一种面向轮胎点云的数据分割方法与流程
本发明属于轮胎工业的技术领域，具体涉及一种面向轮胎点云的数据分割方法。
背景技术：
欧盟标签法对出口至欧洲市场的轮胎所具有的滚动阻力、噪声和湿地抓着力三大性能进行了限值和分级。相关调查显示，我国大部分轮胎产品的湿地抓着力性能优异，能够达到欧盟标签法a或b级水平，但滚动阻力和噪声受花纹构型设计的限制却尚未达到该标签法的第二阶段。为适应国内外汽车市场的需要及消费者选购的需求推动我国轮胎企业向绿色化、国际化方向转型，2016年6月橡胶工业协会参照欧盟标签法，对轮胎滚动阻力、噪声和湿地抓着力三个性能进行测试方法及限值标准的设定，制定出我国轮胎标签制度。因此，如何在协同改善轮胎滚动阻力、噪声和湿地抓着力三个性能指标的同时，进一步提升轮胎产品的品质和附加值并将具有自主知识产权的轮胎产品快速推向市场，是我国众多轮胎企业进行轮胎产品设计的关键。
轮胎设计的一般过程为材料选取、结构设计、胎面花纹设计及轮廓设计作为轮胎设计的四要素，决定着轮胎的滚动阻力、噪声和湿地抓着力等性能，胎面花纹结构设计对轮胎的多项力学性能都具有重要的影响。stalter等借助对花纹沟槽形状变形特性分析确定花纹结构参数对轮胎噪声有直接影响；江苏大学的王国林等基于子午线轮胎胎体结构设计理论借助数值模拟确定轮胎结构参数与轮胎滚动阻力存在一定的影响关系；kim及fwa等研究发现花纹沟槽尺寸及横向花纹沟槽数目的增加均能提升轮胎的滑水性能。因此，改进轮胎花纹结构设计形式是协同提升轮胎多维特性的主要途径之一。
传统的胎面花纹结构设计是建立在技术积累所构建的花纹规则库之上的参数变换及拆分组合，我国轮胎企业由于起步晚、底子薄，花纹规则库中缺乏高端轮胎所包含的花纹结构形式，难以建立满足轮胎多维特性协同提升的花纹结构设计优化模型。因此，寻找一套有效合理的轮胎花纹结构设计方式进行新型花纹结构的构建进而完善花纹规则库中花纹的结构形式，是我国轮胎企业花纹结构设计亟待解决的问题。而逆向工程作为形貌特征快速开发、产品结构创新设计的关键技术能够对已有的先进技术进行继承与创新，成为我国轮胎企业消化吸收先进轮胎花纹结构设计形式的一条必然选择，若将该设计过程直接用于轮胎花纹的逆向设计会存在以下问题：
随着特征作为逆向建模参数主要载体的不断深入，基于特征的逆向建模已形成统一的逆向建模思路：即数据处理、数据分割、特征提取、曲面曲线重构等，国内外学者关于逆向建模相关技术的研究主要集中在数据分割、特征点提取两个方面。
花纹构型优化设计是建立在花纹参数变换与轮胎特性关联关系研究基础上的二值图像边界的规律性变化，如何寻求图像边界的变化模式，并有效地在分割后轮胎点云数据上实施，从而达到边界数据的最优配置,是一个难题.数据分割沿周向实现轮胎的空间扇形分块构建互不重叠的单子块，并对每个单子块通过数据去噪、数据滤波、数据修复等过程进行适当的数据清理。
yoshioka等通过采用基于法向量和曲率的区域生长的分割方式借助平面、圆柱、球面等基本几何要素的法向分布规律，从点云的分割区域自动提取和识别诸如平面、柱面、点、线、规则表面和自由形状的几何信息；beksi等结合全球(拓扑)和局部(颜色，表面法线)信息，借助用持久同源性理论，计算复合物的第零同源基团，并使用颜色和表面法线统计来构建区域，从而实现噪声和采样数据不足情况下三维点云的数据分割；libaoshun等为实现场景平面对象快速稳定地识别，并具有较准确的分割结果及较高的抗噪能力，通过多平面相似性准则的定义及多阈值估计的组合设计，借助主成分分析(pca)构建点云平面基元检测的新模型；虽然都具有一定的先进性，但都未研究具体针对并适用于轮胎点云的数据分割方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种面向轮胎点云的数据分割方法，能够快速、高效的还原花纹构型设计信息，加强轮胎花纹结构设计的智能化程度，完善了花纹规则库中基础花纹的类型，也对通过改进花纹结构形式完成轮胎多维特性的协同提升具有很强的指导意义。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种面向轮胎点云的数据分割方法，包括以下顺序步骤：
(1)点云栅格化，并将点云分割成给定个数的单子块；
(2)将单子块沿周向的栅格数据划分成若干个等间距的数据区间，通过分析栅格数据落在每个小区间内的频数和频率，以最大频率为基准获取胎面数据范围，并对数据范围内的数据个体按照个体频数计算权值，通过权值分配计算最佳数据点；
(3)基于栅格数据的主要成分统计分析结果，通过设定合理的内置阀值剔除大于内置阀值的栅格数据，将剩余三个数据转化为胎面关键点数据集；
