CN111553343B - 一种激光点云特征的提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光点云特征的提取方法，包括如下步骤：选取中心点Pc，以该点为球心，r为半径，形成球形区域S1；求S1内所有邻域点组成的多面体的质心Pc'的坐标；在S1内重新划分一个同心的球形区域S2，S2的半径小于球形区域S1的半径，并求S2内所有邻域点组成的多面体的质心Pc”的坐标；在Pc、Pc'、Pc”三个点组成的平面内建立坐标系，坐标系原点为Pc点；将球形区域S1内所有点的坐标都转换到新建的坐标系下，然后将所有的邻域点分别和球心Pc连接组成向量，将所有的向量进行矢量叠加，求得的矢量即为中心点Pc的特征。本发明所公开的方法能够快速提取出点云的特征，并且对于初始值的选定不是非常敏感，提高了鲁棒性，对于不同场景具有较好的适应性。

Description

一种激光点云特征的提取方法
技术领域
本发明涉及一种激光点云特征的提取方法。
背景技术
点云是目前在机器视觉，三维重建，机器学习等众多领域广泛使用的数据源，而若要对点云数据进行充分的利用，那么点云特征的提取便是非常重要的一环。
目前点云特征提取的方法如PFH，其计算量比较大，不适用于SLAM等实时性要求较高的场景，其改进的算法FPFH，降低了计算复杂度，但是其本质是一个直方图，描述的是点与点之间的角度关系，最终统计出来的概率直方图，没有距离信息，即会有点云的尺度问题。而且当前很多的算法并不具有旋转不变性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光点云特征的提取方法，以达到能够快速提取出点云的特征，并且对于初始值的选定不是非常敏感，对于不同场景具有较好的适应性的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种激光点云特征的提取方法，包括如下步骤：
步骤一，选取中心点Pc，以该点为球心，r为半径，形成球形区域S1；求球形区域S1内所有邻域点组成的多面体的质心Pc'的坐标；
步骤二，在球形区域S1内重新划分一个同心的球形区域S2，球形区域S2的半径小于球形区域S1的半径，并求球形区域S2内所有邻域点组成的多面体的质心Pc”的坐标；
步骤三，在Pc、Pc'、Pc”三个点组成的平面内建立坐标系，坐标系原点为Pc点，X轴的方向是点Pc指向Pc'的方向，Y轴的方向是垂直于X轴且靠近Pc”的方向，根据X、Y轴建立右手坐标系，Z轴的方向也唯一确定；
步骤四，将球形区域S1内所有点的坐标都转换到新建的坐标系下，然后将所有的邻域点分别和球心Pc连接组成向量，将所有的向量进行矢量叠加，求得的矢量即为中心点Pc的特征。
上述方案中，步骤一中，Pn是球心Pc(x1,y1,z1)的所有的邻域点，设第i个邻域点Pni的坐标为(xni,yni,zni)，则质心Pc'(x2,y2,z2)的坐标为：
Figure BDA0002434988200000021
其中，k为邻域点Pn的个数。
上述方案中，步骤二中，初始设定球形区域S2的半径为球形区域S1的半径的一半，设球形区域S2内第j个邻域点Pnj的坐标为(xnj,ynj,znj)，则质心Pc”(x3,y3,z3)的坐标为：
Figure BDA0002434988200000022
其中，m为球形区域S2内包含的邻域点的个数，若m<3，则扩大球形区域S2的半径，直至m≧3。
上述方案中，步骤三中，三点坐标如下：Pc(x1,y1,z1)，Pc'(x2,y2,z2)，Pc”(x3,y3,z3)，做向量
Figure BDA0002434988200000023
平面法线和这两个向量垂直，因此法向量
Figure BDA0002434988200000024
Figure BDA0002434988200000025
a＝(y2-y1)(z3-z1)-(y3-y1)(z2-z1)
b＝(x3-x1)(z2-z1)-(x2-y1)(z3-z1)
c＝(x2-x1)(y3-y1)-(x3-x1)(y2-y1)
则平面方程为：
a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)＝0
简化为：
ax+by+cz+d＝0
其中：
d＝-a·x1-b·y1-c·z1
设坐标系原点为Pc，X轴的方向向量为
Figure BDA0002434988200000031
Z轴的方向向量为
