三維實物局部型面特征參考數(shù)據(jù)的獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種三維實物局部型面特征參考數(shù)據(jù)的獲取方法，屬于產(chǎn)品逆向工程領(lǐng)域，可解決三維實物局部型面特征參考數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性問題，其特征在于：為從三維實物表面獲取的三維點云數(shù)據(jù)構(gòu)建R樹空間索引結(jié)構(gòu)；獲取目標(biāo)點的k近鄰點集，并對其進行主元分析；根據(jù)它的主元分析結(jié)果擴展搜索球半徑，并搜搜第二主元方向的新的數(shù)據(jù)點；將數(shù)據(jù)信息缺失的方向的數(shù)據(jù)點加入近鄰點集中，從而獲取目標(biāo)點的局部型面特征參考數(shù)據(jù)。該方法可準(zhǔn)確獲取三維實物點云數(shù)據(jù)分布均勻與非均勻處的局部型面特征參考數(shù)據(jù)。
【專利說明】
三維實物局部型面特征參考數(shù)據(jù)的獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明提供一種三維實物局部型面特征參考數(shù)據(jù)的獲取方法，屬于產(chǎn)品逆向工程 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 良好的局部型面特征分析可用于優(yōu)化法向量估計、邊界點與棱邊點提取、三角網(wǎng) 格細分、曲面重建等相關(guān)算法，因此在逆向工程、零件缺陷修復(fù)、古建筑與古物修復(fù)、醫(yī)學(xué)圖 像分析等領(lǐng)域具有十分重要的作用。局部型面特征分析最重要的是局部參考數(shù)據(jù)的選取， 因此，準(zhǔn)確快速獲取局部參考數(shù)據(jù)將是至關(guān)重要的。
[0003] 對于目前局部參考數(shù)據(jù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，目前主要將k近鄰點集作為局部參考數(shù) 據(jù)，主要有Les等在學(xué)術(shù)期刊《Computer-Aided Design》2002,34(2)，167-172上發(fā)表的學(xué)術(shù) 論文"Algorithm for finding all k nearest neighbor"、衛(wèi)諱等在學(xué)術(shù)期刊《航空學(xué)報》 2006，27 (5 )，944-948上發(fā)表的學(xué)術(shù)論文"一種快速搜索海量數(shù)據(jù)集k-近鄰空間球算法"、 Zhao等在學(xué)術(shù)期刊《Tsinghua Science & Technolgoy》2009,14,77_81上發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 "An improved algorithm for k-nearest-neighbor finding and surface normals estimation"中，基于柵格空間索引結(jié)構(gòu)，以目標(biāo)點為球心、特定距離為半徑構(gòu)造搜索空間 (搜索球或搜索立方體），逐步獲取k近鄰點集。劉宇等在學(xué)術(shù)期刊《上海交通大學(xué)學(xué)報》 2001，35(9)，1298-1302上發(fā)表的學(xué)術(shù)論文"空間k近鄰查詢的新策略"中以R樹為空間索引 結(jié)構(gòu)，基于目標(biāo)點與結(jié)點包圍盒的最小距離、最小最大距離制定了各種剪枝策略，從根結(jié)點 遍歷至葉結(jié)點，繼而獲取k近鄰點集。
[0004] 對于分布比較均勻的點集，目標(biāo)點的k近鄰點集能夠有效反映局部型面特征，但由 于三維掃描儀等設(shè)備本身或者人員誤操作的問題，導(dǎo)致獲取的點云數(shù)據(jù)往往呈不均勻分 布，而k近鄰點集為空間位置上的最近點，若k值過小，k近鄰點集并不能夠滿足局部型面特 征分析的需求，將導(dǎo)致法向量估計、邊界樣點提取、三角網(wǎng)格細分、曲面重建等的結(jié)果不準(zhǔn) 確。
