本發(fā)明公開(kāi)一種不規(guī)則巷道彩色點(diǎn)云孔洞填充方法，屬于地下礦山三維建模與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、礦產(chǎn)資源是國(guó)家重要的自然資源之一，地下礦山在礦產(chǎn)資源中所占比重大且開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)較高，在部分地下礦山中存在著不按設(shè)計(jì)生產(chǎn)、擅自變更開(kāi)采范圍等問(wèn)題，從而導(dǎo)致出現(xiàn)重大安全隱患和違反規(guī)章規(guī)程行為。通過(guò)構(gòu)建地下礦山三維模型，可以更準(zhǔn)確地了解礦山的結(jié)構(gòu)和開(kāi)采現(xiàn)狀，有效評(píng)估和管理礦山開(kāi)采過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，保證礦山生產(chǎn)的安全性。三維激光掃描技術(shù)具有高精度、高密度、易操作的特點(diǎn)，已經(jīng)成為地下礦山井巷工程空間數(shù)據(jù)采集的重要手段，通過(guò)獲取的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)三維模型快速構(gòu)建。

2、由于在巷道中分布著大量的管線系統(tǒng)、照明燈具以及礦車(chē)等設(shè)備設(shè)施，在數(shù)據(jù)采集時(shí)不可避免的會(huì)對(duì)巷道壁造成遮擋，形成內(nèi)部孔、邊界孔以及貫通孔等不同類(lèi)型的孔洞，并且巷道中常有積水，對(duì)激光束具有較高的吸收和散射能力，也會(huì)造成孔洞的產(chǎn)生，影響三維模型的建模精度以及完整性，增加后期模型處理的成本。因此，孔洞填充是基于三維點(diǎn)云進(jìn)行地下礦山井巷空間建模的基礎(chǔ)性工作，具有重要的價(jià)值。

3、目前，孔洞填充方法主要可以分為三類(lèi)，一類(lèi)是基于網(wǎng)格的孔洞修補(bǔ)，主要是將原始點(diǎn)云進(jìn)行三角化，根據(jù)三角網(wǎng)輪廓線的拓?fù)潢P(guān)系定位孔洞，然后進(jìn)行局部擴(kuò)張來(lái)實(shí)現(xiàn)孔洞的修復(fù)，該類(lèi)方法在數(shù)據(jù)量較大時(shí)修補(bǔ)過(guò)于耗時(shí)，且對(duì)孔洞類(lèi)型的適應(yīng)性差，不適合巷道的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征，難以取得較好的修補(bǔ)效果；另一類(lèi)是基于散亂點(diǎn)云的孔洞修補(bǔ)方法，直接在散亂點(diǎn)上識(shí)別孔洞邊緣點(diǎn)，在孔洞內(nèi)部進(jìn)行插值填充，該類(lèi)方法計(jì)算量通常較大，孔洞邊界識(shí)別的精度對(duì)填充效果具有很大的影響，且對(duì)管線類(lèi)的貫通孔洞識(shí)別效果較差。近年來(lái)，隨著三維點(diǎn)云深度學(xué)習(xí)方法的不斷發(fā)展，對(duì)點(diǎn)云補(bǔ)全問(wèn)題的研究也有了一定突破，然而深度學(xué)習(xí)對(duì)數(shù)據(jù)集依賴(lài)較大，在真實(shí)場(chǎng)景中，由于各種物體的遮擋，完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往很難獲取到，因此基于深度學(xué)習(xí)的方法很難推廣到真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中。

4、綜上所述，提出了一種不規(guī)則巷道彩色點(diǎn)云孔洞填充方法，將巷道點(diǎn)云切片作為型值點(diǎn)，利用pia算法優(yōu)化三次b樣條曲線擬合，根據(jù)點(diǎn)間距進(jìn)行自適插值，不僅對(duì)多種類(lèi)型的孔洞都具有較好的修補(bǔ)效果，還能為修補(bǔ)后的點(diǎn)云進(jìn)行均勻賦色，有效提高了建模的質(zhì)量和效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種不規(guī)則巷道表面的彩色點(diǎn)云孔洞填充方法，以解決礦山巷道多種類(lèi)型孔洞難以一次性填充以及孔洞區(qū)域顏色信息缺失的問(wèn)題。

2、一種不規(guī)則巷道彩色點(diǎn)云孔洞填充方法，包括：

3、s1.對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行體素濾波，提取離體素網(wǎng)格質(zhì)心最近的真實(shí)點(diǎn)，降低點(diǎn)云密度，并使散亂點(diǎn)云得到規(guī)整，提取點(diǎn)云的中心線，沿中心線垂直方向進(jìn)行密集切片，得到點(diǎn)云切片；