Figure BDA0002434988200000032
则Y轴的方向向量为：
Figure BDA0002434988200000033
由此，新的坐标系建立完成。
上述方案中，步骤四中，点P新坐标系下的坐标为：
nP＝ToP
其中，角标n代表新的坐标系下坐标，角标o代表原始坐标系的坐标，T为转换矩阵：
Figure BDA0002434988200000034
则点到新坐标系下的转换可写作：
Figure BDA0002434988200000035
然后，在此坐标系下将所有的邻域点Pn分别和球心Pc连接到一起，组成k个向量，将此k个向量再矢量叠加，最后得到的向量τ便是所求点Pc的特征。
通过上述技术方案，本发明提供的激光点云特征的提取方法具有如下有益效果：
本发明的方法区别于PFH及FPFH的直方图的特征点表征方式，本发明通过直接构建空间向量的方式来表征特征。通过计算两个球形区域的质心，并以此质心来构建三维空间坐标系，在此坐标系下利用所有的点的向量来构建新的向量，以此来表征当前点的特征，从而保证了旋转不变性，并且降低了噪声点的影响，提高了鲁棒性。本方法能够快速提取出点云的特征，并且对于初始值的选定不是非常敏感，对于不同场景具有较好的适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种激光点云特征的提取方法流程示意图；
图2为建立的球形区域S1的示意图；
图3为建立的球形区域S2以及新坐标系的示意图；
图4为矢量叠加的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种激光点云特征的提取方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤一，如图2所示，选取中心点Pc，以该点为球心，r为半径，形成球形区域S1；求球形区域S1内所有邻域点组成的多面体的质心Pc'的坐标；
Pn是球心Pc(x1,y1,z1)的所有的邻域点，设第i个邻域点Pni的坐标为(xni,yni,zni)，则质心Pc'(x2,y2,z2)的坐标为：
Figure BDA0002434988200000041
其中，k为邻域点Pn的个数。
步骤二，如图3所示，在球形区域S1内重新划分一个同心的球形区域S2，球形区域S2的半径小于球形区域S1的半径，并求球形区域S2内所有邻域点组成的多面体的质心Pc”的坐标；
初始设定球形区域S2的半径为球形区域S1的半径的一半，设球形区域S2内第j个邻域点Pnj的坐标为(xnj,ynj,znj)，则质心Pc”(x3,y3,z3)的坐标为：
Figure BDA0002434988200000042
其中，m为球形区域S2内包含的邻域点的个数，若m<3，则扩大球形区域S2的半径，直至m≧3。
步骤三，在Pc、Pc'、Pc”三个点组成的平面内建立坐标系，坐标系原点为Pc点，X轴的方向是点Pc指向Pc'的方向，Y轴的方向是垂直于X轴且靠近Pc”的方向，根据X、Y轴建立右手坐标系，Z轴的方向也唯一确定；
三点坐标如下：Pc(x1,y1,z1)，Pc'(x2,y2,z2)，Pc”(x3,y3,z3)，做向量
Figure BDA0002434988200000051
Figure BDA0002434988200000052
平面法线和这两个向量垂直，因此法向量
Figure BDA0002434988200000053
Figure BDA0002434988200000054
a＝(y2-y1)(z3-z1)-(y3-y1)(z2-z1)
b＝(x3-x1)(z2-z1)-(x2-y1)(z3-z1)
c＝(x2-x1)(y3-y1)-(x3-x1)(y2-y1)
则平面方程为：
a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)＝0
简化为：
ax+by+cz+d＝0
其中：
d＝-a·x1-b·y1-c·z1
设坐标系原点为Pc，X轴的方向向量为
Figure BDA0002434988200000055
Z轴的方向向量为
Figure BDA0002434988200000056
则Y轴的方向向量为：
Figure BDA0002434988200000057
由此，新的坐标系建立完成。
步骤四，将球形区域S1内所有点的坐标都转换到新建的坐标系下，然后将所有的邻域点分别和球心Pc连接组成向量，如图4所示，将所有的向量进行矢量叠加，求得的矢量即为中心点Pc的特征。
