一种船体复杂外板点云肋骨线提取方法及装置与流程

本发明涉及三维点云数据中特征线提取领域，尤其涉及一种船体复杂外板点云肋骨线提取方法及装置。

背景技术：

船体外板曲面是具有双向曲率的自由曲面，一般通过水火弯板工艺实现成形加工，但在加工过程中，需要对外板的成形情况进行判断。而船体外板的肋骨线具备描述船体外板轮廓的功能，因而常被用于衡量船体外板的成形程度。加工过程中需要先找到加工外板曲面上的肋骨线，然后与目标曲面的肋骨线进行比较，进而进行成形判断。所以，船体外板加工曲面肋骨线的提取技术是实现加工外板成形评价的首要前提。

目前，针对船体外板肋骨线的提取问题，国内外大部分造船厂仍然采用的是，有经验的工人通过活络样板测量与观察，描绘出待加工船体外板上的肋骨线。制作活络样板，不仅浪费大量材料，且手工检测的效率和精度都难以大幅度提高，成为制约造船生产效率提高的瓶颈。借鉴活络样板检测方法，先通过抓手装置完成测量点的定位，然后利用非接触式激光测量装置及位移传感器获取选定肋位处一系列点的三维坐标，最后拟合出相应的肋骨线。虽然该方法相对手工法提高了精度和效率，但需要逐条跟踪测量出肋骨线，且船体外板放置状态变化就会影响测量精度。此外，还有通过使用3D激光扫描仪获取整个待加工船体外板的点云数据，利用八叉树及特征曲率结合的方法，对点云数据进行剖分，最终拟合出相应的肋骨线。利用3D激光扫描仪虽可以快速完成对整个外板信息的采样，但在海量点云数据中寻找剖分出特征数据点后进行拟合，精度和效率同样受到限制。

因此，现有的船体外板肋骨线的提取技术中均存在成本高、效率慢、精度低等问题，制约了造船生产效率的提高。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种船体复杂外板点云肋骨线提取方法及装置，解决了现有的船体外板肋骨线的提取技术中均存在成本高、效率慢、精度低等问题，制约了造船生产效率的提高的技术问题。

本发明实施例提供的一种船体复杂外板点云肋骨线提取方法，包括：

统一目标船体外板的目标曲面和经扫描获得的待加工的船体外板的点云数据曲面的坐标系；

根据目标船体外板的目标曲面的肋骨线关键点向xoy平面投影并获取肋骨线基准点点阵；

根据肋骨线基准点点阵在待加工的船体外板的点云数据曲面索引出对应的三维点云数据，得到待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵；

根据待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵的三维坐标点进行曲线拟合，得到待加工的船体外板的肋骨线组。

优选地，统一目标船体外板的目标曲面和经扫描获得的待加工的船体外板的点云数据曲面的坐标系之前包括：

根据目标船体外板模型的纵向原始肋骨线和横向原始肋骨线拟合出目标曲面；

将通过激光扫描仪扫描采集的待加工的船体外板的原始点云数据去噪并获得待加工的船体外板的曲面点云数据。

优选地，根据目标船体外板的目标曲面的肋骨线关键点向xoy平面投影并获取肋骨线基准点点阵包括：

根据目标船体外板的目标曲面的肋骨线关键点向xoy平面投影并获取肋骨线基准点点阵，并根据激光扫描仪的扫描精度对肋骨线基准点点阵进行拓展获得新的肋骨线基准点点阵，肋骨线关键点为纵向原始肋骨线和横向原始肋骨线的相交点。

优选地，根据肋骨线基准点点阵在待加工的船体外板的点云数据曲面索引出对应的三维点云数据，得到待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵包括：

根据新的肋骨线基准点点阵的横坐标和纵坐标在待加工的船体外板的点云数据曲面索引出对应的三维点云数据；

对三维点云数据中的z轴坐标值进行加权求均值得到加权平均值，并将加权平均值作为待加工的船体外板的肋骨线关键点的Z轴坐标，得到待加工的船体外板的肋骨线基准点三维点阵。

优选地，根据待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵的三维坐标点进行曲线拟合，得到待加工的船体外板的肋骨线组包括：

根据待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵的三维坐标点通过最小二乘法进行曲线拟合，得到待加工的船体外板的肋骨线组。

本发明实施例提供的一种船体复杂外板点云肋骨线提取装置，包括：

统一模块，用于统一目标船体外板的目标曲面和经扫描获得的待加工的船体外板的点云数据曲面的坐标系；

投影模块，用于根据目标船体外板的目标曲面的肋骨线关键点向xoy平面投影并获取肋骨线基准点点阵；

索引模块，用于根据肋骨线基准点点阵在待加工的船体外板的点云数据曲面索引出对应的三维点云数据，得到待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵；

第一拟合模块，用于根据待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵的三维坐标点进行曲线拟合，得到待加工的船体外板的肋骨线组。

