本發(fā)明屬于點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建，具體涉及一種基于加權(quán)局部曲面逼近的魯棒三維重建方法。

背景技術(shù)：

1、點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建是計(jì)算機(jī)視覺(jué)、三維建模和數(shù)字化幾何重建領(lǐng)域中的一項(xiàng)核心技術(shù)，在自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)、3d?打印、文化遺產(chǎn)保護(hù)、工業(yè)檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像等多個(gè)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常由激光雷達(dá)（lidar）、結(jié)構(gòu)光掃描、立體視覺(jué)系統(tǒng)或深度相機(jī)獲取，其本質(zhì)是離散采樣的三維坐標(biāo)點(diǎn)，用于描述物體的幾何結(jié)構(gòu)。然而，由于測(cè)量誤差、環(huán)境噪聲、點(diǎn)云稀疏性和遮擋等因素，如何從這些高維、稀疏且含噪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中精確重建三維表面，成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算幾何領(lǐng)域的重要研究方向。

2、傳統(tǒng)三維重建方法主要依賴于幾何建模和優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建明確的數(shù)學(xué)模型擬合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而生成連續(xù)平滑的曲面，此外，全局?jǐn)M合方法旨在通過(guò)精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)擬合點(diǎn)云數(shù)據(jù)的表面。這些方法能夠在一定程度上處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但它們往往面臨幾個(gè)問(wèn)題。首先，三角剖分對(duì)于噪聲敏感，尤其是對(duì)于包含噪聲和異常點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致生成的網(wǎng)格不光滑或出現(xiàn)自交現(xiàn)象。其次，現(xiàn)實(shí)中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往分布不均，尤其是在復(fù)雜幾何形狀或細(xì)節(jié)豐富的區(qū)域，傳統(tǒng)的網(wǎng)格化方法難以準(zhǔn)確地捕捉到局部特征。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于加權(quán)局部曲面逼近的魯棒三維重建方法。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：

3、一種基于加權(quán)局部曲面逼近的魯棒三維重建方法，包括以下步驟：

4、對(duì)點(diǎn)云三維空間中的原始三角形網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分為多個(gè)小三角形；其中，所述多個(gè)小三角形頂點(diǎn)中包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)與生成頂點(diǎn)；

5、基于三角形面積的加權(quán)平均方法，計(jì)算生成頂點(diǎn)的法向量；基于生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)構(gòu)建擬合曲面，計(jì)算出生成頂點(diǎn)沿法向量的運(yùn)動(dòng)軌跡與擬合曲面之間的交點(diǎn)；

6、計(jì)算生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)與所述交點(diǎn)的距離，根據(jù)所述距離確定生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)對(duì)生成頂點(diǎn)的影響權(quán)重；基于均方誤差的異常影響權(quán)重剔除策略，篩選并去除異常鄰域點(diǎn)；

7、基于鄰域點(diǎn)的位置及其影響權(quán)重，通過(guò)加權(quán)平均法計(jì)算生成頂點(diǎn)的最終坐標(biāo)，以此生成精細(xì)化點(diǎn)云重建模型。

8、進(jìn)一步地，所述對(duì)點(diǎn)云三維空間中的原始三角形網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分為多個(gè)小三角形，包括：對(duì)原始三角形的每條邊進(jìn)行均勻等分處理，每條邊上生成新增的分割點(diǎn)；原始三角形的邊界與新增的分割點(diǎn)之間形成新的邊界關(guān)系，進(jìn)而在原始三角形內(nèi)部構(gòu)建出規(guī)則的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，劃分為多個(gè)小三角形。

9、進(jìn)一步地，基于三角形面積的加權(quán)平均方法，計(jì)算生成頂點(diǎn)的法向量，具體包括：

10、獲取原始三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的法向量；

11、確定生成頂點(diǎn)所形成的三個(gè)小三角形，獲取三個(gè)子三角形的面積；

12、基于原始三角形三個(gè)頂點(diǎn)的法向量和三個(gè)子三角形的面積，通過(guò)加權(quán)計(jì)算生成頂點(diǎn)法向量：并對(duì)生成頂點(diǎn)法向量進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化處理后的生成頂點(diǎn)的法向量。

13、進(jìn)一步地，所述基于生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)構(gòu)建擬合曲面，計(jì)算出生成頂點(diǎn)沿法向量的運(yùn)動(dòng)軌跡與擬合曲面之間的交點(diǎn)，具體包括：

14、構(gòu)建生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)集合；對(duì)于鄰域點(diǎn)集合中的每個(gè)鄰域點(diǎn)，構(gòu)建擬合曲面方程，并通過(guò)參數(shù)化表示生成頂點(diǎn)沿法向量的運(yùn)動(dòng)軌跡；

15、將生成頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡代入所述曲面方程，計(jì)算得到生成頂點(diǎn)沿法向量的運(yùn)動(dòng)軌跡與擬合曲面的交點(diǎn)位置，確定生成頂點(diǎn)在擬合曲面上的位置。

16、進(jìn)一步地，所述計(jì)算生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)與所述交點(diǎn)的距離，根據(jù)所述距離確定生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)對(duì)生成頂點(diǎn)的影響權(quán)重，具體包括：

17、計(jì)算生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)的影響半徑，所述影響半徑為生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)到其最遠(yuǎn)一階鄰域點(diǎn)的距離；