点P新坐标系下的坐标为：
nP＝ToP
其中，角标n代表新的坐标系下坐标，角标o代表原始坐标系的坐标，T为转换矩阵：
Figure BDA0002434988200000061
则点到新坐标系下的转换可写作：
Figure BDA0002434988200000062
然后，在此坐标系下将所有的邻域点Pn分别和球心Pc连接到一起，组成k个向量，将此k个向量再矢量叠加，最后得到的向量τ便是所求点Pc的特征。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种激光点云特征的提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，选取中心点Pc，以该点为球心，r为半径，形成球形区域S1；求球形区域S1内所有邻域点组成的多面体的质心Pc'的坐标；
步骤二，在球形区域S1内重新划分一个同心的球形区域S2，球形区域S2的半径小于球形区域S1的半径，并求球形区域S2内所有邻域点组成的多面体的质心Pc”的坐标；
步骤三，在Pc、Pc'、Pc”三个点组成的平面内建立坐标系，坐标系原点为Pc点，X轴的方向是点Pc指向Pc'的方向，Y轴的方向是垂直于X轴且靠近Pc”的方向，根据X、Y轴建立右手坐标系，Z轴的方向也唯一确定；
步骤四，将球形区域S1内所有点的坐标都转换到新建的坐标系下，然后将所有的邻域点分别和球心Pc连接组成向量，将所有的向量进行矢量叠加，求得的矢量即为中心点Pc的特征。
2.根据权利要求1所述的一种激光点云特征的提取方法，其特征在于，步骤一中，Pn是球心Pc(x1,y1,z1)的所有的邻域点，设第i个邻域点Pni的坐标为(xni,yni,zni)，则质心Pc'(x2,y2,z2)的坐标为：
Figure FDA0004123423610000011
其中，k为邻域点Pn的个数。
3.根据权利要求2所述的一种激光点云特征的提取方法，其特征在于，步骤二中，初始设定球形区域S2的半径为球形区域S1的半径的一半，设球形区域S2内第j个邻域点Pnj的坐标为(xnj,ynj,znj)，则质心Pc”(x3,y3,z3)的坐标为：
Figure FDA0004123423610000012
其中，m为球形区域S2内包含的邻域点的个数，若m<3，则扩大球形区域S2的半径，直至m≥3。
4.根据权利要求3所述的一种激光点云特征的提取方法，其特征在于，步骤三中，三点坐标如下：Pc(x1,y1,z1)，Pc'(x2,y2,z2)，Pc”(x3,y3,z3)，做向量
Figure FDA0004123423610000021
Figure FDA0004123423610000022
平面法线和这两个向量垂直，因此法向量
Figure FDA0004123423610000023
Figure FDA0004123423610000024
a＝(y2-y1)(z3-z1)-(y3-y1)(z2-z1)
b＝(x3-x1)(z2-z1)-(x2-y1)(z3-z1)
c＝(x2-x1)(y3-y1)-(x3-x1)(y2-y1)
则平面方程为：
a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)＝0
简化为：
Figure FDA0004123423610000025
其中：
d＝-a·x1-b·y1-c·z1
设坐标系原点为Pc，X轴的方向向量为
Figure FDA0004123423610000026
Z轴的方向向量为
Figure FDA0004123423610000027
则Y轴的方向向量为：
Figure FDA0004123423610000028
由此，新的坐标系建立完成。
5.根据权利要求4所述的一种激光点云特征的提取方法，其特征在于，步骤四中，点P新坐标系下的坐标为：
nP＝ToP
其中，角标n代表新的坐标系下坐标，角标o代表原始坐标系的坐标，T为转换矩阵：
Figure FDA0004123423610000029
则点到新坐标系下的转换可写作：
Figure FDA0004123423610000031
然后，在此坐标系下将所有的邻域点Pn分别和球心Pc连接到一起，组成k个向量，将此k个向量再矢量叠加，最后得到的向量τ便是所求点Pc的特征。
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