[发明专利]一种三维平面提取方法

权利要求书

1.一种三维平面提取方法，已知目标场景中的三维直线特征集和稀疏数字高程模型数据、从两个不同视角获取的目标场景的立体图像及获取它们的立体相机的所有内、外参数、对立体图像的直线提取结果，其特征在于，具体包括下述步骤：

第一步，获取目标表面所在开放三维平面的定位信息

利用三维直线特征生成开放的三维平面假设，利用三维平面假设的成员直线特征分割开放的三维平面假设形成多个平面块假设，利用多个平面块假设选取最优平面块假设，最后合并最优的平面块假设，生成开放三维平面；

第二步，构造平面的边界

基于生成的开放三维平面，利用开放三维平面的成员直线特征和平面间交线构造平面边界，再利用立体图像中提取的直线特征和启发式规则补充缺失的平面边界，由平面边界生成闭合平面假设，利用优化方法选择最优的闭合平面假设。

2.根据权利要求1所述的三维平面提取方法，其特征在于：

已知某一场景的不同视角的两幅图像，分别称为左、右图像，以及摄取这两幅图像的左、右相机的所有内、外参数，其中左、右相机摄影中心在世界坐标系中的坐标分别记为(X_O1，Y_O1，Z_O1)和(X_O2，Y_O2，Z_O2)；由这两幅图像中提取的直线特征集，分别记为H₁和H₂；已知该场景中的N_S条三维直线特征，记为S＝{L_i|i＝1，2，…，N_S}，该集合中的任意元素L_i表示一条三维直线段，它的两个端点分别为(X_i1，Y_i1，Z_i1)和(X_i2，Y_i2，Z_i2)；已知该场景中的稀疏DEM数据，记为高程点集合 该集合中元素的平均误差为λ；

第一步，求解目标表面所在的开放三维平面

第(一)步，三维平面假设生成 

设定角度门限φ；设定距离门限ε；

设定目标表面的任意一个平面的两条相邻边界所在直线的夹角范围为 目标表面的任意两个相邻平面间的最小夹角为 

第1步，计算三维平面假设

对集合S中的三维直线特征两两组合，生成三维平面假设集合Ω＝{P_i|i＝1，2，…，N}，对于其中任意一个三维平面假设P_i，平面方程为a_i·X+b_i·Y+c_i·Z+d_i＝0，用于生成它的两个三维直线特征称为P_i的成员直线特征；

第2步，合并共面的三维平面假设

对集合Ω中所有共面的三维平面假设进行合并，得到的三维平面假设集合记为Ω＝{P_w|w＝1，2，…，N}，任意三维平面假设P_w的成员直线特征集合记为 任意一个成员直线特征L_j^w的端点记为(X_j，1^w，Y_j，1^w，Z_j，1^w)和(X_j，2^w，Y_j，2^w，Z_j，2^w)；

第(二)步，三维平面假设证实

第1步，分割三维平面假设为平面块假设

对于任意一个三维平面假设P_i∈Ω，利用其成员直线特征M_i对它进行分割，得到若干平面块假设；

由Ω中所有平面分割得到的平面块假设的集合记为其中，任意一个平面块假设 由它的顶点集来表示，记为 Ω中分割得到 的三维平面假设的方程记为 

第2步，计算每个平面块假设的可靠性测度

平面块假设可靠性测度的计算依据已知的高程点集合J和左、右图像，计算 J中每个点在左、右图像中的投影，得到两个平面点集，分别记为 和 其中， 与 分别是J中的高程点 在左、右图像中的投影点；对任意平面块假设计算其可靠性测度；

第3步，搜索可靠的平面块假设；

第4步，合并共面的可靠平面块假设；

合并后得到的所有开放平面记为它们对应的三维平面真实边界是未知的，任意开放平面 的平面方程为它的所有成员直线特征的集合记为任意一个成员直线特征 的端点记为 和 

第二步，构造平面的边界

第(一)步，利用开放平面的成员直线特征和平面交线构造平面边界假设

第1步，生成平面交线集合

任意选取两个开放平面 如果

判定它们可相交，计算它们的交线方程，记为

由所有的平面交线组成的集合记为U；

第2步，判定平面交线与平面成员直线特征间的共线关系并修改开放平面的成员直线特征集合

对于任意开放平面 在U中选择它与 的任意开放平面的交线，如果它的任意成员直线特征所在直线与该平面交线的夹角小于φ，并且 的中点 到平面交线的距离小于ε，则判定 与该平面交线共线，并从开放平面 的成员直线特征集合 中删除 

由所有与 的某个成员直线特征共线的平面交线组成的集合，记为 

第3步，补充缺失的开放平面

对于任意一个开放平面 的任意一个成员直线特征应用一种由单条三维直线生成平面假设的方法，由它生成一个新的开放平面， 或为它的成员直线特征，添加该平面到集合 中；

第4步，针对补充的开放平面计算平面交线

对于任意一个开放平面如果它是由单条三维直线生成的，则计算它与任意其它开放平面的交线，并将该平面交线添加到集合U中；如果该平面交线与 的任意成员直线特征所在直线的夹角小于φ，并且 的中点到平面交线的距离小于ε，则将该平面交线添加到直线集合 中，并从集合 中删除这个共线的成员直线特征；

第5步，添加平面交线为开放平面的成员直线特征

对于集合U中的任意一条平面交线，假定它是开放平面 和 的交线，则将该平面交线添加到 和 的成员直线特征集合 和 中去；

第6步，判定开放平面的成员直线特征集合中任意平面交线与其它成员直线特征是否相交

对于任意开放平面 的任意一个成员直线特征，如果它属于集合U，并且它与 的任意其它成员直线特征的夹角属于范围 则判定这两个成员直线特征相交；

第7步，由开放平面的成员直线特征构造平面边界

生成的所有闭合平面假设和半开放平面假设组成的集合记为 Ω′＝{P_k′|k＝1，2，…，N′}，其中任意一个元素P_k′用它的有序顶点集合表示，记为 P_k′的平面方程为a′_k·X+b′_k·Y+c′_k·Z+d′_k＝0；

第(二)步，利用提取直线特征以及启发式规则补充半开放平面假设的缺失边界

对于任意平面假设P_k′∈Ω′，如果它是半开放的，则为它补充缺失的边界，首先利用提取直线特征H₁和H₂，如果能够搜索到可用于补充缺失边界的直线特征，则该步骤结束，生成一个或多个闭合平面假设；否则，利用启发式规则补充缺失的边界，生成一个闭合平面假设；

第(三)步，选取全局最优的闭合平面假设

第1步，计算闭合平面假设的可靠性测度；

第2步，求解最优闭合平面假设

生成一个无向图，记为G″，以集合Ω″中每个闭合平面假设为一个节点，其可靠性测度作为与闭合平面假设相对应的节点的属性，如果任意两个节点对应的闭合平面假设在左图像和右图像中的投影区域均不存在重叠部分，则连接这两个节点，否则不连接；计算图G″的所有极大团，从中选取节点属性值之和最大的极大团包含的所有闭合平面假设，作为三维平面提取结果。