一种基于多视轮廓点的三维壁画几何变化检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于四维曲面拟合的激光点云轮廓线对比的三维壁画表面几何变形自动检测方法。首先用ICP算法将两片三维壁画的点云数据大致配准，然后用PCA算法求取点云法向量，将法向量投影到单位高斯球面上，采用多视角高斯球平行投影的方式提取点云的轮廓线，最后通过四维曲面拟合方法对提取到的轮廓线进行对比。本发明专利技术充分利用点云数据的轮廓特征信息，利用点云表面的变化来准确地检测出三维壁画表面的变化：该方法在整个检测过程中不需要或者仅需要极少的人工进行干预就能得到很好的检测效果，具有数据更新快，成本低，精度高的特点，同时也能对变化区域进行变化性质的判断，为文物保护与检测领域提供了一种有效的检测方法。测方法。测方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多视轮廓点的三维壁画几何变化检测方法


[0001]本专利技术涉及遥感科学与技术相关的领域，尤其涉及利用三维激光点云(LiDAR)对三维壁画表面进行几何变化检测，提供一种自动化的检测分析方法。

技术介绍

[0002]文物古迹的保护与传承对于人类社会的发展具有重要意义。然而，由于自然环境、人类活动、文物自身等原因，文物古迹在传承过程中，存在不同程度的不可逆损毁，甚至消失。检测古文物表面的变化情况对于古文物的保护与修护具有十分重要的现实意义。
[0003]现阶段对于文物表面变化(形)检测的手段主要有以下方法：(1)人工测绘方法：使用测绘仪器，通过大量人力物力采集数据，未能对数据进行二次挖掘和深度利用，同时测量人员直接与文物相接触，还会造成文物的二次破坏；(2)近景摄影测量方法：一种非接触式的方法，但该方法对影像的质量要求较高，后期影像处理、校对等工作量也较大；(3)三维激光扫描技术：相较于前两种方式，激光扫描技术采集数据的效率大幅度提高，具有快速度、高密度、高精度、无接触等特性，能够快速精确地获得物体表面三维点云信息。
[0004]尽管上述各种方法都能应用于文物表面的保护和研究，且建立了精确的文物三维模型，但这些方法没有充分顾及文物表面的三维变化。三维壁画表面为人工雕刻的不规则形状，特征密集、不规则，现有的文物检测方法能否用于对三维壁画表面的几何检测还有待进一步确认。此外，目前基于点云的古文物研究大多都是利用点云数据建立三维模型，针对壁画表面变化的检测多集中在二维变化检测研究，如壁画表面的褪色、起鼓、病虫害等，对于其表面的几何变化检测方法还很少，因此迫切的需要一种检测文物表面三维几何变化的方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术利用同一三维壁画表面不同时间的点云数据，针对现有检测方法的不足，充分利用点云模型表面的轮廓点信息，提供一种基于多视轮廓点的三维壁画几何变化检测方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案为：
[0007]本专利技术提供一种基于四维曲面拟合的激光点云轮廓点对比的三维壁画表面几何变形自动检测方法，该方法包括以下步骤：
[0008]步骤1、利用三维激光扫描仪在不同的时间段采集同一三维壁画表面的点云数据；
[0009]步骤2、对两期点云数据进行精简、去噪、和重采样等预处理工作；
[0010]步骤3、利用ICP(Iterative Closest Point)算法对两期点云数据进行粗配准，使两片点云对应特征大致对齐；
[0011]步骤4、用PCA(Principal Component Analysis，主成分分析)算法求取两片点云的法向量，并将法向量投影到单位高斯球面上，生成点云对应的高斯球面模型；
[0012]步骤5、采用多视角高斯球平行投影的方式从多个角度提取点云的轮廓点；
