本發(fā)明提供基于局部樣本投影輪廓形狀的實物表面采樣點集邊界特征識別方法，可用于對實物表面采樣數(shù)據(jù)邊界特征的識別，屬于數(shù)字化設(shè)計與制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

實物表面采樣點集的邊界特征是指分布于非封閉點集邊緣的樣點集合及位于點集內(nèi)部孔洞的邊緣樣點的集合。由于實物表面的采樣數(shù)據(jù)是散亂點集，點集中各樣點之間沒有任何拓撲信息，因此對采樣數(shù)據(jù)邊界特征識別，本質(zhì)上是通過點集中樣點及其鄰域數(shù)據(jù)分布的幾何信息判斷樣點是否為邊界點。采樣點集的邊界特征是曲面的重要幾何特征之一，作為求解曲面參數(shù)的定義域，對曲面模型重建的品質(zhì)和精度有著重要的影響。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對實物表面采樣數(shù)據(jù)的邊界特征識別進行了研究。孫殿柱等在《散亂數(shù)據(jù)點云邊界特征自動提取算法》(華中科技大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2008, 36(8): 82-84)采用R*-tree動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)存儲實物表面采樣數(shù)據(jù)的拓撲關(guān)系，基于索引結(jié)構(gòu)獲取采樣點的 k鄰域作為局部曲面參考數(shù)據(jù)，以最小二乘法擬合該數(shù)據(jù)的微切平面，并將采樣點和 k個近鄰點向微切平面投影， 根據(jù)采樣點與其 k個近鄰點所對應(yīng)投影點連線的最大夾角識別散亂點云邊界特征。但該算法需要提取點的 k近鄰點及進行夾角的計算，計算量大，同時，R*-tree 的創(chuàng)建非常復(fù)雜，使得算法的時間復(fù)雜度增強。Milroy等在《Segmentation of a wrap-around model using an active contour》(Computer-Aided Design, 1997, 29(4): 299-320) 采用局部坐標系內(nèi)的二次多項式曲面來估計點云數(shù)據(jù)的曲率值，求出曲率極值點，從中提取邊界點，雖然曲率極值法可以針對無規(guī)則的點云數(shù)據(jù)提取出精度較高的邊界特征點，但這種方法需要計算每一個數(shù)據(jù)點的曲率值，其計算過程非常復(fù)雜，而且得出的曲率值受到其估計的方法的直接影響，有時可能和真實的曲率差別較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種快速識別實物表面采樣點集邊界特征的有效方法，技術(shù)方案實現(xiàn)如下：

一種基于局部樣本投影輪廓形狀的實物表面采樣點集邊界特征識別方法，其特征在于步驟依次為：一、對實物表面采樣點集中的每個樣點的法向進行估計；二、為中的每個樣點添加標記，通過該標記可以區(qū)分樣點是被標記為邊界樣點狀態(tài)還是非邊界樣點狀態(tài)；三、將中所有樣點的標記設(shè)為邊界樣點狀態(tài)，即假設(shè)中所有樣點均為邊界樣點；四、對于中的每個樣點，若其標記為邊界樣點狀態(tài)，則沿樣點的法向為之構(gòu)建局部樣本的投影輪廓，驗證樣點沿法向的投影點是否落入局部樣本投影的凹點與凸點所構(gòu)成的輪廓集合，若未落入該集合，則將樣點的標記修改為非邊界點狀態(tài)；五、將中被標記為邊界樣點狀態(tài)的樣點所構(gòu)成的子集輸出。

為實現(xiàn)發(fā)明目的，所述的基于局部樣本投影輪廓形狀的實物表面采樣點集邊界特征識別方法，其特征在于：在步驟四中，對樣點的局部樣本投影點集進行凸點識別，具體步驟為：(1)在中獲取任意一點，查詢的最遠點；(2)查詢的最遠點,計算以所在直線的法向；(3)在中搜索沿距離直線最遠的點，就是識別的一個凸點；(4)以點,,三點作三角形，判斷中的點是否在三角形內(nèi)部，凡是落在三角形內(nèi)的點排除，不再參與凸點的計算，否則將該點加入凸點集合中；(5)遍歷采樣數(shù)據(jù)內(nèi)所有點，即可實現(xiàn)凸點的完整識別過程，輸出凸點集合。

為實現(xiàn)發(fā)明目的，所述的基于局部樣本投影輪廓形狀的實物表面采樣點集邊界特征識別方法，其特征在于：在步驟四中，對進行凹點識別，以識別的凸點作為輔助點，依次判定的每條邊是否穿過點云的凹陷區(qū)域來識別凹點所對應(yīng)的直線段，通過離散化該直線段，計算離散點在內(nèi)的最近點即為相應(yīng)的凹點，輸出凹點集合。