优选地，还包括：

第二拟合模块，用于根据目标船体外板模型的纵向原始肋骨线和横向原始肋骨线拟合出目标曲面；

去噪模块，用于将通过激光扫描仪扫描采集的待加工的船体外板的原始点云数据去噪并获得待加工的船体外板的曲面点云数据。

优选地，投影模块包括：

投影拓展单元，用于根据目标船体外板的目标曲面的肋骨线关键点向xoy平面投影并获取肋骨线基准点点阵，并根据激光扫描仪的扫描精度对肋骨线基准点点阵进行拓展获得新的肋骨线基准点点阵，肋骨线关键点为纵向原始肋骨线和横向原始肋骨线的相交点。

优选地，索引模块包括：

索引单元，用于根据新的肋骨线基准点点阵的横坐标和纵坐标在待加工的船体外板的点云数据曲面索引出对应的三维点云数据；

加权单元，用于对三维点云数据中的z轴坐标值进行加权求均值得到加权平均值，并将加权平均值作为待加工的船体外板的肋骨线关键点的Z轴坐标，得到待加工的船体外板的肋骨线基准点三维点阵。

优选地，第一拟合模块包括：

拟合单元，用于根据待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵的三维坐标点通过最小二乘法进行曲线拟合，得到待加工的船体外板的肋骨线组。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供的一种船体复杂外板点云肋骨线提取方法及装置，包括：统一目标船体外板的目标曲面和经扫描获得的待加工的船体外板的点云数据曲面的坐标系；根据目标船体外板的目标曲面的肋骨线关键点向xoy平面投影并获取肋骨线基准点点阵；根据肋骨线基准点点阵在待加工的船体外板的点云数据曲面索引出对应的三维点云数据，得到待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵；根据待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵的三维坐标点进行曲线拟合，得到待加工的船体外板的肋骨线组，本发明实施例中通过根据目标船体外板的肋骨线关键点向待加工外板点云数据面进行投影，同时对点云数据上投影点的z轴坐标进行加权平均，作为关键点的纵坐标，有效的防止了投影所对应的点云数据面为空洞的情况，且通过结合已知的船体外板目标曲面，与待加工的船体外板进行投影匹配、计算，能准确、快速获取测量外板的肋骨线，为船体外板的成形评价提供基础数据，解决了现有的船体外板肋骨线的提取技术中均存在成本高、效率慢、精度低等问题，制约了造船生产效率的提高的技术问题。

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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种船体复杂外板点云肋骨线提取方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的肋骨线提取方法示意图；

图3为本发明实施例提供的一种船体复杂外板点云肋骨线提取装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种船体复杂外板点云肋骨线提取方法及装置，用于解决现有的船体外板肋骨线的提取技术中均存在成本高、效率慢、精度低等问题，制约了造船生产效率的提高的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种船体复杂外板点云肋骨线提取方法包括：

101、根据目标船体外板模型的纵向原始肋骨线和横向原始肋骨线拟合出目标曲面；

首先，可以进行手工设计制造或建模倒模制作目标船体外板样板样箱模型，其中，目标船体外板样板样箱模型有N条纵向原始肋骨线和9条横向原始肋骨线。根据N条纵向原始肋骨线和9条横向原始肋骨线共同拟合出目标曲面，纵向原始肋骨线和横向原始肋骨线相交的点即为关键点。

102、将通过激光扫描仪扫描采集的待加工的船体外板的原始点云数据去噪并获得待加工的船体外板的曲面点云数据；

然后，可以通过三维激光扫描仪扫描采集待加工的船体外板的原始点云数据，并将原始点云数据去噪后获得待加工的船体外板的曲面点云数据。

103、统一目标船体外板的目标曲面和经扫描获得的待加工的船体外板的点云数据曲面的坐标系；

在获得目标船体外板的目标曲面和待加工的船体外板的点云数据曲面之后，通过三维坐标变化与匹配，统一目标船体外板的目标曲面和经扫描获得的待加工的船体外板的点云数据曲面的坐标系。其主要步骤如下：

选取船体外板目标曲面(船体外板点云数据曲面)的4个角点A，B，C，D，通过最小二乘平面拟合，得到拟合平面S_ABCD；

将拟合平面S_ABCD先绕z轴旋转α度，接着绕x轴旋转β度得到平面S’_ABCD，使其平行于平面xoy；

将平面S’_ABCD进行平移，使其对角线在平面xoy的投影交点为坐标原点，平移后得到的平面为S”_ABCD；

将平面S”_ABCD绕z轴旋转γ度，使其对角线在平面xoy的投影，所形成的角平分线在x轴上。

104、根据目标船体外板的目标曲面的肋骨线关键点向xoy平面投影并获取肋骨线基准点点阵，并根据激光扫描仪的扫描精度对肋骨线基准点点阵进行拓展获得新的肋骨线基准点点阵，肋骨线关键点为纵向原始肋骨线和横向原始肋骨线的相交点；

