1.一种基于重叠区域检索与对齐的点云分割方法,其特征在于,包括以下步骤:将点云测试集输入到训练好的点云分割模型中进行点云分割,得到分割后的结果,其中点云分割模型先训练后使用,训练过程包括以下步骤:S1、获取点云数据集,将点云数据划分为训练集、验证集与测试集,其中训练集中的点云数据用来训练点云分割模型,验证集用来验证点云分割模型的泛化能力,测试集用来对点云分割模型的分割性能进行评估;
S2、将训练集中的点云进行切片,获得模型训练所需的切片点云Pn;
对点云进行切片包括:在原始点云On,n∈{0,…,N‑1}的X轴、Y轴、Z轴的每个轴上确定一个随机数randi∈[0,1),i∈{X,Y,Z},并求得在每个轴上的原始点云On的最大值aMaxi与最小值aMini,i∈{X,Y,Z},若点云On中任意点p满足下式:(pi‑aMini)/(aMaxi‑aMini)>randi,i∈{X,Y,Z},则将满足上式的点p组合成切片点云Pn,n∈{0,…,N‑1},其中,N表示训练集中原始点云的个数;
S3、将切片点云Pn输入到点云分割模型中,使用全卷积网络对切片点云Pn与点云数据集中的所有原始点云做重叠区域检索,得到与切片点云Pn有重叠的所有原始点云,并将重叠度最大的原始点云O作为切片点云Pn的参考点云;从Pn与O的重叠区域中选择固定数量的兴趣点,使用基于特征的点云对齐算法将两个点云进行重叠区域对齐;
所述使用全卷积网络对切片点云Pn与点云数据集中的所有原始点云做重叠区域检索,得到与切片点云Pn有重叠的所有原始点云,具体包括:S31、通过Unet网络提取切片点云Pn和每个原始点云的特征,构成点云对(P,O),其中,P表示切片点云Pn,O表示检索的最优原始点云;
S32、将点云对(P,O)输入重叠区域检测模块,在重叠区域检测模块中使用最近邻算法KNN进行重叠区域检测,输出处于重叠区域的点对集合(P′,O′);
S33、重叠区域优化:使用重叠区域优化模块去除噪声点对,获得优化后的点对(P″,O″);
S34、根据优化后的点对(P″,O″)求解旋转矩阵M=[R|t],对参考点云O进行空间变换,得到对齐后的点云 即 其中,M表示旋转矩阵,R表示旋转矩阵中的旋转量,t表示旋转矩阵中的平移量;
S4、使用最近邻算法完成点云分割;
S5、点云分割完成后,计算训练过程中的总损失,将训练过程中的总损失按照链式求导法则回传到模型中优化参数,使用随机梯度下降方法优化点云分割模型,获得最优点云分割模型,即得到训练好的点云分割模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于重叠区域检索与对齐的点云分割方法,其特征在于,步骤S31中通过Unet网络提取切片点云Pn和每个原始点云的特征,构成点对(P,O),具体包括以下步骤:S311、首先将切片点云Pn输入Unet网络中,通过Unet提取切片点云Pn的特征F;
S312、通过全局池化层对切片点云Pn的特征F进行处理,获得池化后的特征FP,具体表示为:FP=MaxPool(Unet(Pn))
S313、接着使用Unet和全局池化层对原始数据集中每个原始点云On,n∈{0,…,N‑1}进行特征提取,输出原始数据集中每个原始点云对应的特征On表示第n个点云,N表示点云的个
数;
S314、根据切片点云Pn的特征FP和原始点云对应的特征 计算特征投影误差,从所有原始点云中找出与切片点云特征投影误差最小的特征FO所对应的原始点云O,该原始点云O与切片点云Pn的重叠度最大,将该原始点云O作为切片点云Pn的参考点云,Pn的参考点云与目标点云P构成点云对(P,O)。
3.根据权利要求2所述的一种基于重叠区域检索与对齐的点云分割方法,其特征在于,特征投影误差的计算表达式为:其中,D1表示原始数据集,O表示原始数据集中的点云,FP表示切片点云的特征,FO表示原始数据集中点云的特征。
4.根据权利要求1所述的一种基于重叠区域检索与对齐的点云分割方法,其特征在于,步骤S32中使用最近邻算法KNN进行重叠区域检测的计算表达式如下:FP=Unet(P)
FO=Unet(O)
(P′,O′)=KNN(FP,FO)
其中,(P,O)为重叠区域检测模块的输入点云对,(P′,O′)为重叠区域检测模块的输出,表示处于重叠区域的点对集合;FP表示切片点云的特征,FO表示原始数据集中点云的特征,Unet(*)表示Unet网络的输出,KNN(*)表示最近邻算法操作。
5.根据权利要求1所述的一种基于重叠区域检索与对齐的点云分割方法,其特征在于,重叠区域优化具体包括:S331、将重叠区域检测模块获得的点对集合(P′,O′)拼接成一个n×6的矩阵,n为对应点的数目,并通过另一个Unet网络来输出一个n×1的向量,该向量中的每个值为权重,表示某点对(pi′,oi′)∈(P′,O′),i∈{0,…,n‑1}属于重叠区域的概率;
S332、定义一个超参数clip_weights,保留权重大于等于clip_weights的点对,获得优化后的点对集合(P″,O″),(P″,O″)即真正属于重叠区域的点对集合,计算表达式为:weights=Unet(concatence(P′,O′))其中,(P′,O′)为重叠区域检测模块输出的有噪声的点对集合,concatence(P′,O′)为拼接操作,即让点对集合按照某个轴拼到一起,clip_weight为一个超参数,用于去噪,(P″,O″)为重叠区域优化模块输出的优化后的点对集合。
6.根据权利要求1所述的一种基于重叠区域检索与对齐的点云分割方法,其特征在于,总损失包括重叠区域损失和点云对齐损失:重叠区域损失为:
其中,y是真实值,为预测值, 为一个sigmoid函数,M为重叠区域点的个数;
点云对齐损失为真实旋转矩阵[R|t]与预测 之间的欧氏距离:
其中,R表示真实的旋转变换, 表示预测的旋转变换,t表示真实的平移量,表示预测的平移量;
总损失函数L为:L=Lregion+Laligment。