[0005] 綜上所述，現(xiàn)在技術(shù)存在的缺陷是:受點云分布不均勻影響，k近鄰點集并不能有 效代表局部型面特征參考數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種三維實物局部型面特征參考數(shù)據(jù)的獲取方法，利用R 樹的k近鄰查詢方法獲取目標(biāo)點的k近鄰點集，并根據(jù)k近鄰點集的主元分析結(jié)果向數(shù)據(jù)信 息缺失的方向擴展以獲取目標(biāo)點的局部型面特征參考數(shù)據(jù)，其技術(shù)方案為： 一種三維實物局部型面特征參考數(shù)據(jù)的獲取方法，其特征在于步驟依次為:一、為三維 點云數(shù)據(jù)構(gòu)建R樹空間索引結(jié)構(gòu);二、應(yīng)用R樹的k近鄰查詢方法獲取目標(biāo)點p的k近鄰點集T; 三、根據(jù)T的主元分析結(jié)果擴展搜索范圍并查詢目標(biāo)點的局部型面特征參考數(shù)據(jù)，其具體步 驟為:a)計算p到T中最遠點的距離r;b)應(yīng)用主元分析方法得到點集T的各個主元方向；c) 以T的第二主元方向為法向且過點p構(gòu)建分割平面F;d)利用F將T分割為兩個點集，設(shè)其中 包含點數(shù)較少的點集為!^，另一點集為T2;e)若^與!1的點數(shù)比例a小于點數(shù)閾值r，則令^ 為（l+a)r;f)通過R樹的范圍查詢方法獲取落入以目標(biāo)點為中心、距離在區(qū)間[r，？」]內(nèi) 的點集L，將L添加到T中，返回a) ;g)若^>7,則目標(biāo)點的局部型面特征參考數(shù)據(jù)查詢結(jié) 束。
[0007] 為實現(xiàn)發(fā)明目的，所述的一種三維實物局部型面特征參考數(shù)據(jù)的獲取方法，其特 征在于步驟三中的步驟f)中的，以小點集Ti及其與T的點數(shù)比例a為條件過濾點集L，其步驟 具體為：（1)刪除Z中與h位于分割平面F同側(cè)的數(shù)據(jù)點，若Z為空，則令r為f;(2)若r>2r〇， 則停止擴展搜索范圍，71卩為目標(biāo)點的局部型面特征參考數(shù)據(jù)，其中r Q為目標(biāo)點/7與其k近鄰 點集的最大距離；（3)擴展搜索球S半徑，為（1+3)^搜索以目標(biāo)點p為中心、距離在[r， ]內(nèi)的點集L，返回（1);⑷若L不為空，若/3>(l-2a)A/2，/3為沖的點數(shù)，則令η為（l-2a) ?/2， ?為點集Τ中的點數(shù)，將Ζ中的數(shù)據(jù)點按其與/7的距離升序排序，只保留Ζ中前η個數(shù)據(jù)點，點集 L獲取結(jié)束。
[0008] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點： (1) 主元分析可準(zhǔn)確獲取k近鄰點集數(shù)據(jù)信息缺失的方向，并向該方向搜索新的近鄰 點，使得獲取的局部型面特征參考數(shù)據(jù)盡可能包含目標(biāo)點周圍所有方向的數(shù)據(jù)信息，從而 使得局部型面特征參考數(shù)據(jù)可有效體現(xiàn)目標(biāo)點局部型面特征； (2) 根據(jù)第二主元平面分割點集的點數(shù)比例擴展搜索包圍球，使得各樣點能夠自適應(yīng) 查詢目標(biāo)點的局部型面特征參考數(shù)據(jù)，并設(shè)置搜索半徑的最大閾值，有效避免了邊界、棱邊 處點的無限查詢以及不同零件表面的越界查詢； (3) 主元分析導(dǎo)向自適應(yīng)擴展優(yōu)化了k近鄰點集，使之能夠有效代表目標(biāo)點局部型面 特征，從而可用于后續(xù)相關(guān)算法的優(yōu)化，如法向量估計、邊界點與棱邊點提取、三角網(wǎng)格細 分及曲面重建等算法。
【附圖說明】
[0009] 圖1是利用本發(fā)明方法獲取三維實物局部型面特征參考數(shù)據(jù)的程序流程圖； 圖2是實施局部型面特征參考數(shù)據(jù)查詢試驗所采用的實物表面點云一一機械零部件點 云及均勾分布處樣點八非均勾分布處樣點 圖3是實施局部型面特征參考數(shù)據(jù)查詢試驗所采用的實物表面點云一一葉輪點云及均 勾分布處樣點八非均勾分布處樣點 圖4與圖5分別是采用R樹的k近鄰查詢方法與本發(fā)明方法為機械零部件點云局部樣點P 查詢局部型面特征參考數(shù)據(jù)的結(jié)果圖； 圖6與圖7分別是采用R樹的k近鄰查詢方法與本發(fā)明方法為機械零部件點云局部樣點0 查詢局部型面特征參考數(shù)據(jù)的結(jié)果圖； 圖8與圖9分別是采用R樹的k近鄰查詢方法與本發(fā)明方法為葉輪點云局部樣點/?詢局 部型面特征參考數(shù)據(jù)的結(jié)果圖； 圖10與圖11分別是采用R樹的k近鄰查詢方法與本發(fā)明方法為葉輪點云局部樣點遊詢 局部型面特征參考數(shù)據(jù)的結(jié)果圖； 圖12是在曲面重建過程中利用R樹的k近鄰查詢方法查詢局部型面特征參考數(shù)據(jù)的機 械零部件曲面重建結(jié)果圖； 圖13是在曲面重建過程中利用本發(fā)明方法查詢局部型面特征參考數(shù)據(jù)的機械零部件 曲面重建結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0011] 利用本發(fā)明方法獲取三維實物局部型面特征參考數(shù)據(jù)的程序流程圖如附圖1所 示，程序?qū)崿F(xiàn)所用語言為C。該程序主要流程為:獲取目標(biāo)點P的k近鄰點集T，計算k近鄰點集 包圍球半徑為1?，并令r為r〇，r為初始搜索球半徑;利用主元分析方法獲取T的各個主元方 向；以T的第二主元方向為法向且過p構(gòu)建分割平面S，并利用S分割T為兩個點集，設(shè)包含點 數(shù)較少的點集為!^，另一點集為T 2;若Ι?Τ點數(shù)比例a小于閾值，則擴展搜索包圍球半徑7?為 (l+a)r;得到以p為中心、距離在[r，7?]內(nèi)的點集L，并將L中與^同側(cè)的點添加到T中；令r為 友，繼續(xù)分割T，直至點數(shù)比例大于閾值或r>2ii)為為止。
