外平面結(jié)構(gòu)，針對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景尤其是含有曲面結(jié)構(gòu)的室內(nèi)場(chǎng)景，尚無良好的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出一種顧及室內(nèi)曲面結(jié)構(gòu)的室內(nèi)三維重建方法。該方法基于三維點(diǎn)云進(jìn)行室內(nèi)三維重建，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)曲面結(jié)構(gòu)，尤其是圓柱形曲面結(jié)構(gòu)的三維重建，可快速、有效、高精度的實(shí)現(xiàn)室內(nèi)場(chǎng)景重建，滿足復(fù)雜室內(nèi)場(chǎng)景導(dǎo)航與建模需求。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種顧及室內(nèi)曲面結(jié)構(gòu)的室內(nèi)三維重建方法，包括以下步驟；

4、步驟1，輸入室內(nèi)三維點(diǎn)云，基于超體素分割方法將室內(nèi)三維點(diǎn)云分割為室內(nèi)平面超體素集合s和室內(nèi)曲面點(diǎn)集合c；

5、步驟2，針對(duì)室內(nèi)平面超體素集合s，基于改進(jìn)的超體素隨機(jī)采樣一致性方法擬合平面模型，構(gòu)建平面模型集合；

6、步驟3，以室內(nèi)曲面點(diǎn)集合c內(nèi)的各個(gè)曲面點(diǎn)為單元，以圓柱、球型為幾何單形，基于隨機(jī)采樣一致性方法擬合曲面模型，構(gòu)建曲面模型集合；

7、步驟4，將平面模型集合與曲面模型集合投影到2d平面，將2d平面分割為二維單元集合；

8、步驟5，基于疊加分析和馬爾可夫場(chǎng)構(gòu)建二維單元集合到室內(nèi)房間的多對(duì)多映射，構(gòu)建室內(nèi)二維平面圖；

9、步驟6，基于約束delaunay三角化方法，將室內(nèi)二維平面圖構(gòu)建為室內(nèi)三維模型，完成顧及室內(nèi)曲面結(jié)構(gòu)的室內(nèi)三維重建。

10、進(jìn)一步地，步驟2的具體方式為：

11、步驟2.1，設(shè)置角度閾值，距離閾值與數(shù)目閾值，構(gòu)建平面模型集合；

12、步驟2.2，針對(duì)室內(nèi)平面超體素集合s中的每一個(gè)室內(nèi)平面超體素，計(jì)算其曲率值，按照曲率值從小到大的順序?qū)λ惺覂?nèi)平面超體素進(jìn)行排序；

13、步驟2.3，選取曲率值最小的室內(nèi)平面超體素，計(jì)算其中心點(diǎn)和法向量，并根據(jù)中心點(diǎn)和法向量建立對(duì)應(yīng)的平面模型，將當(dāng)前選取的室內(nèi)平面超體素記為平面模型的一個(gè)內(nèi)斂超體素；

14、步驟2.4，遍歷其余室內(nèi)平面超體素，若選取到的室內(nèi)平面超體素與平面模型的法向量夾角小于角度閾值，且在平面模型法向量上的距離小于距離閾值，則將當(dāng)前選取到的室內(nèi)平面超體素記為平面模型的一個(gè)內(nèi)斂超體素；

15、步驟2.5，如果平面模型的內(nèi)斂超體素?cái)?shù)量大于數(shù)目閾值則保留當(dāng)前平面模型，否則刪去當(dāng)前平面模型；

16、步驟2.6，針對(duì)不屬于任意平面模型內(nèi)斂超體素的室內(nèi)平面超體素，重復(fù)執(zhí)行步驟2.3～步驟2.5，直至所有室內(nèi)平面超體素均被記為某一對(duì)應(yīng)平面模型的內(nèi)斂超體素；

17、步驟2.7，將內(nèi)斂超體素?cái)?shù)量最多的平面模型存入平面模型集合ps中，并將該平面模型對(duì)應(yīng)的內(nèi)斂超體素從室內(nèi)平面超體素集合s刪去；刪去其余平面模型；

18、步驟2.8，重復(fù)步驟2.2～步驟2.7，直至平面模型集合ps中的平面模型不再增加。

19、進(jìn)一步地，步驟4的具體方式為：

20、步驟4.1，根據(jù)室內(nèi)三維點(diǎn)云的坐標(biāo)最大值與最小值，形成2d邊界范圍；

21、步驟4.2，將平面模型集合ps投影到2d平面，每個(gè)線段延長(zhǎng)為直線，并選擇其中的相似直線進(jìn)行刪除；具體的，選擇其中的相似直線進(jìn)行刪除執(zhí)行以下步驟：