[0013]步骤6、在重采样格网下对轮廓点集合进行重采样；
[0014]步骤7、固定某一片点云，另外一片点云有规律的移动，对比每一次移动后两片点云的差值情况，将相差的格网个数记为M
q
；
[0015]步骤8、利用本专利技术设计的四维曲面拟合方法对比两片点云表面各部分的几何变化情况，得到对比结果1；
[0016]步骤9、交换步骤7中的固定点云与移动点云片，并利用步骤8的方法得到对比结果2；
[0017]步骤10、比较对比结果1和对比结果2，获取三维壁画表面发生几何变化的区域。
[0018]进一步地，本专利技术步骤4的具体方法为：
[0019]设点云中一点P，其邻域的质心计算公式为：
[0020][0021]其中为邻域的质心坐标，p
i
为邻域中的点。然后构建邻域的协方差矩阵
[0022][0023]式中，r为p点所在邻域半径，p
j
为邻域内的点，为质心，k为邻域内点的总个数，为点p
j
到质心的距离。最后计算协方差矩阵E的特征值及特征向量
[0024]E
·
v
j
＝λ
j
·
v
j
[0025]式中，λ
j
是矩阵E特征值，v
j
是λ
j
对应的特征向量。取最小的特征值对应的特征向量为所求点对应的法向量n。
[0026]步骤4中高斯球映射的原理和方法为：
[0027]对于一个分段光滑的空间三维曲面S，假设其上所有点的单位法向量为n，并将法向量的起点平移到单位球S2的球心O上，则法向量的终点落在单位球面上，形成投影点的集合称为该曲面S的高斯图，曲面上的点向球面上映射的过程，称为高斯映射，该单位球称为高斯球面。
[0028]进一步地，本专利技术步骤5的具体方法为：
[0029]轮廓点的定义为：对于光滑曲面S，定义满足表面点法向量垂直于视线方向的点组成的点集为轮廓点点集。即
[0030]n
i
·
n＝0
[0031]其中，n
i
为曲面某点的法向量，n为视线方向向量，如图1所示为轮廓点的示意图，图中虚线为特征线。
[0032]进一步地，本专利技术步骤6的具体方法为：
[0033]在点云的最大面上按照固定大小矩形格网对点云进行区域划分，选取其中一个点云建立格网，当有多个特征点在同一个格网中时，取均值为该格网的最大面方向特征值，采样格网大小对应关系如下式：
[0034][0035]其中，Cell
width
为采样格网大小，N为点云内轮廓点特征点总数，widthX为点云在X方向上的宽度，widthY为初始默认值。
[0036]进一步地，本专利技术步骤7的具体方法为：
[0037]实施例中点云片移动方法为：先固定T2时期的特征，移动T1时期的特征进行对比。设M1为T1中的某一特征，M1中的点的坐标集合为K1(X1,Y1,Z1)，设M2为T2中与M1对应的特征，M2中点的坐标集合为K2(X2,Y2,Z2)。在对比过程中，首先将特征M1上对应坐标为(maxX1，maxY1，maxZ1)的点与M2上的坐标(MaxX2+ΔX,MaxY2+ΔY,MaxZ2+ΔZ)对齐。然后移动M1，移动方法如图3所示，先在X方向移动，当X方向无法继续移动时，再在Y方向移动一次，继续沿X方向移动。当M1在XY平面移动完毕后沿Z方向移动一次。。每一次移动后对特征M1与M2对应格网进行一次计算，相差的格网个数记为M
q
，其中q为当前对比次数。
[0038]进一步地，本专利技术步骤8的具体方法为：
[0039]通过步骤7的方法移动特征，每移动一次就会得到对应的结果M
q
，移动完毕后会得到一组(X2,Y2,Z2,M
q
)值(其中X2,Y2,Z2分别为集合K2中对应的值)。该实施例中，以X2为x坐标、Y2为y坐标、Z2为z坐标、M