在统一目标船体外板的目标曲面和经扫描获得的待加工的船体外板的点云数据曲面的坐标系之后，根据目标船体外板的目标曲面的肋骨线关键点坐标(U,V,W)向xoy平面投影并获取得大小为9xN的肋骨线基准点点阵M，并根据三维激光扫描仪的扫描精度对肋骨线基准点点阵进行拓展获得新的肋骨线基准点点阵M’。其中，对肋骨线基准点点阵M进行扩展得到新的肋骨线基准点点阵M’，具体包括以下步骤：

1：读取所采用的激光扫描仪的扫描精度△d；

2：根据待加工的船体外板类型，确定对肋骨线基准点点阵M中每个点的扩展步长。如：待加工的板为鞍形板，其肋骨线曲率变化较小，则扩充步长系数k取5-6；待加工的为帆形板，其肋骨线曲率变化稍大，则扩充步长系数k取3-4；待加工的为锥形板，其肋骨线曲率变化较大，则扩充步长系数k取1-2；

3：以9xN的肋骨线基准点点阵中各点为中心，每个点再扩展为3x3的矩阵：

得到扩展后大小为27x3N的肋骨线基准点点阵

105、根据新的肋骨线基准点点阵的横坐标和纵坐标在待加工的船体外板的点云数据曲面索引出对应的三维点云数据；

在获得新的肋骨线基准点点阵M’之后，需要根据新的肋骨线基准点点阵的横坐标和纵坐标在待加工的船体外板的点云数据曲面索引出对应的三维点云数据

106、对三维点云数据中的z轴坐标值进行加权求均值得到加权平均值，并将加权平均值作为待加工的船体外板的肋骨线关键点的Z轴坐标，得到待加工的船体外板的肋骨线基准点三维点阵；

在根据新的肋骨线基准点点阵的横坐标和纵坐标在待加工的船体外板的点云数据曲面索引出对应的三维点云数据之后，对三维点云数据中的z轴坐标值进行加权求均值得到加权平均值，并将加权平均值作为待加工的船体外板的肋骨线关键点的Z轴坐标，得到待加工的船体外板的肋骨线基准点三维点阵，具体包括以下步骤：

基于欧几里得距离，求取M中每个点再扩展为3x3的矩阵求取基准点点阵附近所有点到基准点的欧几里的距离作为加权值w_i；

根据加权值w_i，采用公式得到新的加权平均后的Z轴坐标，作为待加工板上每个关键点的Z轴坐标。

107、根据待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵的三维坐标点通过最小二乘法进行曲线拟合，得到待加工的船体外板的肋骨线组。

最后，根据待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵的三维坐标点通过最小二乘法进行曲线拟合，得到待加工的船体外板的肋骨线组。请参阅图2，为肋骨线提取方法示意图。

以上为对本发明实施例提供的一种船体复杂外板点云肋骨线提取方法的详细描述，以下将对本发明实施例提供的一种船体复杂外板点云肋骨线提取装置进行详细的描述。

请参阅图3，本发明实施例提供的一种船体复杂外板点云肋骨线提取装置包括：

第二拟合模块201，用于根据目标船体外板模型的纵向原始肋骨线和横向原始肋骨线拟合出目标曲面；

去噪模块202，用于将通过激光扫描仪扫描采集的待加工的船体外板的原始点云数据去噪并获得待加工的船体外板的曲面点云数据；

统一模块203，用于统一目标船体外板的目标曲面和经扫描获得的待加工的船体外板的点云数据曲面的坐标系；

投影模块204，用于根据目标船体外板的目标曲面的肋骨线关键点向xoy平面投影并获取肋骨线基准点点阵；投影模块还包括：

投影拓展单元2041，用于根据目标船体外板的目标曲面的肋骨线关键点向xoy平面投影并获取肋骨线基准点点阵，并根据激光扫描仪的扫描精度对肋骨线基准点点阵进行拓展获得新的肋骨线基准点点阵，肋骨线关键点为纵向原始肋骨线和横向原始肋骨线的相交点。

索引模块205，用于根据肋骨线基准点点阵在待加工的船体外板的点云数据曲面索引出对应的三维点云数据，得到待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵；索引模块还包括：

索引单元2051，用于根据新的肋骨线基准点点阵的横坐标和纵坐标在待加工的船体外板的点云数据曲面索引出对应的三维点云数据；

加权单元2052，用于对三维点云数据中的z轴坐标值进行加权求均值得到加权平均值，并将加权平均值作为待加工的船体外板的肋骨线关键点的Z轴坐标，得到待加工的船体外板的肋骨线基准点三维点阵。

第一拟合模块206，用于根据待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵的三维坐标点进行曲线拟合，得到待加工的船体外板的肋骨线组；第一拟合模块还包括：

拟合单元2061，用于根据待加工的船体外板的肋骨线基准点点阵的三维坐标点通过最小二乘法进行曲线拟合，得到待加工的船体外板的肋骨线组。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。