[发明专利]一种基于八叉树森林压缩的三维体素存取方法

权利要求书

1.一种基于八叉树森林压缩的三维体素存取方法，如下：

对于存储操作：首先，对三维立体空间进行粗略的均匀分割，得到多个相同正方体的区块；然后，在所述的区块中构建八叉树，即利用深度摄像机反投影从根节点开始动态建树并对应进行区块分割；最后，将TSDF数据存储于八叉树最底层叶节点所对应的体素中；

对于读取操作：首先，根据待取数据在三维立体空间中的坐标，确定其所属的区块；然后，采用深度优先的搜索方法对该区块八叉树进行搜索，以搜索到树中与待取数据坐标相匹配的最底层叶节点；最后，从搜索到的叶节点对应的体素中读取对应的TSDF数据。

2.根据权利要求1所述的三维体素存取方法，其特征在于：所述的构建八叉树的具体方法为：将区块对应作为八叉树的根节点，通过判断若需对区块进行划分，则将区块均匀分割成八个相同正方体的体素，八个体素分别对应根节点下的八个子节点；同理，通过判断若需对体素进行划分，则进一步将体素均匀分割成八个小的体素，八个小体素分别对应大体素节点下的八个子节点；当八叉树层数达到预设的最大层数，即使体素满足进一步划分的要求，也不对其再进行分割。

3.根据权利要求2所述的三维体素存取方法，其特征在于：判断区块或体素是否需进行划分的条件过程如下：

首先，通过坐标变换将区块或体素的中心点C映射到深度摄像机的投影平面中，得到对应的深度图像素点U；

然后，将深度图像素点U根据其深度值反投影回三维立体空间中，得到中心点C在空间中物体表面上的投影点P；

最后，根据中心点C和投影点P的三维坐标通过以下判断是否需对区块或体素进行划分：

若区块或体素不与三维立体空间中物体表面存在交叉，则满足以下关系则对区块或体素进行划分：

||p-c||≤T

若区块或体素与三维立体空间中物体表面存在交叉，则满足以下关系则对区块或体素进行划分：

||p-c||≤32l+ϵ]]>

其中：p和c分别为投影点P和中心点C在三维立体空间中的坐标向量，l为区块或体素的边长，T和ε均为设定的截距参量。

4.根据权利要求2所述的三维体素存取方法，其特征在于：若区块未作进一步划分，则其对应的八叉树为空树，该区块中不存有任何TSDF数据。

5.根据权利要求3所述的三维体素存取方法，其特征在于：所述的坐标向量p的表达式如下：

p＝R·π(K,u,Z(u))+t

其中：u为深度图像素点U在三维立体空间中的坐标向量，K为深度摄像机的内参矩阵，Z(u)为深度图像素点U的深度值，R和t分别为深度摄像机外部参数的旋转矩阵和平移向量；π(K,u,Z(u))为将深度图像素点U根据其深度值Z(u)转换至深度摄像机坐标系下的坐标向量。

6.根据权利要求5所述的三维体素存取方法，其特征在于：所述的坐标向量u的表达式如下：

u＝KR^-1(c-t)。

7.根据权利要求1所述的三维体素存取方法，其特征在于：确定待取数据所属区块的方法为：通过以下算式计算待取数据所属区块的位置向量r，通过位置向量r中的排列序号即能找到待取数据所属区块在三维立体空间中的具体位置；

其中：x、y、z对应为待取数据在三维立体空间X轴、Y轴、Z轴上的坐标值，L为区块的边长，为向下取整函数，Num_x、Num_y、Num_z对应为待取数据所属区块在三维立体空间X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上的排列序号。

8.根据权利要求1所述的三维体素存取方法，其特征在于：对区块八叉树进行搜索时，首先判断该树是否为空树：若为空树，则表明该树区块中不存有任何TSDF数据，直接略过该树区块前进至下一棵树的区块进行搜索；若不为空树，则采用深度优先的搜索方法对该树区块进行搜索，以找到该树中与待取数据坐标相匹配的最底层叶节点并读取其对应体素中的TSDF数据；在搜索过程中，若当前节点非最底层叶节点或当前节点对应体素中的TSDF数据不符合要求，则略过此节点，前进至下一同级节点继续搜索直至搜索到符合要求的TSDF数据。