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多视轮廓点的三维壁画几何变化检测方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤1、在不同的时间段采集同一三维壁画表面的点云数据；步骤2、对两期点云数据进行精简、去噪、和重采样处理；步骤3、对两期点云数据进行粗配准，使两片点云对应特征大致对齐；步骤4、求取两片点云的法向量，并将法向量投影到单位高斯球面上，生成点云对应的高斯球面模型；步骤5、采用多视角高斯球平行投影的方式从多个角度提取点云的轮廓点，获得轮廓点集合；步骤6、在重采样格网下对轮廓点集合进行重采样；步骤7、固定某一片点云，另外一片点云有规律的移动，对比每一次移动后两片点云的差值情况，将相差的格网个数记为M
q
；步骤8、利用四维曲面拟合方法对比两片点云表面各部分的几何变化情况，得到对比结果1；步骤9、交换步骤7中的固定点云与移动点云片，并利用步骤8的方法得到对比结果2；步骤10、比较对比结果1和对比结果2，获取三维壁画表面发生几何变化的区域。2.如权利要求1所述的一种多视轮廓点的三维壁画几何变化检测方法，其特征在于：步骤4中利用PCA算法求取两片点云的法向量，其具体实现方式为，设点云中一点P，其邻域的质心计算公式为：其中为邻域的质心坐标，p
i
为邻域中的点，然后构建邻域的协方差矩阵：式中，r为p点所在邻域半径，p
j
为邻域内的点，为质心，k为邻域内点的总个数，为点p
j
到质心的距离；最后计算协方差矩阵E的特征值及特征向量：E
·
v
j
＝λ
j
·
v
j
式中，λ
j
是矩阵E特征值，v
j
是λ
j
对应的特征向量，取最小的特征值对应的特征向量为所求点对应的法向量n。3.如权利要求1所述的一种多视轮廓点的三维壁画几何变化检测方法，其特征在于：步骤4中将法向量投影到单位高斯球面的具体实现方式如下，对于一个分段光滑的空间三维曲面S，假设其上所有点的单位法矢量为n，并将法矢量的起点平移到单位球S2的球心O上，则法矢量的终点落在单位球面上，形成投影点的集合称为该曲面S的高斯图，曲面上的点向球面上映射的过程，称为高斯映射，该单位球称为高斯球面。4.如权利要求1所述的一种多视轮廓点的三维壁画几何变化检测方法，其特征在于：步骤5中轮廓点的定义为：对于光滑曲面S，定义满足表面点法向量垂直于视线方向的点组成的点集为轮廓线点集，即
n
i
·
n＝0其中，n
i
为曲面某点的法向量，n为视线方向向量。5.如权利要求1所述的一种多视轮廓点的三维壁画几何变化检测方法，其特征在于：步骤6的具体实现方式为，在点云的最大面上按照固定大小矩形格网对点云进行区域划分，选取其中一个点云建立格网，当有多个特征点在同一个格网中时，取均值为该格网的最大面方向特征值，采样格网大小对应关系如下式：其中，Cell
width
为采样格网大小，N为点云内轮廓线特征点总数，widthX为点云在X方向上的宽度，widthY为初始默认值。6.如权利要求1所述的一种多视轮廓点的三维壁画几何变化检测方法，其特征在于：步骤7的具体实现方式为，点云片移动方法时，先固定T2时期的特征，移动T1时期的特征进行对比，设M1为T1中的某一特征，M1中的点的坐标集合为K1(X1,Y1,Z1)，设M2为T2中与M1对应的特征，M2中点的坐标集合为K2(X2,Y2,Z2)；在对比过程中，首先将特征M1上对应坐标为(maxX1，maxY1，maxZ1)的点与M2上的坐标(MaxX2+ΔX,MaxY2+ΔY,MaxZ2+ΔZ)对齐；然后移动M1，先在X方向移动，当X方向无法继续移动时，再在Y方向移动一次，继续沿X方向移动；当M1在XY平面移动完毕后沿Z方向移动一次，每一次移动后对特征M1与M2对应格网进行一次计算，相差的格网个数记为M
q
，其中q为当前对比次...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆祥，王羽茜，吴明东，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：