22、步驟4.2.1，針對(duì)直線與直線，代入以下公式進(jìn)行計(jì)算：

23、；

24、；

25、其中，表示取模，與分別為直線與直線的矢量朝向，表示矢量點(diǎn)乘，arccos表示反余弦函數(shù)；

26、步驟4.2.2，若上述兩公式均成立，則判定直線與直線為相似直線，并任選其中一條直線進(jìn)行刪除，否則判定直線與直線為非相似直線；

27、步驟4.3，將曲面模型集合中的圓柱集合投影到2d平面，并刪除近似圓；

28、步驟4.4，根據(jù)所有延長(zhǎng)線與圓線，將2d邊界范圍切分為二維單元集合。

29、進(jìn)一步地，步驟5的具體方式為：

30、步驟5.1，將室內(nèi)三維點(diǎn)云投影到2d平面，所述室內(nèi)三維點(diǎn)云離散化為二維投影柵格圖；

31、步驟5.2，利用形態(tài)學(xué)房間分割方法對(duì)二維投影柵格圖進(jìn)行分割，形成二維房間分割圖；

32、步驟5.3，在步驟4.1形成的2d邊界范圍內(nèi)，生成隨機(jī)點(diǎn)集，隨機(jī)點(diǎn)集中的每個(gè)隨機(jī)點(diǎn)根據(jù)自身位置對(duì)應(yīng)二維房間分割圖中的一個(gè)房間，并對(duì)應(yīng)二維單元集合中的一個(gè)二維單元；

33、步驟5.4，根據(jù)隨機(jī)點(diǎn)集，計(jì)算將二維單元對(duì)應(yīng)至房間的概率：

34、；

35、其中，為二維單元集合中的第i個(gè)二維單元，i=1,2,3,……,m，m為二維單元集合中的二維單元數(shù)量；表示二維房間分割圖中的第t個(gè)房間，t=1,2,3,……,k，k為二維房間分割圖中的房間數(shù)量；表示隨機(jī)點(diǎn)集中對(duì)應(yīng)第i個(gè)二維單元且對(duì)應(yīng)第t個(gè)房間的隨機(jī)點(diǎn)的數(shù)量；表示隨機(jī)點(diǎn)集中對(duì)應(yīng)第i個(gè)二維單元的隨機(jī)點(diǎn)的數(shù)量；將計(jì)算概率最大時(shí)的記為二維單元的初步對(duì)應(yīng)房間；

36、步驟5.5，利用α擴(kuò)張優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)以下公式的最小化，得到最終的m行k列矩陣，進(jìn)而得到二維單元集合中每個(gè)二維單元的最終對(duì)應(yīng)房間：

37、；

38、其中，x為優(yōu)化變量，且x為m行k列矩陣，矩陣x中的每一行元素都包括一個(gè)1與k-1個(gè)0；表示矩陣x中的第i行第t列元素，表示二維單元的面積，nei為二維單元集合中的兩兩鄰接二維單元對(duì)集合，為兩兩鄰接二維單元對(duì)集合nei中的二維單元對(duì)數(shù)量，與為兩兩鄰接二維單元對(duì)集合nei中的一對(duì)兩兩鄰接二維單元，j,q=1,2,3,……,m，與分別為二維單元與的初步對(duì)應(yīng)房間，若，則=1，=0，否則=0，=1；表示二維單元與之間的墻面，表示墻面在2d平面的面積；

39、最終得到的優(yōu)化變量x即為m行k列矩陣，若矩陣的第i行第t列元素的值為1，則表示二維單元最終對(duì)應(yīng)二維房間分割圖中的第t個(gè)房間；

40、步驟5.6，將對(duì)應(yīng)同一房間的二維單元標(biāo)記相同顏色，對(duì)應(yīng)不同房間的二維單元標(biāo)記不同顏色，輸出室內(nèi)二維平面圖。

41、進(jìn)一步地，步驟6的具體方式為：

42、步驟6.1，利用步驟5.6中生成的室內(nèi)二維平面圖，結(jié)合每一個(gè)房間區(qū)域內(nèi)的室內(nèi)三維點(diǎn)云，通過豎直方向的點(diǎn)云高程直方圖求取每個(gè)房間的高度，并根據(jù)室內(nèi)二維平面圖在鄰接房間之間的墻面上標(biāo)記門的位置；

43、步驟6.2，利用約束delaunay三角化方法，將室內(nèi)的天花板、墻面、門和地板進(jìn)行三角化，構(gòu)建最終的室內(nèi)三維模型，并以矢量mesh網(wǎng)格形式輸出，完成顧及室內(nèi)曲面結(jié)構(gòu)的室內(nèi)三維重建。

44、由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于：

45、1、本發(fā)明基于三維點(diǎn)云進(jìn)行室內(nèi)三維重建，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)曲面結(jié)構(gòu)，尤其是圓柱形曲面結(jié)構(gòu)的三維重建，完善了室內(nèi)建模領(lǐng)域的三維建模方案。

46、2、本發(fā)明基于3d-2d投影規(guī)律，將室內(nèi)場(chǎng)景重建看作室內(nèi)單元到室內(nèi)房間標(biāo)簽之間的多對(duì)多映射，并通過α擴(kuò)張優(yōu)化算法解決該問題。構(gòu)建了基于室內(nèi)三維點(diǎn)云的室內(nèi)場(chǎng)景重建框架，可快速、有效、高精度的實(shí)現(xiàn)室內(nèi)場(chǎng)景重建，該發(fā)明同樣適用于室內(nèi)定位和室內(nèi)測(cè)圖。