基于等级划分的复杂点云骨架提取方法及系统

技术特征：

1.一种基于等级划分的复杂点云骨架提取方法,其特征在于，包括以下步骤：

s1，对无序原始点云进行归一化处理，得到归一化后的无序点云，并对其进行重采样得到采样点；

s2，将所有采样点收缩到骨架点位置，对归一化后的点云基于骨架点提取初始骨架线，得到初始骨架线分支集合；

s3，对初始骨架线分支集合进行等级划分；

s4，对初始骨架线进行连通修补，修补顺序根据步骤s3中的等级划分结果逆序修补；

s5，对修补后的骨架线的连接位置拟合曲线，并改善补全位置的平滑性，完成云骨架提取。

2.根据权利要求1所述的基于等级划分的复杂点云骨架提取方法,其特征在于，步骤s3具体为：首先找到初始骨架线分支集合中的最长的单分支，并标记为第0级分支，划分到集合t0；然后找到余下分支中符合分支等级划分函数和划分阈值的所有分支，划分到分支集合t1，更新划分阈值，划分剩余分支；

每完成一次分支等级划分，更新划分阈值，将余下的分支中符合分支等级划分函数和当前划分阈值的所有分支划分到下一等级分支集合中，直到所有单分支完成分级，最终得到划分等级后的分支集合其中第一级分支为t0，最后一级分支为t|l|。

3.根据权利要求1或2所述的基于等级划分的复杂点云骨架提取方法,其特征在于，所述步骤s3包括如下步骤:

s3-1，计算初始骨架线分支集合中的任意单分支的长度其中，为初始骨架线分支集合，k为初始骨架线分支数量，表示分支上的骨架点，表示分支骨架点在分支中的下一个骨架点,m'为骨架线分支中骨架点的序号，m'k是骨架线分支的骨架点集合；

s3-2，计算任意两个分支到之间的距离其中，ψα，ψω分别为分支两端点到分支上的最近距离，和分别表示分支的首尾两个端点，表示分支上的骨架点；

s3-3，令分支等级划分集合找到初始骨架线分支集合中的最长的单分支令分支集合t＝t∪t0，完成初始划分；

s3-4，对于后续的分支按如下方式划分：

其中表示分支的等级划分函数值，ω1、ω2均为权重值，且ω1+ω2＝1，θ是快速衰减平滑函数,表示离分支距离度量最近，且已经被划分到集合tl-1的分支，δl为等级划分函数阈值，l＝1，2，3...，每一轮划分，遍历所有未划分等级的分支每完成一轮划分后更新t＝t∪tl，若更新δl+1＝ωδl,ω∈[0,1)，直到即所有的分支都完成了等级划分，得到中所有分支的等级划分。

4.根据权利要求1所述的基于等级划分的复杂点云骨架提取方法,其特征在于，对初始骨架线进行连通修补时，从下级分支向上级分支逆序依次进行修补，直到修补到第0级分支，每完成两个等级分支的修补后，将修补后生成的连通分支划分到所述两个等级中的上级分支集合中，最后得到完整的骨架线的分支集合。

5.根据权利要求4所述的基于等级划分的复杂点云骨架提取方法,其特征在于，

对初始骨架线进行连通修补时,找到断裂位置两个分支的对应连接骨架点进行连接,其中一个分支的连接骨架点的筛选公式为：

需要连通的一个分支cb的连接骨架点其中，为需要连通的另一个分支，dp(cb)表示连通分支cb的端点集合，fp(cb)表示连通分支cb的分叉点集合，γ(x)表示以连通分支cb上的端点x作为连通修补端点时，整个连通分支cb的分叉角信息；

为连通分支cb到分支之间的距离，其中，ψ'α，ψ'ω分别为连通分支cb两端点到分支上的最近距离，和分别表示连通分支cb的首尾两个端点，表示分支上的骨架点；dα表示连通的分支中除掉端点x的其他端点，υ(dβ)表示端点dβ在连通分支cb上黎曼距离最近的分叉点；

另一个分支的连接骨架点的筛选公式为：

骨架点x^*对应的在连通分支上的连接骨架点其中，δγ＝γ(x^*)-γ(x)表示骨架点x^*尝试与连通分支上的骨架点x修补后新旧连通分支的平均分叉角变化量，ω1，ω2为常数权重；

将骨架点x^*与对应连接骨架点x^**连接后，形成新的连通分支合并到两个等级中的上级分支集合中；

重复上述过程，直到连接到第0级分支，得到完整的骨架线的分支集合

6.一种复杂点云骨架提取系统，其特征在于，包括处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、存储器和通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信，所述存储器用存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如权利要求1-5任一项所述的基于等级划分的复杂点云骨架提取方法对应的操作。

技术总结
本发明提出了一种基于等级划分的复杂点云骨架提取方法及系统。该方法为对无序原始点云进行归一化处理，得到归一化后的无序点云，并对其进行重采样得到采样点；将所有采样点收缩到骨架点位置，对归一化后的点云基于骨架点提取初始骨架线，得到初始骨架线分支集合；对初始骨架线分支集合进行等级划分；对初始骨架线进行连通修补，修补顺序根据等级划分结果逆序修补；对修补后的骨架线的连接位置拟合曲线，并改善补全位置的平滑性，完成云骨架提取。本发明能快速从结构复杂的点云中有效提取出较为完整连通的骨架线，有较好的鲁棒性，保证了骨架线的准确性，利用分级划分尽可能保证骨架的完整性。

技术研发人员：刘骥;吴寒;龙渊
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2021.02.04
技术公布日：2021.06.15