一种基于三角剖分的点云比例标准化方法与流程

本发明涉及生物医学测量与模式识别技术领域，尤其是指一种基于三角剖分的点云比例标准化方法。

背景技术：

在生物医学测量中，由于个体差异性，我们通常会具体分析一个标准模型，而对其他非标准模型进行标准化处理。如在耳廓识别中，需要对三维耳廓点云模型进行归一化预处理，以统一数据库中所有耳廓点云模型的位置与姿态，然后基于分类系统对三维耳廓的局部特征区域进行提取和匹配，从而实现耳廓形状识别；又如在胎头位置分析中，需要将被测者的三维骨盆点云模型进行姿态标准化和变形处理，从而应用标准模型的产轴线对此被测者骨盆中胎头位置进行估计。点云标准化包括位置标准化及比例标准化，本专利仅涉及后者。

目前最常用的点云比例标准化方法是基于仿射变换的，通常的流程如下：首先将待标准化处理的点云数据和标准点云数据进行配准，比较经典的算法有icp算法，然后再对配准后的点云数据进行仿射变换，求解缩放系数，将待标准化处理点云的尺寸放大或缩小至与标准三维点云的尺寸相一致。但icp算法用时长，包括初始匹配和精确配准两个环节，需要经过多次最近点搜索和迭代。容易陷入局部最小，不稳定。尤其在特征点较少的情况下不够准确。在针对具有复杂表面、点云数据量大的生物体对象时，这种方法效果较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供了一种基于三角剖分的点云比例标准化方法，该方法不需要先经过配准，运算速度快，只需要较少的采样点就能够得到较为精确的结果，在针对不规则图形时尤其具有优势。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于三角剖分的点云比例标准化方法，包括以下步骤：

1)获得待标准化处理的三维点云a和标准三维点云b，分别求点云a和点云b的全局质心ma和mb；

2)对点云a内表面进行采样，并以采样点为顶点构建由delaunay三角构成的凸壳；

3)计算三维点云a的特征比例系数λ和γ；

4)根据标准三维点云b的delaunay三角顶点关系，应用点云a的特征比例系数，对点云a的进行拉伸变形，使其比例标准化，获得标准化后的点云a’。

在步骤3)中，特征比例系数λ和γ的计算步骤如下：

3.1)取点云a中的一点pai，计算此点与点云a全局质心的连线在凸壳上的交点cai，并保证pai与ma的连线和cai与ma的连线的夹角为锐角；

3.2)交点cai落在delaunay三角ta内，假设ta的三个顶点分别为va1、va2和va3，直线va1va2与直线va3cai的交点为dai，pai的特征比例系数λai和γai的计算公式如下：

λaiva1+(1‐λai)va2＝dai

γaiva3+(1‐γai)dai＝cai；

在步骤4)中，对点云a的进行比例标准化的步骤如下：

4.1)在标准三维点云b内表面相对应位置进行采样，并以采样点为顶点构建由delaunay三角构成的凸壳；

4.2)pbi为三维点云b的任意一点，pbi与质心mb的连线在凸壳上的交点cbi落在delaunay三角tb内，假设tb的三个顶点分别为vb1、vb2和vb3，交点cbi的计算公式如下：

cbi＝λai(1‐γai)vb1+(1‐λai)(1‐γai)vb2+γaivb3；

4.3)p’ai为比例标准化的三维点云a’中的任意一点，其计算公式为：

4.4)重复步骤3.1)到4.3)直到遍历点云a中的所有点，获得标准化点云a’。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明通过在点云内表面选取采样点构建基于三角剖分的凸壳，点云与全局质心连线在凸壳上某一三角形内产生交点，计算此点与三角形顶点相关的特征比例系数，再利用标准三维点云的对应凸壳上的三角顶点关系得到比例标准化的点云数据。这种点云比例标准化方法，避免了现有技术先进行配准造成的用时长和不稳定的缺点，为点云标准化预处理提供了一种快速、简便、高效的手段。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为特征比例系数计算原理示意图。

图3为点云比例标准化处理前后对比示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

参见图1所示，本实施例所述的基于三角剖分的点云比例标准化方法，具体通过以下步骤实现：

1)获得待标准化处理的三维点云a＝{pa1,pa2.....pan}和标准三维点云b＝{pb1,pb2.....pbm}，分别求点云a和点云b的全局质心ma和mb。

2)在点云a内表面选取6个特征点作为顶点构建由n个delaunay三角构成的凸壳ch(ta)，其中ta＝{ta1,ta2.....tan}，tat表示第t个delaunay三角形，t∈[1,n]。

3)计算三维点云a的特征比例系数λ和γ，参见图2所示，其具体步骤如下：

3.1)取点云a中的每一个点pai∈a(i＝1,2.....an)，求点pai与质心ma的连线paima与凸壳ch(ta)在tat上的交点cai，保证paima与caima夹角为锐角。

3.2)tat的三个顶点分别为va1，va2和va3，直线va1va2与直线va3cai的交点为dai。点pai的特征比例系数λai和γai的计算公式如下：

λaiva1+(1‐λai)va2＝dai

γaiva3+(1‐γai)dai＝cai

4)根据标准三维点云b的delaunay三角顶点关系，应用点云a的特征比例系数，对点云a的进行拉伸变形，使其比例标准化，获得标准化后的点云a’，其具体步骤如下：

4.1)在点云b内表面相应位置选取6个特征点作为顶点构建由n个delaunay三角构成的凸壳ch(tb)，其中tb＝{tb1,tb2.....tbn}，tbt表示第t个delaunay三角形，t∈[1,n]。

4.2)tbt的三个顶点分别为vb1，vb2和vb3，pbi为三维点云b的任意一点，pbi与质心mb的连线pbimb与凸壳ch(tb)在tbt上的交点cbi的计算公式如下：

cbi＝λai(1‐γai)vb1+(1‐λai)(1‐γai)vb2+γaivb3；

4.3)p’ai为比例标准化的三维点云a’中的任意一点，其计算公式为：

4.4)重复步骤3.1)到4.3)直到遍历点云a中的所有点，获得标准化点云a’，点云比例标准化处理前后对比请参见图3所示。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。