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1、第卷第期机械工程学报年月基于点云的边界特征直接提取技术柯映林范树迁浙江大学机械与能源工程学院杭州摘要边界作为反求工程建模的重要几何特征信息,对重建曲面模型的品质和精度起着重要的作用。首先对点云数据进行空间三维划分,建立基于空间栅格的边界提取模型,然后通过研究线性时间复杂度的种子边界栅,。,格识别和生长算法以及空间拓扑构型推理算法实现从点云数据中直接获取边界信息应用实例表明算法的运行速度快、稳定性好,能够可靠地提取空间任意分布点云数据的内外边界。关键词点云边界提取空间栅格拓扑构型中图分类号仔,。,从而提取出边界目叮舀基于点云数据的空间三维划分建立了边界提取的
2、数学模型,并通过研究线性时间复杂度的空间分,随着激光测量技术和计算机技术的飞速发展割和空间拓扑构型推理算法,实现了任意非均匀分,。先进的产品表面数字化测量设备得到了推广应用布点云数据的内外边界的提取。,使反求工程设计技术得到了新的发展目前在产,品反求工程设计的初期可以将一个复杂的产品设算法描述及实现,。计原型表达为大量的离散点即通常所说的点云,二,、如何从这种离散的点云信息中快速把握产品外形的点云是空间散乱点的集合即口护乃,’,,,,关键几何特征成为基于点云的反求工程建为表示点云的边界日瓜卜几几如图。模研究的核心点云边界是指能够表达实物样件原。,几表示点,
3、所示其中云的外边界在某些情况下始边界特征的测量点,或者由这些测量点连接成的可,一,是。,以为空集表示点云的内边界曲线边界不仅作为表达曲面的重要几何特征而,且作为求解曲面的定义域对重建曲面模型的品质多条内边界的集合,也可以为空集合。从点云中提一。和精度起着重要的作用,口日,取边界就是从集合中找到它的子集口使得刁口,、目前边界提取技术在医学图像工业断层扫中的所有元素能够表达原始曲面边界特征。描图像等二维图像处理领域中获得广泛应用。在反求工程领域,点云具有三维空间分布的不均匀性特点,所以本身不存在严格的数学表达模型。为提取点,云的边界人们通常要建立点云的三角网格
4、数学模。,型然而适应任何数据对象的点云三角化算。,法还没有得到完全有效的解决同时三角化算法本身的时间复杂度高,通过三角网格拓扑结构来提取边界在曲面反求过程中效率非常低。直接从点云中提取边界的技术目前只适合能够找到投影面,并且空间均匀密集分布的点云。即如果原始曲面是单,则将点值曲面云数据投影到平面如果原始曲面是广义柱面,则将数据投影到柱面如果原始曲面,。是广义球面则将数据投影到球面在投影面上依据建立的边界识别准则提取出边界后映射到三维,图点云及其边界一一一、国家高技术研究发展计划教育部优秀骨干教的形状通常不好定义,具有不明确性。。沁师基金和教育部博士点专项基
5、金联合资助项目,,收到初稿,收到修改稿要获得日口必须建立边界的识别准则即点云中年月柯映林等基于点云的边界特征直接提取技术。。,具有何种性质的点才能被认为是边界上的点边界格和非边界栅格其中边界栅格中包含点云的边,也可能包含非边界点而非边界栅格中提取算法可以通过以下几个步骤实现以点云密度界点只包为基本参数对点云的空间最小包围盒进行网格划含非边界点。要实现边界栅格和非边界栅格的完全分,分离,使用产生空间栅格建立空间栅格的拓扑连接数学空间栅格的所有拓扑关系来直接实现非,。,模型产生边界种子栅格种子栅格沿边界方向的常困难但是可以只通过栅格的面拓扑关系来直,,生长产生
6、所有边界栅格利用边界栅格的对点云观地确定种子边界栅格再通过种子边界栅格的生的区域分割,提取出点云边界点集合。下面分别对长算法来自动实现边界栅格和非边界栅格的区域的这些步骤进行详细阐述。完全分离。网格划分如果按照实格和空格对空间栅格进行二值化处,,,,对于空间非均匀分布的点,理并定义为栅格的拓扑方向则可以直接沁云利用点的邻,,。域内其他点的分布状况作为基本准则是合适的。确利用函数得到种子边界栅格对于任意,,,,同样要考虑点令定点邻域的大小云中包含点的数、。量原始曲面边界的弯曲程度和点云分布情况描,以,艺艺,,,述邻域大小参数的特征量是点云密度这里采用一心‘一
7、‘‘一‘二吐口“户汁〕如下方法估算在点,云中随机取出点对每个,夕,点尸找出点,云内与其最近的多个点将这些点与,,,的距离求平均值‘最后对所有的‘求平均值式中表示空间栅格二值化函数如果函数值为,则表示该栅格为实格如果函数值为,则得到点,即,‘。云密度的估计值。,,,表示该栅格为空格如果并且当,,习时满足某些条件的约束,则空间实格是点云包围盒是指平行于坐标平面包含所有点,。,,,的空间立方体可以用通过对散乱点坐标沿坐标种子边界栅格约束条件是时,。轴方向快速排序后计算得到坐标最值来描述即栅格三个拓扑方向矢量线性相关,,,,,。,场漏呱在实际应用中为种子边界栅格有
8、三种类型,如图所示,每种,。避免有些散乱点位于包围盒的表面上将三个