18、當(dāng)生成頂點(diǎn)位于所述生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)的影響半徑內(nèi)，生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)的影響權(quán)重為影響半徑與兩點(diǎn)的距離之差；若生成頂點(diǎn)位于生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)的影響范圍外，則影響權(quán)重為零。

19、進(jìn)一步地，所述基于均方誤差的異常影響權(quán)重剔除策略，篩選并去除異常鄰域點(diǎn)，具體包括：

20、計(jì)算鄰域點(diǎn)影響權(quán)重的平均值，基于所述鄰域點(diǎn)影響權(quán)重的平均值和鄰域點(diǎn)的影響權(quán)重，計(jì)算均方誤差；

21、預(yù)設(shè)閾值，若生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)影響權(quán)重與影響權(quán)重的平均值之間的差異大于倍的均方誤差，則認(rèn)為生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)影響權(quán)重不合理，剔除鄰域點(diǎn)。

22、進(jìn)一步地，所述基于鄰域點(diǎn)的位置及其影響權(quán)重，通過(guò)加權(quán)平均法計(jì)算生成頂點(diǎn)的最終坐標(biāo)，具體包括：

23、生成頂點(diǎn)的最終位置：

24、；

25、；

26、；

27、其中，表示鄰域點(diǎn)的坐標(biāo)；表示鄰域點(diǎn)數(shù)目；表示每個(gè)鄰域點(diǎn)的影響權(quán)重。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下技術(shù)效果：

29、(1)?本發(fā)明提出了基于加權(quán)局部曲面逼近的魯棒三維重建方法，能夠有效地減少全局?jǐn)M合方法中的誤差積累，提高了局部曲面的重建精度，使其更適用于復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

30、(2)?本發(fā)明通過(guò)精細(xì)化重建的擬合曲面，進(jìn)一步優(yōu)化曲面結(jié)構(gòu)，使得重建結(jié)果更精確地逼近真實(shí)三維形狀，在一定程度上緩解由于數(shù)據(jù)采樣稀疏或點(diǎn)云空洞導(dǎo)致的局部結(jié)構(gòu)缺失問(wèn)題。

31、(3)?本發(fā)明提出了一種基于均方誤差篩選的不合理權(quán)重剔除機(jī)制，在計(jì)算點(diǎn)云權(quán)重時(shí)，自適應(yīng)剔除異常點(diǎn)，減少噪聲點(diǎn)對(duì)曲面擬合結(jié)果的干擾，從而提高重建的穩(wěn)定性，確保曲面重建的可靠性。

技術(shù)特征：

1.一種基于加權(quán)局部曲面逼近的魯棒三維重建方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于加權(quán)局部曲面逼近的魯棒三維重建方法，其特征在于，所述對(duì)點(diǎn)云三維空間中的原始三角形網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分為多個(gè)小三角形，包括：對(duì)原始三角形的每條邊進(jìn)行均勻等分處理，每條邊上生成新增的分割點(diǎn)；原始三角形的邊界與新增的分割點(diǎn)之間形成新的邊界關(guān)系，進(jìn)而在原始三角形內(nèi)部構(gòu)建出規(guī)則的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，劃分為多個(gè)小三角形。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于加權(quán)局部曲面逼近的魯棒三維重建方法，其特征在于，基于三角形面積的加權(quán)平均方法，計(jì)算生成頂點(diǎn)的法向量，具體包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于加權(quán)局部曲面逼近的魯棒三維重建方法，其特征在于，所述基于生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)構(gòu)建擬合曲面，計(jì)算出生成頂點(diǎn)沿法向量的運(yùn)動(dòng)軌跡與擬合曲面之間的交點(diǎn)，具體包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于加權(quán)局部曲面逼近的魯棒三維重建方法，其特征在于，所述計(jì)算生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)與所述交點(diǎn)的距離，根據(jù)所述距離確定生成頂點(diǎn)的鄰域點(diǎn)對(duì)生成頂點(diǎn)的影響權(quán)重，具體包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于加權(quán)局部曲面逼近的魯棒三維重建方法，其特征在于，所述基于均方誤差的異常影響權(quán)重剔除策略，篩選并去除異常鄰域點(diǎn)，具體包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于加權(quán)局部曲面逼近的魯棒三維重建方法，其特征在于，所述基于鄰域點(diǎn)的位置及其影響權(quán)重，通過(guò)加權(quán)平均法計(jì)算生成頂點(diǎn)的最終坐標(biāo)，具體包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于加權(quán)局部曲面逼近的魯棒三維重建方法。所述方法包括：首先，對(duì)輸入的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu)建鄰域關(guān)系，并通過(guò)最小二乘法在每個(gè)點(diǎn)的局部鄰域內(nèi)擬合局部曲面；其次，基于點(diǎn)的鄰域信息計(jì)算其影響權(quán)重，并采用加權(quán)平均法計(jì)算最終曲面點(diǎn)的位置，以優(yōu)化局部曲面的幾何精度；隨后，利用基于均方誤差的異常權(quán)重剔除策略，篩選并去除異常點(diǎn)，減少噪聲干擾，提高曲面重建的穩(wěn)定性和魯棒性；最后，通過(guò)加權(quán)平均提高整體曲面擬合的精度，使得重建曲面能夠更精確地貼合原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，有效提升點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重建精度。

技術(shù)研發(fā)人員：張帆,王思崳,王樺
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東工商學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15