一種平面標(biāo)靶的快速提取算法

0圖像點(diǎn)云處理方法中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)分析和標(biāo)心坐標(biāo)的確定色彩和強(qiáng)度作為云的屬性信息，在處理云數(shù)據(jù)方面沒(méi)有得到有效應(yīng)用。通過(guò)分析點(diǎn)云的屬性信息,基于點(diǎn)云的色彩和強(qiáng)度可以有效提高海量散亂點(diǎn)云處理的效率,這對(duì)3維激光掃描技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展有著重要的意義。目前,利用3維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含空間坐標(biāo)(x,y,z)、屬性信息色彩(R,G,B)和回光強(qiáng)度(指激光經(jīng)過(guò)物體表面反射并返回到儀器內(nèi)部經(jīng)過(guò)量化后的反射光強(qiáng)度值)。現(xiàn)有的點(diǎn)云處理算法和流行的商業(yè)軟件多是在3維笛卡兒坐標(biāo)系中,根據(jù)點(diǎn)的空間坐標(biāo)(x,y,z)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。隨著點(diǎn)云數(shù)據(jù)量的不斷增加,此類(lèi)算法的效率和處理的效果都面臨著極大的挑戰(zhàn)。平面標(biāo)靶中心的精確確定對(duì)掃描儀的檢校以及多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)具有重要的意義,目前各個(gè)掃描儀廠家都有專(zhuān)屬的平面標(biāo)靶,但是對(duì)平面標(biāo)靶靶心的提取多是依托軟件附加功能進(jìn)行手工交互式提取,這種方法提取效率低且精度較差。根據(jù)點(diǎn)云的色彩和強(qiáng)度信息,提出一種平面標(biāo)靶的提取算法并精確確定靶心坐標(biāo)是本文研究的重點(diǎn)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割和特征提取進(jìn)行了大量的研究。第1類(lèi)主要根據(jù)點(diǎn)云的空間特性進(jìn)行點(diǎn)云分割。主要有Woo等人近年來(lái),點(diǎn)云的屬性信息得到了學(xué)者們的重視,Johnson和Kang根據(jù)點(diǎn)云的色彩和回光強(qiáng)度信息,提出一種平面標(biāo)靶的快速提取算法用于精確確定標(biāo)靶點(diǎn)云的靶心坐標(biāo)。首先根據(jù)光譜歐氏距離函數(shù)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分類(lèi),對(duì)分類(lèi)后的點(diǎn)云進(jìn)行色彩重采樣以提高同類(lèi)點(diǎn)云的色彩一致性;然后根據(jù)色彩信息確定平面標(biāo)靶的位置,并結(jié)合幾何坐標(biāo)信息和色彩信息對(duì)圓形靶心區(qū)域進(jìn)行提取,并通過(guò)面積測(cè)定確定圓形靶心區(qū)域提取的有效性;最終通過(guò)點(diǎn)云的回光強(qiáng)度信息確定圓形靶心區(qū)域的靶心坐標(biāo),同時(shí)通過(guò)實(shí)例證明了本文方法的可行性和精確性。1方法原理1.1種子點(diǎn)的選取和判斷利用點(diǎn)云的真彩色信息進(jìn)行初始分割,通過(guò)判斷其他點(diǎn)與種子點(diǎn)的光譜距離來(lái)判斷是否在給定的閾值內(nèi)實(shí)現(xiàn)區(qū)域生長(zhǎng)。其中,通過(guò)計(jì)算點(diǎn)云的最小包圍盒,選取最鄰近包圍盒中心的點(diǎn)作為種子點(diǎn)。