【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，属于地下矿山三维建模与点云数据处理领域。
技术介绍
1、矿产资源是国家重要的自然资源之一，地下矿山在矿产资源中所占比重大且开采风险较高，在部分地下矿山中存在着不按设计生产、擅自变更开采范围等问题，从而导致出现重大安全隐患和违反规章规程行为。通过构建地下矿山三维模型，可以更准确地了解矿山的结构和开采现状，有效评估和管理矿山开采过程中的安全风险，保证矿山生产的安全性。三维激光扫描技术具有高精度、高密度、易操作的特点，已经成为地下矿山井巷工程空间数据采集的重要手段，通过获取的高精度点云数据可以实现三维模型快速构建。
2、由于在巷道中分布着大量的管线系统、照明灯具以及矿车等设备设施，在数据采集时不可避免的会对巷道壁造成遮挡，形成内部孔、边界孔以及贯通孔等不同类型的孔洞，并且巷道中常有积水，对激光束具有较高的吸收和散射能力，也会造成孔洞的产生，影响三维模型的建模精度以及完整性，增加后期模型处理的成本。因此，孔洞填充是基于三维点云进行地下矿山井巷空间建模的基础性工作，具有重要的价值。
3、目前，孔洞填充方法主要可以分为三类，一类是基于网格的孔洞修补，主要是将原始点云进行三角化，根据三角网轮廓线的拓扑关系定位孔洞，然后进行局部扩张来实现孔洞的修复，该类方法在数据量较大时修补过于耗时，且对孔洞类型的适应性差，不适合巷道的复杂结构特征，难以取得较好的修补效果；另一类是基于散乱点云的孔洞修补方法，直接在散乱点上识别孔洞边缘点，在孔洞内部进行插值填充，该类方法计算量通常较大，孔
4、综上所述，提出了一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，将巷道点云切片作为型值点，利用pia算法优化三次b样条曲线拟合，根据点间距进行自适插值，不仅对多种类型的孔洞都具有较好的修补效果，还能为修补后的点云进行均匀赋色，有效提高了建模的质量和效率。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种不规则巷道表面的彩色点云孔洞填充方法，以解决矿山巷道多种类型孔洞难以一次性填充以及孔洞区域颜色信息缺失的问题。
2、一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，包括：
3、s1.对点云进行体素滤波，提取离体素网格质心最近的真实点，降低点云密度，并使散乱点云得到规整，提取点云的中心线，沿中心线垂直方向进行密集切片，得到点云切片；
4、s2.对于每一个无序的点云切片，通过极坐标角度计算对点云切片进行排序；
5、s3.将s2得到排序后的切片点云作为型值点输入，采用追赶法对b样条曲线的控制点求解矩阵进行lu分解，得到初始控制点；
6、s4.利用pia算法对初始控制点进行迭代优化，减小控制点生成曲线与真实点云之间的误差；
7、s5.将切片点云构造为闭合曲线，根据被插值点间距大小，在原始型值点基础上进行非均匀三次b样条闭合曲线拟合插值，对插值点进行k近邻搜索，计算邻域点的rgb均值，为插值点赋色，实现彩色点云的孔洞修补，对插值完成后的数据再进行一次体素滤波，得到规整的巷道点云数据。
8、s1包括，s1.1.将整理的点云投影到xoy平面，通过计算横坐标和纵坐标的差值，判断巷道在xoy面上的走向d，然后沿走向d进行切片，提取每个切片的中心点得到初始中心线：
9、d＝max{xmax-xmin,ymax-ymin}；
10、式中，xmin、xmax、ymin、ymax为一组点云数据中横纵方向坐标的最小和最大值。
11、s1包括，s1.2.采用ransac算法进行曲线拟合，剔除存在问题的点，拟合后的直线通过点向式表示：
12、
13、式中，(x，y，z)表示某一点的三维坐标，l＝(m，n，p)为方向向量，(x0，y0，z0)为已知中心点的坐标，直线外一个三维点(x11，y11，z11)投影到直线上的表达式为：
14、(xp,yp,zp)＝(x0,y0,z0)+k*(m,n,p)；
15、式中，(xp，yp，zp)为投影后的坐标，参数k为：
16、
17、投影到直线后的点云数据即为按巷道走向的数据，沿中心线垂线方向重新进行切片，得到准确的切片数据。
18、s2包括：
19、s2.1.对每个切片进行二维平面拟合，将三维点投影到二维平面，获取凸包轮廓，计算凸包的中心点；
20、s2.2.计算每个点与中心点的极坐标角度，按照角度大小进行排序，将点映射回三维空间，得到有序的点云切片，极角α计算公式如下：
21、α＝arctan2(y-yc,x-xc)；
22、令y＝y-yc，x＝x-xc，则：
23、
24、式中，xc、yc为中心点的坐标。
25、s3包括，s3.1.将排序后的切片点云作为一组输入的型值点集pi，对于三次b样条曲线，型值点集pi和控制点集ki的关系为：
26、pi＝(ki-1+4ki+ki+1)(i＝1,2,3,...,n)；
27、式中，含有n个方程，n+2个未知数，对于闭合曲线，控制点k0＝kn，kn+1＝k1。
28、s3包括，s3.2.反求控制点方程组为：
29、
