[发明专利]一种基于三维特征提取的快速逆向建模方法

权利要求书

1.一种基于三维特征提取的快速逆向建模方法，其特征在于在拼接测量过程中同时进行快速逆向建模，包括以下步骤：

(1)进行单个视场三维测量，得到大型结构件局部单视场三维点云；

(2)删除单视场三维点云的噪声点，然后采用二次曲面拟合的方法对三维点云进行滤波补偿。

(3)对滤波后的单视场三维点云进行平面拟合并计算点云法向量；

(4)使用曲面拟合计算单视场三维点云中每个点的曲率；

(5)以三维点云数据的曲率和法向量作为信息，提取点云数据的线、面等几何特征，以这些特征作为约束条件，对点云进行分割；

(6)通过拼接测量实现大型结构件完整三维点云获取，将所有视场分割后的三维点云合并成统一的数据。

(7)对大型结构件的完整三维点云进行曲面模型拟合，通过曲面的延伸、裁剪建立独立曲面之间的拓扑关系，最后缝合不同曲面，实现曲面重构。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维特征提取的快速逆向建模方法，其特征在于：步骤(1)在进行过程中，同时进行步骤(2)～(6)，即(2)～(6)在对当前单视场三维点云处理的同时，进行步骤(1)，对下一个视场进行三维测量，实现拼接测量与快速逆向建模并行。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维特征提取的快速逆向建模方法，其特征在于：所述的(2)采用邻域取距离均值的方法删除噪声点，首先搜索邻近点，然后计算当前点与邻近点距离的平均值，对整个点云遍历上述操作，得到所有点云与邻近点距离的平均值。计算整个点云的平均距离，根据设定的阈值条件，判断噪声点并对其进行删除。随机误差不属于噪声点，对随机误差的处理采用曲面拟合的方法，首先搜索邻近点云，以二次曲面方程为目标进行拟合，以拟合结果代替原始值，实现点云滤波。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维特征提取的快速逆向建模方法，其特征在于：所述的(3)对点云进行邻近点搜索，得到每个点的邻近点集并采用最小二乘法拟合局部平面，以局部平面的法向量作为该点的法向量。首先搜索邻近点，以这些邻近点构造最小二乘平面作为该点的切平面，并计算切平面的单位法向量，作为点的法向量。平面拟合计算的法向量存在两个方向，根据相邻点法向量的点积对法向量进行调整，使其指向相同方向。

5.根据权利要求1所述的一种基于三维特征提取的快速逆向建模方法，其特征在于：所述的(4)在点的邻域中构造二次参数曲面方程，拟合局部二次曲面。在拟合曲面之前，先对原始点云进行调整，使其主方向同Z轴正方向重合。最后根据拟合的曲面，计算点的高斯曲率、平均曲率和主曲率。按上述方法遍历点云数据，通过设置阈值，取出曲率大于阈值的特征点。

6.根据权利要求1所述的一种基于三维特征提取的快速逆向建模方法，其特征在于：所述的(5)根据点云的几何特征对点云进行特征提取和分割。点云的线特征可分为曲面之间的边界线和相交线。边界线使用边界提取法进行提取，遍历点云数据，以邻近点搜索建立邻近点集并进行姿态标准化。将标准化后的点云投影到以当前点为原点的平面上，将该平面划分为八个区域，分别统计每个区域点云的个数，当两个以上相连通区域内点云个数少于阈值，将点标记为边界点。相交线采用曲率阈值的方法进行提取，计算所有点的平均曲率绝对值的平均值，乘上一个系数作为阈值，遍历点云数据，将平均曲率大于阈值的点标记为特征点。以提取出的特征点作为约束，采用曲率与法向量结合的区域生长法完成点云的初步分割，最后遍历初步分割得到的数据子集，通过计算每一数据子集中的点与其邻域内还未被标记点的法向量夹角，当夹角小于给定阈值时，则将该未标记点划入相应的数据子集内，完成点云的分割。

7.根据权利要求1所述的一种基于三维特征提取的快速逆向建模方法，其特征在于：所述的(6)根据单视场点云数据分割结果，对分割后的点云进行拼接。以当前视场中分割的面片作为基准，与下一个视场中的面片进行比较，若两个面片法向量之间的夹角满足阈值且距离满足阈值则合并两个面片，若夹角不满足阈值则重新选取面片进行比较。采用递归拼接的方法，将拼接好的两个视场作为输入，与下一个视场进行拼接，结果再作为输入，直到所有视场数据都合并完成。