光譜距離的度量方法有很多種,本文采用歐氏距離來(lái)逐點(diǎn)判斷色彩的相似程度。光譜歐氏距離函數(shù)定義為式中,p對(duì)每個(gè)點(diǎn)計(jì)算其與種子點(diǎn)的光譜距離后,與事先給定的閾值比較,如果小于閾值,表示該點(diǎn)與種子點(diǎn)的顏色相似度高,應(yīng)該納入該種子點(diǎn)所在區(qū)域。反之,如果該點(diǎn)與所有種子點(diǎn)的距離值都比較大而無(wú)法歸于任何一個(gè)區(qū)域,則標(biāo)記該點(diǎn)為新的種子點(diǎn),開(kāi)始下一個(gè)點(diǎn)的判斷。其算法描述如圖1所示。1.2像素坐標(biāo)的重采樣實(shí)際獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的RGB值通過(guò)映射影像獲取,由于點(diǎn)云空間坐標(biāo)不是規(guī)格的像素坐標(biāo),需要對(duì)點(diǎn)云的色彩信息進(jìn)行重采樣。對(duì)同類(lèi)色彩屬性的點(diǎn)云進(jìn)行K鄰域搜索,然后根據(jù)點(diǎn)的K近鄰對(duì)點(diǎn)進(jìn)行色彩信息重采樣,點(diǎn)p(x,y,z,R,G,B)的RGB重采樣為式中,(R1.3靶心區(qū)域點(diǎn)云的定位方法平面標(biāo)靶的設(shè)計(jì)一般采用色差較大的顏色區(qū)分靶心圓形區(qū)域和四周邊框區(qū)域。目前應(yīng)用比較廣泛的色彩搭配一般為藍(lán)色邊框區(qū)域和白色靶心區(qū)域或者灰色邊框區(qū)域和白色靶心區(qū)域。通過(guò)基于色彩的點(diǎn)云分類(lèi)和重采樣可以明確區(qū)分不同色彩的點(diǎn)云。根據(jù)RGB屬性值進(jìn)行靶心區(qū)域點(diǎn)云定位方法步驟如下:1)根據(jù)分類(lèi)結(jié)果確定標(biāo)靶邊框區(qū)域,計(jì)算邊框區(qū)域點(diǎn)云的最小包圍盒獲取最大點(diǎn)與最小點(diǎn)坐標(biāo)。2)計(jì)算最大、最小點(diǎn)坐標(biāo)邊框區(qū)域的邊長(zhǎng)并與設(shè)計(jì)邊長(zhǎng)比較,滿足給定閾值范圍則認(rèn)為該區(qū)域?yàn)檎_的標(biāo)靶點(diǎn)云;否則認(rèn)為該區(qū)域?yàn)閭螛?biāo)靶區(qū),予以刪除。3)根據(jù)邊框的最大最小點(diǎn)坐標(biāo)同時(shí)以重采樣后的色彩信息為過(guò)濾條件,提取圓形靶心區(qū)域點(diǎn)云。4)對(duì)提取后的圓形靶心區(qū)域點(diǎn)云進(jìn)行三角剖分,計(jì)算其面積并與設(shè)計(jì)面積比較,滿足給定閾值范圍則認(rèn)為該區(qū)域?yàn)檎_的圓形靶心區(qū),否則予以刪除。5)循環(huán)以上操作,直至搜索完所有圓形目標(biāo)靶心區(qū)點(diǎn)云。1.4發(fā)揮著重要的作用準(zhǔn)確地獲取平面標(biāo)靶的靶心坐標(biāo)對(duì)基于平面標(biāo)靶的配準(zhǔn)以及掃描儀的檢校發(fā)揮著重要的作用。對(duì)于密度均勻或點(diǎn)間距小于5mm(采集分辨率大于1/4)的平面點(diǎn)云數(shù)據(jù)可近似為一幅空間數(shù)字影像,根據(jù)數(shù)字影像的采樣定律,通過(guò)點(diǎn)云的回光強(qiáng)度值計(jì)算鄰域中心的靶心坐標(biāo)p式中,(x2s100標(biāo)靶的安裝為了分析本文方法的可行性和精確性。采用徠卡HDS6000掃描平面標(biāo)靶。在黃色平板上粘貼平面標(biāo)靶,靶心區(qū)域直徑0.15m,色彩為白色;邊框區(qū)域?yàn)榫匦?