30、式中，包含n个方程和n个未知数，方程组有唯一解，根据输入的切片点云反解出控制点k0、k1、...、kn-1，由k0＝kn，kn+1＝k1，得到全部n+2个控制点k0、k1、...、kn+1。
31、s3包括，s3.3.利用追赶法进行方程组求解，将反求控制点方程组左侧系数矩阵定义为h，等式右侧向量为p，解向量为k，进行lu分解为：
32、lu＝h；
33、式中，l为下三角矩阵，u为上三角矩阵；
34、使用前向替换求解：
35、ly1＝p；
36、式中，y1为临时解向量；
37、使用后向替换求解：
38、uk＝y1；
39、得到最终解向量k。
40、s4包括，s4.1.构造节点向量，根据控制点的数量m1构造一个节点点向量nk，在(0，2π)之间生成m1个数值序列tj(j＝1,2,...,m1)，取数值序列最大值a和最小值b构成nk：
41、nk＝[a,a,a,a,t2,t3,...,tm-3,tm-2,b,b,b,b]；
42、s4.2.建立基函数矩阵，由de boor-cox递推公式根据给定的结点向量和参数值，依次计算每个结点处每个阶数的基函数值，得到的基函数矩阵b本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，S1包括，S1.1.将整理的点云投影到xoy平面，通过计算横坐标和纵坐标的差值，判断巷道在xoy面上的走向D，然后沿走向D进行切片，提取每个切片的中心点得到初始中心线：
3.根据权利要求2所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，S1包括，S1.2.采用RANSAC算法进行曲线拟合，剔除存在问题的点，拟合后的直线通过点向式表示：
4.根据权利要求3所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，S2包括：
5.根据权利要求4所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，S3包括，S3.1.将排序后的切片点云作为一组输入的型值点集Pi，对于三次B样条曲线，型值点集Pi和控制点集Ki的关系为：
6.根据权利要求5所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，S3包括，S3.2.反求控制点方程组为：
7.根据权利要求6所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填
8.根据权利要求7所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，S4包括，S4.1.构造节点向量，根据控制点的数量m1构造一个节点点向量Nk，在(0，2π)之间生成m1个数值序列tj(j＝1,2,...,m1)，取数值序列最大值a和最小值b构成Nk：
9.根据权利要求8所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，S4包括，S4.3.优化控制点，根据控制点集Ki以及基函数矩阵B，计算控制点与B样条曲线在x、y、z方向上的插值差异Δx、Δy、Δz：
10.根据权利要求9所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，S5包括，S5.1.将输入的Pi使其首尾相连，即令Pn+1＝P0，型值点的数量为n+1个，B样条曲线拟合的总方程P(t)为：
...【技术特征摘要】
1.一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，s1包括，s1.1.将整理的点云投影到xoy平面，通过计算横坐标和纵坐标的差值，判断巷道在xoy面上的走向d，然后沿走向d进行切片，提取每个切片的中心点得到初始中心线：
3.根据权利要求2所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，s1包括，s1.2.采用ransac算法进行曲线拟合，剔除存在问题的点，拟合后的直线通过点向式表示：
4.根据权利要求3所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，s2包括：
5.根据权利要求4所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，s3包括，s3.1.将排序后的切片点云作为一组输入的型值点集pi，对于三次b样条曲线，型值点集pi和控制点集ki的关系为：
6.根据权利要求5所述的一种不规则巷道彩色点云孔洞填充方法，其特征在于，s3包括，s3.2.反求控制点方程组为...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋鹏飞，季民，靳奉祥，李婷，李云岭，贾桂旭，王志鹏，李恒源，刘泽群，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：
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