[发明专利]一种基于点云数据的室内空间布局提取方法

说明书

本发明提出了一种基于点云数据的室内空间布局提取方法。本发明输入三维点云、计算三维点云的主方向，并将三维点云旋转至主方向得到旋转后三维点云；根据旋转后三维点云计算室内场景的三维空间内外分布图；分割属于内部的体素集得到房间的布局；对标记为不同房间的各体素子集进行聚类得到楼层的分布。本发明能够处理不同来源的三维点云数据，对于多楼层、倾斜屋顶等复杂室内场景的数据同样有效。

技术领域

本发明涉及三维点云数据处理领域，尤其涉及一种利用室内场景获取的点云自动提取室内空间布局的方法。

背景技术

建立室内环境的数字化描述对建造施工、室内应急以及机器人应用领域具有重要作用。一方面建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)被越来越多的设计建造商所采用，但是随着时代快速发展，室内装饰也呈现快速更迭的趋势，缺乏具有现势性的BIM数据；另一方面，大量已经存在的建筑缺乏BIM。因此，建筑的运营管理维护方越来越需要具有现势性的BIM。很多技术可用来获取室内环境的三维数据，例如激光扫描、深度相机、多传感器集成等技术，这些技术获取的数据形式中，点云是一种非常典型的数据，且越来越受到建造施工以及室内机器人领域的重视。当前大多数利用点云数据自动建立室内三维模型的方法存在诸多限制条件：单一房间、单一楼层、屋顶水平、墙面互相垂直等。在多楼层多房间的室内场景中，经过楼层和房间分割处理后的点云数据可以显著降低建模难度、并极大的减少后续自动建模的计算量。室内机器人领域多采用二维栅格图来规划机器人路径，栅格图中区分空间占用和不占用两类。其他领域则尝试直接从点云数据中得到房间的布局，例如根据点云获取时扫描仪的位置进行标记和分割，或将屋顶部分的点云切割投影至水平面得到栅格图进而采用与机器人领域类似的方法进行处理。显然，这些方法不仅忽略了室内房间的三维空间特性，而且过多依赖于场景的假设，没有这些假设，方法无法得到令人满意的房间分割结果。此外，楼层的分割多采用点云分布直方图，其前提依然是屋顶和地面的水平以及其良好的可视性。但这类方法对于跨层、地面遮挡过多等场景无能为力。

发明内容

本发明目的在于探寻一种利用三维点云数据自动生成室内空间布局的方法，既可得到房间分割的结果，又可得到楼层的布局，为解决上述问题，研究室内场景和三维点云的特点，并提出科学合理的室内空间布局提取方法，为三维点云数据应用于室内结构建模、BIM数据生产提供新的解决方案。

本发明的技术方案为一种基于点云数据的室内空间布局提取方法，包括以下步骤：

步骤1：输入三维点云、计算三维点云的主方向，并将三维点云旋转至主方向得到旋转后三维点云：

步骤2：根据旋转后三维点云计算室内场景的三维空间内外分布图；

步骤3：分割属于内部的体素集得到房间的布局；

步骤4：对标记为不同房间的各体素子集进行聚类得到楼层的分布；

作为优选，步骤1所述三维点云的定义为：

data_k(x_k,y_k,z_k)，k∈[1,K]

其中，K为三维点云中点的数量，data_k(x_k,y_k,z_k)为三维点云中第k个点，(x_k,y_k,z_k)为三维点云中第k个点的空间坐标；

步骤1所述计算三维点云的主方向，具体为：

步骤1.1：所述输入的三维点云的Z轴方向朝上，且与室内场景的上方向一致，计算三维点云中每个点的法向以及XY水平面的夹角；

所述三维点云的法向为：