[0012] 如圖2所示，采用光柵投影式三維測量儀獲取實施局部型面特征參考數(shù)據(jù)查詢試 驗所采用的實物表面樣點一一機械零部件點云，并從點云均勻分布處、非均勻分布處提取 局部樣點八認
[0013] 如圖3所示，采用光柵投影式三維測量儀獲取實施局部型面特征參考數(shù)據(jù)查詢試 驗所采用的實物表面樣點一一葉輪點云，并從點云均勻分布處、非均勻分布處提取局部樣 點八認
[0014] 分別采用R樹的k近鄰查詢方法與本發(fā)明方法為機械零部件點云與葉輪點云的樣 點八詢近鄰點集，其中做15,圖4與圖5分別是機械零部件點云中樣點/?勺兩種局部型面 特征參考數(shù)據(jù)的結(jié)果圖，圖6與圖7分別是機械零部件點云中樣點游]兩種局部型面特征參 考數(shù)據(jù)的結(jié)果圖，圖8與圖9分別是葉輪點云中樣點/?勺兩種局部型面特征參考數(shù)據(jù)的結(jié)果 圖，圖10與圖11分別是葉輪點云中樣點游]兩種局部型面特征參考數(shù)據(jù)的結(jié)果圖。由圖4-圖 11可知，在均勻分布處，兩種方法獲取的局部型面特征參考數(shù)據(jù)均能有效體現(xiàn)局部型面特 征，而在非均勻分布處，本發(fā)明方法獲取的局部型面特征參考數(shù)據(jù)更為有效體現(xiàn)局部型面 特征。
[0015] 利用增量式曲面重建算法為機械零部件重建曲面，在重建過程中分別利用k近鄰 查詢與本發(fā)明方法查詢目標(biāo)點的局部型面特征參考數(shù)據(jù)，其中女取15,兩種方法的重建效果 分別如圖12與圖13所示。由圖12、圖13所示，利用k近鄰查詢方法查詢局部型面特征參考數(shù) 據(jù)時重建的曲面出現(xiàn)孔洞，而利用本發(fā)明方法查詢目標(biāo)點的局部型面特征參考數(shù)據(jù)時重建 的曲面比較完整且無孔洞。
[0016] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任 何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等 效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所 作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種Ξ維實物局部型面特征參考數(shù)據(jù)的獲取方法，其特征在于步驟依次為:一、為Ξ 維點云數(shù)據(jù)構(gòu)建財對空間索引結(jié)構(gòu);二、應(yīng)用財對的k近鄰查詢方法獲取目標(biāo)點Ρ的k近鄰點集 Τ;Ξ、根據(jù)T的主元分析結(jié)果擴展捜索范圍并查詢目標(biāo)點的局部型面特征參考數(shù)據(jù)，其具體 步驟為:a)計算Ρ到Τ中最遠點的距離r;b)應(yīng)用主元分析方法得到點集Τ的各個主元方向； C) WT的第二主元方向為法向且過點P構(gòu)建分割平面F;d)利用F將T分割為兩個點集，設(shè)其 中包含點數(shù)較少的點集為Ti，另一點集為T2;e)若Τι與T的點數(shù)比例a小于點數(shù)闊值石，則令 ;，>為（1+3)。門通過財對的范圍查詢方法獲取落入W目標(biāo)點為中屯、、距離在區(qū)間山，戶]內(nèi) 的點集L，將L添加到T中，返回a) ;g)若^> Γ，則目標(biāo)點的局部型面特征參考數(shù)據(jù)查詢結(jié) 束。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Ξ維實物局部型面特征參考數(shù)據(jù)的獲取方法，其特征在 于步驟Ξ中的步驟f)中的，W小點集Τι及其與T的點數(shù)比例a為條件過濾點集L，其步驟具體 為：（1)刪除中與Τι位于分割平面F同側(cè)的數(shù)據(jù)點，若Z為空，則令r為尸；（2)若r〉2iT)，則停 止擴展捜索范圍，巧P為目標(biāo)點的局部型面特征參考數(shù)據(jù)，其中iD為目標(biāo)點/7與其k近鄰點集 的最大距離；（3)擴展捜索球S半徑ft為（l+a)r，捜索W目標(biāo)點P為中屯、、距離在b, rH內(nèi) 的點集L，返回（1);(4)若Z不為空，若n〉（l-2aU/2，n為Z中的點數(shù)，則令η為（l-2a)i/2,幼 點集T中的點數(shù)，將沖的數(shù)據(jù)點按其與/7的距離升序排序，只保留沖前η個數(shù)據(jù)點，點集L獲 取結(jié)束。
【文檔編號】G06K9/62GK106096618SQ201610437507
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】孫殿柱, 聶樂魁, 李延瑞, 郭洪帥
【申請人】山東理工大學(xué)