[发明专利]基于点云数据快速提取室内三维线段结构的方法

权利要求书

1.一种基于点云数据快速提取室内三维线段结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.利用投影信息对立面和水平面进行分割，设定阈值t₁作为点云中两点之间的最近距离，对原始三维点云数据P^orig＝{P₁^orig，P₂^orig，…，P_m1^orig}∈R³进行空间均匀下采样，使P^orig中任意两点之间的距离都不小于t₁，得到下采样后点云P^sump＝{P₁^sump，P₂^sump，…，P_m2^sump}∈R³，按一定步长统计P^sump沿Z轴方向上的分布情况，如果某一层大于每层平均值的t₂倍，则将该层从P^sump中剔除，通过此剔除水平面，得到自动裁剪后的点云P^cutter＝{P₁^cutter，P₂^cutter，…，P_m3^cutter}∈R³，将P^cutter投影至X-Y平面得到二维投影点云P^proj＝{P₁^proj，P₂^proj，…，P_m4^proj}∈R²；

步骤2.设定阈值t₂作为点到直线的最远距离，设置迭代次数为t₃，利用随机采样一致性算法从P^proj中每次提取一条共线点集合P^col＝{P₁^col，P₂^col，…，P_m5^col}∈R²，设定一个长度阈值t₄作为两个共线点位于同一线段的最远距离，设置长度阈值t₅作为一条合格线段的最短长度，设置单位长度包含最少的点数为t₆，对共线点集合P^col进行聚类，分离共线但不连续的线段，提取出共线点上的合格线段后，将合格线段包含的点从P^proj中剔除，提取下一条共线点并进行聚类、线段提取处理，所有共线点均处理完成后，得到合格线段集合P^seg＝{P₁^seg，P₂^seg，…，P_m6^seg}；

步骤3.对于P^seg的每个子集P_i^seg，计算出相应线段的端点坐标，利用线段端点坐标反算出立面的空间几何方程，设计一个立方体包围立面所在区域，并从P^orig中提取该立方体内部点集合P^cube＝{P₁^cube，P₂^cube…，P_m7^cube}∈R³，将立方体内部点代入到立面的空间几何方程中，如果点到立面的正射距离小于阈值t₂，认为该点为立面内点，依次分割出立面P^vert＝{P₁^vert，P₂^vert…，P_m8^vert}；将P^vert中的所有点从P^orig中剔除，得到剩余点P^rem＝{P₁^rem，P₂^rem，…，P_m9^rem}∈R³，对P^rem下采样并投影至X-Z平面，分割出水平面P^horiz＝{P₁^horiz，P₂^horiz…，P_m10^horiz}，将立面和水平面合并得到最终的平面分割结果P^plane＝{P₁^plane，P₂^plane…，P_m11^plane}；

步骤4.对于P^plane中每个提取的平面P_i^plane，利用P_i^plane中的所有点构建协方差矩阵M_3×3并进行特征值分解，得到三个特征值λ₁，λ₂，λ₃，其中λ₁≥λ₂≥λ₃，计算出三个特征值对应的特征向量作为平面的法向量，利用P_i^plane中心点和可确立一个拟合平面ψ_f，计算P_i^plane上每个点到ψ_f的距离d_if和残差值σ，如果d_if＞2σ，从P_i^plane中剔除对应的点，对余下点重新拟合平面，如此反复数次得到更精确的拟合面，将P_i^plane上的所有点投影到该拟合面上，利用自适应的α-shape算法提取每个平面的边缘点，得到边缘点集合P^edge＝{P₁^edge，P₂^edge…，P_m12^edge}；

步骤5.设定阈值t₇作为点到直线的最远距离，利用步骤2提出的合格线段提取方法提取P^edge每个子集的三维线段，进一步根据线段之间的平行性，共线性，重合性进行线段合并，得到最终的三维线段结构提取结果。