[发明专利]基于管道工厂点云的几何建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维点云建模技术领域，特别是涉及一种基于管道工厂点云的几何建模方法。

背景技术

管道工厂广泛存在于石油、化工和冶金等行业领域中，涉及大量纵横交错、十分密集的管道。一个较为完整、系统和理想化的管道工厂协同设计与管理系统中，管道工厂的三维几何模型占据相当关键的地位，它是各种工程数据的载体，管道工厂的三维建模技术已成为管道工厂设计与管理系统的关键问题。

很多管道工厂施工年代较早，经过多次改扩建后其二维图纸也变得不完整，由于没有相应的三维几何模型，致使无法使用现代化的管道工厂管理方式对其进行管理。目前，可以通过激光扫描得到管道工厂点云数据，但由于工厂规模庞大、结构复杂，获取的点云数据通常不完整，且含有大量噪音，使得从点云数据恢复三维几何模型存在很大的困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何实现对管道工厂点云进行高效地管道识别与几何建模。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于管道工厂点云的几何建模方法，包括以下步骤：

S1、获取管道工厂点云；

S2、计算点云中每个点的法向量和置信度；

S3、略去置信度低于预设阈值的点，统计剩余点的法向量，获得管道工厂地面的法向量；

S4、根据管道工厂地面的法向量检测管道工厂中的管道，得到管道工厂的三维几何模型。

优选地，步骤S2中计算点云中每个点的法向量具体包括以下步骤：

对于点云中的任一点，取该点所在空间上的一个邻域，将该邻域中的点拟合为一个平面，将所得平面的法向量作为该点的法向量。

优选地，步骤S2中计算点云中每个点的置信度具体包括以下步骤：

对于点云中的任一点，取该点所在空间上的一个邻域，对该邻域中的点进行主分量分析，得到从大到小排序的三个特征值，记为λ₁，λ₂，λ₃；

该点的置信度计算公式为：其中ε为预设值，将所有点的置信度归一化到区间[0，1]。

优选地，步骤S3具体包括以下步骤：

定义用于确定三维空间中的法向量的两个角度α，β，其中α为法向量在z＝0平面的投影与x轴的夹角，0≤α＜2π，β为法向量与z＝0平面的夹角，-π2≤β≤π2;]]>

构造三维柱状图，x轴表示α的值，分为m等份；y轴表示β的值，分为n等份；z轴表示落在相应区域的法向量个数；

略去置信度低于预设阈值δ的点，对剩余点的法向量采用所述三维柱状图进行统计，然后对三维柱状图中z值最大的区域中的法向量所对应的点求最大连通分量，将最大连通分量中的点进行最小二乘拟合得到一个平面，该平面的法向量即为管道工厂地面的法向量。

优选地，步骤S4中使用随机抽样一致性算法检测管道工厂中的管道。

优选地，用圆柱表示管道，步骤S4具体包括以下步骤：

S41、初始化：

记w为地面的法向量，取两个向量u，v，使u，v，w构成一个正交向量组，以u，v，w为坐标轴定义一个新坐标系uOv，将点云中的所有点变换到uOv坐标系中，令Ψ表示检测出来的圆柱集合，C表示候选圆柱集合；

S42、分两种情况获取候选圆柱：

对于候选圆柱垂直于地面的情况，在点云中任选3个点投影在w＝0平面上，如果投影后的点不共线，则确定一个圆，根据该圆的半径、圆心和w方向构成一个垂直于地面的候选圆柱；