(4)根据胎面点数据集，对点云数据进行优化分割提取，从而获得经过分割的优化处理获取的胎面点云图。
进一步的，步骤(2)中，所述权值分配计算最佳数据点的权重分配满足如下条件：
(21)轮胎偏移量在设定容差范围内的控制点邻域对其影响较小可忽略不计，则邻域权值为0，控制点权值为1；
(22)偏移量超过容差范围的控制点，通过对相对偏移量与邻域相对距离的计算进行权值大小的分配反求胎面加权基函数曲线。
进一步的，所述根据胎面点数据集，对点云数据进行优化分割提取，包括如下步骤：
(41)建立单子块矩阵：
其中，amn表示(m,n)处对应于栅格数据；
(42)建立目标函数：
约束条件：
其中，aj＝[a1ja2j...amj]t，n0为aj中连续0域出现的次数；n为优化后aj中连续0域出现的次数；a0为矩阵a中非0的最小值；
(43)使用凹曲率方法计算目标函数
由上述技术方案可知，本发明作为获取逆向建模技术基础特征的首要步骤，不仅影响模型重构的精度还关乎重构模型的品质，是花纹逆向设计的核心，解决了由于轮胎表面包含复杂结构特征及重要信息，轮胎获取的点云数据所包含的问题：(1)轮胎表面包含大量的凹槽、缝隙等微细特征会造成扫描获取的点云数据特征缺失严重；(2)轮胎表面包含硫化工艺中用于排气的气孔会造成扫描生成的点云数据包含大量的噪声。借助数据预处理功能对点云数据进行去噪、滤波、修复、精简等从而为后续模型重构提供较为准确合理的数据模型。将胎面点云数据分离并转化为点云映射阵，为后续胎面边间特征提取及构建做了必不可少的准备。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明三角面片与csv网格之间的关系图；
图3是本发明csv坐标点求解过程示意图；
图4是本发明低密度-灰度轮胎点云图像；
图5是本发明高密度-灰度轮胎点云图像；
图6是本发明栅格数据的8临域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-6所示，一种面向轮胎点云的数据分割方法，通过主成分统计分析，并借助轮胎胎肩到胎冠的轮廓半径整体趋势依次递增这一设计规律，通过设定合理的内置阈值，在单子块内制定基于胎面加权基函数曲线的轮胎点云数据优化分割方式。包括以下顺序步骤：
步骤1：点云栅格化，将点云分割成给定的单子块个数。
设abc为原点云数据内的一个三角面片，p为其中的一个栅格，则两者之间有如下位置关系：case1：p点在三角平面内。case2：p点靠近三角平面端点。如果是第二种情况直接用三角平面端点代替p点坐标值。具体如图2所示。
case1中，栅格点坐标的计算方法如下所述：
(1)以每一个三角面片为操作对象，获取csv网格中包含当前三角面片的外接矩形，并获取矩形内所有的栅格点(每一个点实际代表从旋转轴发出的一条射线，如图3所示)，p1和p2分别代表两种射线：p1交点在三角面片内，p2交点在三角面片外。
(2)获取三角面片三个顶点(a、b、c)对应坐标及三角面片法向量，计算三角面片平面方程，通过三角面片平面方程和射线方程，计算p点坐标并输出。
步骤2：将点云分割成给定的单子块个数。
步骤3：借统计分析知识将沿周向的栅格数据划分成若干个等间距的数据区间，通过分析栅格数据落在每个小区间内的频数和频率，以最大频率为基获取胎面数据范围，并对数据范围内的数据个体按照个体频数计算权值，通过权值分配计算最佳数据点。对轮胎的中间平面，以计算获取的区间为随机变量做直方图。
步骤:4：基于栅格数据的主要成分统计分析结果，在充分考虑噪声数据的基础上，根据轮胎胎肩到胎冠的轮廓半径整体趋势依次递增这一设计规律，通过设定合理的内置阀值来剔除纵沟数据，从而获取关键点数据集，即为胎面关键点数据集。
步骤5：基于偏移量对权值的分配准则：1)偏移量在设定容差范围内的控制点邻域对其影响较小可忽略不计，则邻域权值为0，控制点权值为1；2)偏移量超过容差范围的控制点，通过对相对偏移量与邻域相对距离的计算进行权值大小的分配反求胎面加权基函数曲线。
步骤:6：轮胎胎面点云的优化分割提取：
已知单子块矩阵(空栅格用0补齐)
设aj＝[a1ja2j...amj]t
建立目标函数：
约束条件：
其中，n0为aj中连续0域出现的次数；n为优化后aj中连续0域出现的次数；a0为矩阵a中非0的最小值。经过分割的优化处理获取的胎面点云图,如图4、5所示，将胎面点云数据分离并转化成胎面点云映射阵，用于胎面重构及后续花纹边界提取的基础。
使用凹曲率方法计算目标函数
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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