[发明专利]半封闭空间场景的三维点云数据法向全局一致化方法

权利要求书

1.一种半封闭空间场景的三维点云数据法向全局一致化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算点云数据主方向；

步骤2：计算点云数据法向全局一致方向；

具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：根据输入的体素大小将点云数据所占据的三维空间体素化，忽略没有点在其中的体素，剩下每个体素的法向由其中的点计算得到；

步骤2.2：对体素按法向主方向进行配对；

步骤2.3：根据配对的法向主方向构建法向全局一致化能量优化方程；

所述法向全局一致化能量优化方程E_label(L)为：

其中，L＝{-1,+1}，对于每个节点最终确定的标记方向L_i，该节点对应体素的法向量为n_i←L_i·n_i，p∈P,pm∈P，(p，pm)∈pair_i表示体素节点p和pm在法向i主方向上构成一对，i为法向主方向(X，Y，Z)标记，i＝0，1，2，X＝0，Y＝1，Z＝2；体素集合P，λ为常数，(p,q)∈ε表示两个相邻体素，ω_∠p,q则为相邻体素法向量夹角余弦的绝对值；ρ表示Potts模型，当L_p≠L_q时，ρ取0值，反之，ρ取1；n_p,i表示节点p在法向i方向上的分量；

步骤2.4：采用优化方程求解能量最小化方程，得到每个体素的法向量方向；

步骤2.5：将体素的法向方向赋予包含其中的点的法向，从而得到点云的法向量方向。

2.根据权利要求1所述的半封闭空间场景的三维点云数据法向全局一致化方法，其特征在于，步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：计算点云数据(X,Y,Z)法向，并进行平面聚类；其中，X,Y,Z表示点的三维坐标；

步骤1.2：将单位半球划分为n份；

步骤1.3：将平面内点数作为加权频数，统计平面法向的方向直方图；

步骤1.4：将直方图中最大频数组内平面法向平均值置为第一个主方向，在距离该方向80°～100°范围内找到频数最大的组，将组内方向的平面法向平均值视为第二个主方向，同理在距离第一、二个主方向80°～100°范围内找到第三个主方向；

步骤1.5：根据主方向，根据公式(1)将三维点云旋转至计算得到的主方向；

式中，T_4×4为4×4的变换矩阵，由步骤1.4中三个旋转角度计算得到；点云的位置和法向量均通过公式(1)进行计算，T为4×4向量，P为4×1向量，P'为4×1向量，当P为空间坐标(x,y,z,1)^T时，直接利用公式(1)T_4×4中的平移旋转部分向量相乘得到变换后的位置P'；类似的，当P为法向量(nx,ny,nz,1)^T时，利用T_4×4的旋转部分相乘得到旋转后的法向量P'，此时没有平移。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的半封闭空间场景的三维点云数据法向全局一致化方法，其特征在于，还包括步骤3：优化平面内点法向；具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：统计平面内点的法向，比较与平面法向方向一致的内点数量以及与平面法向方向不一致的内点数量；

步骤3.2：根据具有较大数量的方向确定平面方向；

步骤3.3：利用平面方向更新所有内点方向；

更新方法为：如果内点方向与平面方向不一致，也就是法向量点积为负，将内点法向量乘以-1，或直接将平面法向赋予内点；

步骤3.4：将点云旋转到原始方向或根据点云ID号赋予原始点云新的法向方向，最终得到具有全局一致法向方向的点云。