為實現(xiàn)發(fā)明目的，所述的基于局部樣本投影輪廓形狀的實物表面采樣點集邊界特征識別方法，其特征在于：在判定三角形每條邊是否穿過凹陷區(qū)域時，具體步驟為：(1)對三角形的三條邊進行離散化；(2)計算離散點在中的最近點并計算離散點與最近點之間的距離；(3)若該距離大于所設(shè)定的閾值，即認為該離散點所在的邊對應(yīng)的凹陷區(qū)域。

為實現(xiàn)發(fā)明目的，所述的基于局部樣本投影輪廓形狀的實物表面采樣點集邊界特征識別方法，其特征在于：在判定凹陷區(qū)域所設(shè)定的閾值，其設(shè)定方法為：a)從實物表面采樣點集中隨機獲取個樣點，形成點集；b)設(shè)為空集，對于中的每個樣點，計算它到中距其最近的個樣點的距離均值并將其加入集合中；c)將中所有元素的均值作為閾值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1) 通過局部樣本進行邊界特征識別并將其投影至平面，降低維度，利用識別的二維邊界點獲取對應(yīng)的三維邊界點，可快識別實物表面點集的邊界點；

(2) 對樣本點分別提取鄰域點集依次判斷邊界點，提高了實物表面點集邊界點的識別精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于局部樣本投影輪廓形狀的實物表面采樣點集邊界特征識別方法的流程圖；

圖2是計算閾值的示意圖；

圖3是對點集投影至平面的示意圖；

圖4是凸點識別示意圖；

圖5是凹點識別示意圖；

圖6是phone模型的邊界特征識別過程示意圖；

圖7是part、fish模型邊界特征識別效果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖1是本發(fā)明基于局部樣本投影輪廓形狀的實物表面采樣點集邊界特征識別方法的流程圖，采用C語言程序設(shè)計實現(xiàn)，本發(fā)明所載方法的主要過程包括樣點局部鄰域點集的獲取，對局部鄰域點集投影，識別投影樣本點的凸點和凹點作為投影輪廓，基于投影輪廓獲取局部樣本的邊界點，如果該樣點落入邊界點集合中，則可判斷該點為采樣點集的邊界點。

對于圖2中所示的局部樣本數(shù)據(jù)，該樣本的點云跨度為,,……,等各距離的算術(shù)平均值。

為獲取點集的投影輪廓，對于鄰域點集沿樣點的法向或者法向的反方向進行投影，如圖3所示。

凸點識別過程實際上將樣點集合中分布于凸邊緣處的樣點識別出來，如圖4所示的局部樣本數(shù)據(jù)，在點集中獲取任意點，查詢的最遠點以及的最遠點，計算距最遠的點，則為識別的一個凸點。

凹點識別過程實際上將樣點集合中分布于凹邊緣處的樣點識別出來，如圖5所示，凹點提取的具體步驟為：(1) ，初始化 中所有點的標記為0；(2) 設(shè)為凸點集合中的第個點，其中，對于點,,構(gòu)成的三角形，對其三條邊,,進行等距劃分為10段，將每個等分點作為判斷點；(3) 設(shè)凹點存在判斷符為，遍歷中的所有標記為0的點，查找每個等分點的最近點并計算距離，如果（其中為調(diào)節(jié)系數(shù)，）則判斷該線段存在凹點，將該點加入凹點集合，同時將該點標記設(shè)為1，凹點標記符為真；(4) 若為真，將該線段繼續(xù)等分為個點作為參考點，遍歷點云集合中中的所有標記為0的點，查找每個等分點的最近點并計算距離, 如果則將該點加入凹點集合，同時將該點標記設(shè)為1；(5)，重復(fù)步驟(2)-(4)直至；(7) 輸出凹點集合。

實施例一：圖6是phone模型的邊界特征識別過程示意圖，如圖6-a所示，對一個phone模型的采樣數(shù)據(jù)進行邊界特征提取試驗，通過對樣本數(shù)據(jù)進行投影，得到樣本數(shù)據(jù)的二維點集合（圖6-b所示），基于提出的凸點、凹點識別方法，對二維點集提取凸邊界、凹邊界特征（圖6-c、6-d所示），完整的二維邊界特征如圖6-e所示，根據(jù)投影對應(yīng)關(guān)系，可進一步獲取phone模型的三維邊界特征，如圖6-f所示，從圖中可以看出，phone模型的外邊界以及按鍵、屏幕邊界特征均被有效識別出來。

實施例二：為驗證本發(fā)明的有效性，進一步對另外兩個模型part、fish進行邊界特征提取測試，如圖7所示，從圖中可以看出，part、fish模型的二維邊界及其對應(yīng)的三維邊界特征均被有效識別，從而驗證了本發(fā)明在提取邊界特征過程中的適用性。

通過實施例可以得出，本發(fā)明能以較小的計算代價識別點云的邊界特征，在邊界特征識別的效率與精度等方面的綜合性能優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實例而已，并非是對本發(fā)明作其他形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為同等變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護內(nèi)容。