長(zhǎng)度為0.21×0.25m2.1距離內(nèi)的平面標(biāo)準(zhǔn)偏差的提取精度2.1.1基于距離函數(shù)的點(diǎn)群分類(lèi)在距離掃描儀15m處放置實(shí)驗(yàn)平板,設(shè)定掃描區(qū)域針對(duì)平板進(jìn)行掃描。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖3所示。掃描儀采用逐行掃描的方式掃描平板。掃描獲取的每行數(shù)據(jù)含有7列數(shù)值,前3列為點(diǎn)的空間坐標(biāo)值x、y、z,第4列為回光強(qiáng)度值,后3列是點(diǎn)的色彩R、G、B值。首先獲取任意一點(diǎn)處的RGB值作為輸入值,采用光譜歐氏距離函數(shù)計(jì)算其他點(diǎn)到該點(diǎn)的光譜歐氏距離,設(shè)置光譜歐氏距離閾值為10,對(duì)顏色相近點(diǎn)進(jìn)行選擇分類(lèi)。根據(jù)上述算法原則循環(huán)分析,直至完成所有點(diǎn)群分類(lèi)。分類(lèi)后的原始點(diǎn)云如圖4所示。從圖4可以看出,對(duì)于色彩差異比較大的對(duì)象,通過(guò)采用光譜歐氏距離函數(shù)可以對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確分類(lèi)。為了進(jìn)一步提高同類(lèi)點(diǎn)云的光譜特征,需要對(duì)分類(lèi)后的點(diǎn)云進(jìn)行色彩重采樣。采用八叉樹(shù)對(duì)同類(lèi)點(diǎn)云進(jìn)行K近鄰域搜索,獲取每個(gè)點(diǎn)的K近鄰,然后根據(jù)式(2)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行色彩重采樣,圖5所示為根據(jù)點(diǎn)云的幾何坐標(biāo)采用八叉樹(shù)對(duì)其進(jìn)行K近鄰搜索以及色彩重采樣后的點(diǎn)云。根據(jù)分類(lèi)后點(diǎn)云的RGB值確定平面標(biāo)靶的邊框點(diǎn)云,并根據(jù)色彩與坐標(biāo)的映射關(guān)系獲取邊框點(diǎn)云的最大點(diǎn)與最小點(diǎn)坐標(biāo)作為圓形區(qū)域的過(guò)濾邊界值。具有圓形區(qū)域的幾何邊界值,再結(jié)合區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的RGB值過(guò)濾掉邊框點(diǎn),提取圓形區(qū)域點(diǎn),同時(shí)根據(jù)三角剖分后的面積計(jì)算,確定最終的圓形靶心區(qū)域。圖6所示為過(guò)濾后的圓形區(qū)域點(diǎn)云。針對(duì)提取后的圓形區(qū)域點(diǎn)云,根據(jù)式(3)計(jì)算區(qū)域的中心位置。2.1.2樣品測(cè)定精度分析為了分析比較本文方法的精度,分別采用手工提取以及全站儀測(cè)量標(biāo)靶靶心的方法,將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到全站儀全局坐標(biāo)系下比較分析精度。表1所示為不同方法的提取精度分析。從表1可以看出,以全站儀測(cè)量的數(shù)據(jù)為參考,本文方法的靶心坐標(biāo)提取精度要高于常用的手工提取的精度,本文方法的點(diǎn)位中誤差為3.31mm,采用手工提取靶心的點(diǎn)位中誤差為11.78mm。本文方法的提取精度明顯高于手工提取靶心的精度,且采用本文方法可以實(shí)現(xiàn)平面標(biāo)靶靶心坐標(biāo)的自動(dòng)化提取,效率較高。2.2表面標(biāo)記提取的精度分析2.2.1墻面標(biāo)靶布設(shè)由于在實(shí)際應(yīng)用中,一般布設(shè)多個(gè)(≥3)標(biāo)靶對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)或者精度分析。