局部相关点平衡的三维激光点云骨架提取

周明全; 李纯辉; 王丽清; 张雨禾; 耿国华

doi:10.37188/OPE.20223022.2962

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局部相关点平衡的三维激光点云骨架提取

信息科学 | 更新时间：2022-11-24

- 局部相关点平衡的三维激光点云骨架提取
- 3D laser point cloud skeleton extraction via balance of local correlation points
- 光学精密工程 2022年30卷第22期页码：2962-2974
- 作者机构：
  
  西北大学信息科学与技术学院，陕西西安 710127
- 作者简介：
  
  [ "周明全（1954-），男，陕西西安人，教授，博士生导师，现任北京师范大学信息科学与技术学院院长，主要从事虚拟现实与可视化技术、智能信息处理、数据库与模式识别等方面的研究．E-mail： mqzhou@nwu.edu.cn" ]
  [ "李纯辉（1996-），男，陕西安康人，硕士研究生，主要从事计算机图形学、虚拟现实与可视化技术等方面的研究。E-mail：202021334@stumail.nwu.edu.cn" ]
  [ "耿国华（1955-），女,陕西西安人，博士，教授，博士研究生导师，CCF会员，主要从事智能信息处理、数据库与知识库、图形图像处理的研究。E-mail ： ghgeng@nwu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发项目(2019YFC1521103);国家自然科学基金资助项目(61731015)
- DOI：10.37188/OPE.20223022.2962
  中图分类号： TP394.1
- 收稿日期：2022-04-26，
  
  修回日期：2022-07-08，
  
  纸质出版日期：2022-11-25
- 稿件说明：
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周明全,李纯辉,王丽清等.局部相关点平衡的三维激光点云骨架提取[J].光学精密工程,2022,30(22):2962-2974.

ZHOU Minquan,LI Chunhui,WANG Liqing,et al.3D laser point cloud skeleton extraction via balance of local correlation points[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(22):2962-2974.
周明全,李纯辉,王丽清等.局部相关点平衡的三维激光点云骨架提取[J].光学精密工程,2022,30(22):2962-2974. DOI： 10.37188/OPE.20223022.2962.

ZHOU Minquan,LI Chunhui,WANG Liqing,et al.3D laser point cloud skeleton extraction via balance of local correlation points[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(22):2962-2974. DOI： 10.37188/OPE.20223022.2962.

摘要

激光扫描获取的点云模型形状分析和变形需要依赖骨架线完成。本文提出了一种快速自动获取激光扫描点云骨架线用以对模型进行形状变换的方法，同时减少手动绑定骨架导致的时间耗费。该方法将初始骨架点定义为点云模型中具有对称法向的最近相关点的中点，通过中点状态的平衡化得到最终的骨架点；然后采用主成分分析法搜寻满足方向一致性要求的骨架点组合，并利用广度优先搜索方法合并不同骨架分支；最后将各分支通过拉普拉斯平滑后相连，从而得到完整的骨架线，并将此骨架线应用于模型形状变换的任务中。实验将本文方法与

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3.13266683

3.21733332

中轴骨架、质量驱动拓扑感知曲线骨架等方法进行对比，采用激光扫描的点云作为测试数据，验证了该算法的有效性、鲁棒性和高效性。本文算法提取效率提高到对于由8 077个点组成的点云提取骨架线仅需0.764 s，处理具有33 041个点的点云需4.356 s。将本文提取的激光扫描点云的骨架线应用于点云形状变化任务中，展示了此方法的实用性。

Abstract

The shape analysis and shape transformation of the laser-scanning point cloud model depend on the curve skeleton. We proposed a fast and automatic method to obtain the curve skeleton of laser-scanning point cloud to transform the shape of the model and reduce the time consumption caused by manually binding the skeleton. In this method， the initial skeleton point is defined as the midpoint of the nearest correlation point with symmetrical normal in the point cloud. The final skeleton point is obtained by iterating the initial skeleton point to a balance position. Then the principal component analysis method is used to search for the combination of skeleton points that meet the requirements of direction consistency， and the breadth-first search method is used to merge the growing different skeleton branches. Finally， each branch is smoothed and connected by the Laplace smoothing method， a complete skeleton line is obtained and the curve skeleton is used in the task of model shape transformation. The proposed method is compared with the

-Medial Skeleton， the Mass-driven Topology-aware Curve Skeleton method and other methods， and the original scanned point cloud is used as the test data to verify the effectiveness， robustness， and efficiency. The extraction efficiency of the proposed model is improved to the level that it takes 0.764 s to process the point cloud composed of 8 077 points， and it takes 4.356 s to process a point cloud with 33 041 points. The curve skeleton of laser scanned point cloud extracted is applied to the task of shape transformation of point cloud， which shows the practicability of this method.

关键词

Keywords

references

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