4、s2.對(duì)于每一個(gè)無(wú)序的點(diǎn)云切片，通過(guò)極坐標(biāo)角度計(jì)算對(duì)點(diǎn)云切片進(jìn)行排序；

5、s3.將s2得到排序后的切片點(diǎn)云作為型值點(diǎn)輸入，采用追趕法對(duì)b樣條曲線的控制點(diǎn)求解矩陣進(jìn)行l(wèi)u分解，得到初始控制點(diǎn)；

6、s4.利用pia算法對(duì)初始控制點(diǎn)進(jìn)行迭代優(yōu)化，減小控制點(diǎn)生成曲線與真實(shí)點(diǎn)云之間的誤差；

7、s5.將切片點(diǎn)云構(gòu)造為閉合曲線，根據(jù)被插值點(diǎn)間距大小，在原始型值點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行非均勻三次b樣條閉合曲線擬合插值，對(duì)插值點(diǎn)進(jìn)行k近鄰搜索，計(jì)算鄰域點(diǎn)的rgb均值，為插值點(diǎn)賦色，實(shí)現(xiàn)彩色點(diǎn)云的孔洞修補(bǔ)，對(duì)插值完成后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行一次體素濾波，得到規(guī)整的巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

8、s1包括，s1.1.將整理的點(diǎn)云投影到xoy平面，通過(guò)計(jì)算橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的差值，判斷巷道在xoy面上的走向d，然后沿走向d進(jìn)行切片，提取每個(gè)切片的中心點(diǎn)得到初始中心線：

9、d＝max{xmax-xmin,ymax-ymin}；

10、式中，xmin、xmax、ymin、ymax為一組點(diǎn)云數(shù)據(jù)中橫縱方向坐標(biāo)的最小和最大值。

11、s1包括，s1.2.采用ransac算法進(jìn)行曲線擬合，剔除存在問(wèn)題的點(diǎn)，擬合后的直線通過(guò)點(diǎn)向式表示：

12、

13、式中，(x，y，z)表示某一點(diǎn)的三維坐標(biāo)，l＝(m，n，p)為方向向量，(x0，y0，z0)為已知中心點(diǎn)的坐標(biāo)，直線外一個(gè)三維點(diǎn)(x11，y11，z11)投影到直線上的表達(dá)式為：

14、(xp,yp,zp)＝(x0,y0,z0)+k*(m,n,p)；

15、式中，(xp，yp，zp)為投影后的坐標(biāo)，參數(shù)k為：

16、

17、投影到直線后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)即為按巷道走向的數(shù)據(jù)，沿中心線垂線方向重新進(jìn)行切片，得到準(zhǔn)確的切片數(shù)據(jù)。

18、s2包括：

19、s2.1.對(duì)每個(gè)切片進(jìn)行二維平面擬合，將三維點(diǎn)投影到二維平面，獲取凸包輪廓，計(jì)算凸包的中心點(diǎn)；

20、s2.2.計(jì)算每個(gè)點(diǎn)與中心點(diǎn)的極坐標(biāo)角度，按照角度大小進(jìn)行排序，將點(diǎn)映射回三維空間，得到有序的點(diǎn)云切片，極角α計(jì)算公式如下：

21、α＝arctan2(y-yc,x-xc)；

22、令y＝y(tǒng)-yc，x＝x-xc，則：

23、

24、式中，xc、yc為中心點(diǎn)的坐標(biāo)。

25、s3包括，s3.1.將排序后的切片點(diǎn)云作為一組輸入的型值點(diǎn)集pi，對(duì)于三次b樣條曲線，型值點(diǎn)集pi和控制點(diǎn)集ki的關(guān)系為：

26、pi＝(ki-1+4ki+ki+1)(i＝1,2,3,...,n)；

27、式中，含有n個(gè)方程，n+2個(gè)未知數(shù)，對(duì)于閉合曲線，控制點(diǎn)k0＝kn，kn+1＝k1。

28、s3包括，s3.2.反求控制點(diǎn)方程組為：

29、

30、式中，包含n個(gè)方程和n個(gè)未知數(shù)，方程組有唯一解，根據(jù)輸入的切片點(diǎn)云反解出控制點(diǎn)k0、k1、...、kn-1，由k0＝kn，kn+1＝k1，得到全部n+2個(gè)控制點(diǎn)k0、k1、...、kn+1。

31、s3包括，s3.3.利用追趕法進(jìn)行方程組求解，將反求控制點(diǎn)方程組左側(cè)系數(shù)矩陣定義為h，等式右側(cè)向量為p，解向量為k，進(jìn)行l(wèi)u分解為：