本文設(shè)計(jì)第2個(gè)實(shí)驗(yàn)用于分析提取多個(gè)平面標(biāo)靶靶心的精度。如圖7所示為在某墻面布設(shè)3個(gè)標(biāo)靶,根據(jù)到掃描儀的距離從近到遠(yuǎn)依次標(biāo)號(hào)為1、2、3號(hào)標(biāo)靶。采用本文方法對(duì)靶心坐標(biāo)進(jìn)行提取,同時(shí)和全站儀測(cè)量以及手工提取的精度進(jìn)行分析比較。圖8所示為采用本文方法提取的3個(gè)標(biāo)靶的圓形靶心。可以看出,隨著距離的增加,圓形區(qū)域的點(diǎn)云密度不斷降低。2.2.2靶心檢測(cè)精度將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到全站儀坐標(biāo)系下比較分析3種方法的靶心提取精度,表2所示為3種方法的靶心坐標(biāo)提取。表3為以全站儀測(cè)量的靶心坐標(biāo)數(shù)據(jù)為參考,分析比較本文方法和基于軟件的手工提取精度。從表3可以看出,本文方法提取的靶心坐標(biāo)精度與采用高精度全站儀測(cè)量的精度接近,高于手工提取的精度。其中3號(hào)標(biāo)靶距離掃描儀約15m,采用手工提取的點(diǎn)位中誤差為14.49mm,本文方法的點(diǎn)位誤差為4.69mm;2號(hào)標(biāo)靶距離掃描儀約10m,手工提取的點(diǎn)位中誤差為7.68mm,本文方法的點(diǎn)位中誤差為3.74mm;1號(hào)標(biāo)靶距離掃描儀約5m,手工提取的點(diǎn)位中誤差為3.31mm,本文方法的點(diǎn)位中誤差為1.41mm。由于掃描距離的不斷增加,點(diǎn)云密度越來(lái)越稀疏;同時(shí)由于入射角度的不斷增大,靶心區(qū)域由圓形變化為橢圓形,按手工提取的方法隨著密度和形狀的變化精度越來(lái)越差。而本文方法隨著密度和形狀的變化依然可以保持提取的精度,方法比較穩(wěn)健可行。3點(diǎn)云提取精度改進(jìn)研究直接基于點(diǎn)云的幾何坐標(biāo)進(jìn)行平面特征的提取效率低,基于點(diǎn)云的色彩和強(qiáng)度信息可以更高效地應(yīng)用到點(diǎn)云的特征提取中。在掃描儀的檢校以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)中,平面標(biāo)靶發(fā)揮著重要的作用。通過(guò)點(diǎn)云的色彩和強(qiáng)度自動(dòng)化確定標(biāo)靶靶心坐標(biāo)具有重要意義。本文通過(guò)研究點(diǎn)云的色彩和強(qiáng)度信息,提出了一種自動(dòng)化提取平面標(biāo)靶靶心坐標(biāo)的方法,可以有效地提高平面標(biāo)靶靶心的提取精度。本文方法適用于點(diǎn)云配準(zhǔn)過(guò)程中平面標(biāo)靶的自動(dòng)提取以及點(diǎn)云精度與質(zhì)量分析。取得的成果主要有:1)根據(jù)點(diǎn)云的色彩信息,采用光譜歐氏距離函數(shù)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分類(lèi),同時(shí)對(duì)分類(lèi)后的點(diǎn)群進(jìn)行色彩重采樣,提高分類(lèi)后點(diǎn)云色彩的強(qiáng)度,減少同類(lèi)點(diǎn)云的色差。2)根據(jù)點(diǎn)云的色彩值進(jìn)行點(diǎn)云的過(guò)濾以及目標(biāo)區(qū)域的提取,同時(shí)對(duì)提取后的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行面積測(cè)定,確定為有效的目標(biāo)區(qū)域。3)采用點(diǎn)的回光強(qiáng)度值,計(jì)算目標(biāo)區(qū)域的