32、lu＝h；

33、式中，l為下三角矩陣，u為上三角矩陣；

34、使用前向替換求解：

35、ly1＝p；

36、式中，y1為臨時(shí)解向量；

37、使用后向替換求解：

38、uk＝y(tǒng)1；

39、得到最終解向量k。

40、s4包括，s4.1.構(gòu)造節(jié)點(diǎn)向量，根據(jù)控制點(diǎn)的數(shù)量m1構(gòu)造一個(gè)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)向量nk，在(0，2π)之間生成m1個(gè)數(shù)值序列tj(j＝1,2,...,m1)，取數(shù)值序列最大值a和最小值b構(gòu)成nk：

41、nk＝[a,a,a,a,t2,t3,...,tm-3,tm-2,b,b,b,b]；

42、s4.2.建立基函數(shù)矩陣，由de?boor-cox遞推公式根據(jù)給定的結(jié)點(diǎn)向量和參數(shù)值，依次計(jì)算每個(gè)結(jié)點(diǎn)處每個(gè)階數(shù)的基函數(shù)值，得到的基函數(shù)矩陣b，b的大小是m0×n0，其中m0是結(jié)點(diǎn)向量中的結(jié)點(diǎn)數(shù)量，n0是待插值的位置的數(shù)量即切片點(diǎn)云的數(shù)量，公式為：

43、

44、式中，i0表示結(jié)點(diǎn)向量中的結(jié)點(diǎn)索引，取值為(0，m0-1)，k0表示基函數(shù)的階數(shù)，即每個(gè)結(jié)點(diǎn)處的基函數(shù)的階數(shù)，表示基于k0階的基函數(shù)在i0處的值，表示基于k0-1階的基函數(shù)在i0處的值，表示基于k0-1階的基函數(shù)在i0+1處的值；t′是參數(shù)，表示待插值的位置；表示結(jié)點(diǎn)向量中的第i0個(gè)結(jié)點(diǎn)；和分別表示結(jié)點(diǎn)向量中的第i0+k0個(gè)結(jié)點(diǎn)和第i0+k0+1個(gè)結(jié)點(diǎn)。

45、s4包括，s4.3.優(yōu)化控制點(diǎn)，根據(jù)控制點(diǎn)集ki以及基函數(shù)矩陣b，計(jì)算控制點(diǎn)與b樣條曲線在x、y、z方向上的插值差異δx、δy、δz：

46、

47、式中，kx、ky、kz為控制點(diǎn)在x、y、z方向上的坐標(biāo)值，xk、yk、zk為控制點(diǎn)在x、y,、z方向上的坐標(biāo)向量；

48、計(jì)算誤差的范數(shù)e進(jìn)行誤差控制，誤差閾值為10-5或迭代超過(guò)100次：

49、

50、式中，δxi′、δyi′、δzi′為第i′個(gè)控制點(diǎn)在x、y、z方向上的插值差異。

51、s5包括，s5.1.將輸入的pi使其首尾相連，即令pn+1＝p0，型值點(diǎn)的數(shù)量為n+1個(gè)，b樣條曲線擬合的總方程p(t)為：

52、

53、式中，t是參數(shù)，t∈[0,1]，fi,k(t)為b樣條曲線的基函數(shù)，基函數(shù)公式為：

54、

55、s5.2.設(shè)置點(diǎn)間距，將當(dāng)前被插值的兩個(gè)型值點(diǎn)之間的距離除以點(diǎn)間距得到需要插值的點(diǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)密度自適應(yīng)插值，在三次b樣條曲線中，4個(gè)點(diǎn)確定一條三次曲線，根據(jù)b樣條公式，輸入4個(gè)控制點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)(x3，y3，z3)(x4，y4，z4)，即可計(jì)算出插值點(diǎn)(xt，yt，zt)：

56、

57、s5.3.計(jì)算(xt，yt，zt)的k鄰域，計(jì)算鄰域點(diǎn)的rgb均值，為當(dāng)前插值點(diǎn)進(jìn)行賦色，補(bǔ)充孔洞的顏色缺失，得到完整的巷道彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

58、相對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出了一種不規(guī)則巷道彩色點(diǎn)云孔洞填充方法，能夠適用于地下礦山巷道中不同類(lèi)型的點(diǎn)云孔洞；優(yōu)化了傳統(tǒng)三次b樣條曲線擬合的控制點(diǎn)精度，插值結(jié)果更加準(zhǔn)確；考慮了點(diǎn)云缺失部分與完整部分的稀疏度不同，根據(jù)點(diǎn)間距實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)非均勻插值，使得插值后的整體點(diǎn)云具有良好的均勻性；在有效修補(bǔ)點(diǎn)云孔洞的同時(shí)還原了巷道內(nèi)壁的凹凸情況；對(duì)孔洞部分的點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)了均勻賦色，為實(shí)景三維建模奠定了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。