三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)孔洞修復(fù)與精簡(jiǎn)算法研究

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1、中文圖書(shū)分類號(hào)：P237密級(jí)：公開(kāi)UDC：528學(xué)校代碼：10016論文題目：三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)孔洞修復(fù)與精簡(jiǎn)算法研究論文作者：周欣學(xué)科：大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程指導(dǎo)教師：張瑞菊論文提交日期：2018年6月學(xué)位論文三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)孔洞修復(fù)與精簡(jiǎn)算法研究ResearchonHoleRestorationandSimplificationAlgorithmof3DScatteredPointCloudData周欣指導(dǎo)教師姓名張瑞菊講師北京建筑大學(xué)申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別碩士學(xué)位類別工學(xué)碩士所屬學(xué)科大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程年級(jí)201

2、5學(xué)號(hào)2108160115001論文答辯時(shí)間2018年5月答辯委員會(huì)主席曾波教授級(jí)高工論文評(píng)閱人趙建虎教授范榮雙研究員北京建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含本人或他人為獲得北京建筑大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。若有不實(shí)之處，本人愿意承

3、擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。學(xué)位論文作者簽字：日期：年月日北京建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本人完全了解學(xué)校有關(guān)學(xué)位論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于北京建筑大學(xué)，允許論文被查閱和借閱。學(xué)校有權(quán)保留論文并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文紙質(zhì)版和電子版，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印、或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。保密學(xué)位論文在解密后的使用授權(quán)同上。學(xué)位論文作者簽名：校內(nèi)導(dǎo)師簽名：年月日年月日校外導(dǎo)師簽名：年月日摘要三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)

4、展，雖然其在硬件方面發(fā)展迅速，但是也不可避免的存在一些問(wèn)題：在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，往往會(huì)因?yàn)閮x器自身的設(shè)計(jì)特性，往往導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布不均勻，并且在實(shí)際的掃描環(huán)境中，可能由于視線遮擋或工作人員操作不當(dāng)，孔洞問(wèn)題時(shí)常出現(xiàn)；海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)的顯示、處理、存儲(chǔ)帶來(lái)較大困擾。針對(duì)當(dāng)下孔洞修復(fù)算法或效率不高或效果不好的問(wèn)題，本課題提出一種較為高效且修復(fù)效果較好的算法；目前已有的基于法線的精簡(jiǎn)算法雖然能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行較大程度的精簡(jiǎn)，且能較好的保留點(diǎn)云的局部細(xì)節(jié)，但是該方法對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)特征值的求解不夠準(zhǔn)確且精簡(jiǎn)效率也不足夠高，基于

5、此，本課題在此基礎(chǔ)上對(duì)該方法特征值的求解過(guò)程進(jìn)行了改進(jìn)并提出一種自適應(yīng)的空間劃分方法。為了方便展示本課題算法處理的結(jié)果，本課題基于Qt、OpenGL、PCL構(gòu)建了點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，并選用曲面特征較為復(fù)雜的多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)且達(dá)到了預(yù)期的效果。本課題的主要工作如下：（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)均勻化。針對(duì)三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)不均勻的問(wèn)題，在已有均勻精簡(jiǎn)算法的基礎(chǔ)上，論文先采用一種基于鄰域分析的去噪算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，再根據(jù)均勻精簡(jiǎn)法算法的流程先求解數(shù)據(jù)的最小外包盒，最后通過(guò)設(shè)置步長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行體素劃分，對(duì)每一個(gè)體素僅保留其重

6、心。（2）提出了一種基于移動(dòng)最小二乘的點(diǎn)云孔洞修補(bǔ)算法。本課題采用對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的鄰近域進(jìn)行分析的方法來(lái)對(duì)邊界點(diǎn)進(jìn)行提??；對(duì)于邊界點(diǎn)中的噪聲點(diǎn)采用前文提及的去噪算法進(jìn)行去噪，針對(duì)目前已有的根據(jù)邊界點(diǎn)走向的方法來(lái)區(qū)分孔洞內(nèi)外邊界效率不高的問(wèn)題，本研究采用歐式聚類來(lái)區(qū)分孔洞的內(nèi)外邊界；為了使孔洞填充區(qū)域待插入的數(shù)據(jù)點(diǎn)密度與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度保持一致，本課題基于移動(dòng)最小二乘原理通過(guò)自適應(yīng)的設(shè)置步長(zhǎng)來(lái)對(duì)孔洞區(qū)域進(jìn)行填充。（3）提出了一種改進(jìn)的基于點(diǎn)云法線的精簡(jiǎn)算法。針對(duì)現(xiàn)有的基于法向的精簡(jiǎn)算法估算特征值不夠準(zhǔn)確的問(wèn)題，本課題首

7、先對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的法向進(jìn)行估計(jì)；再分別求解該點(diǎn)的法向量與其鄰近域內(nèi)各點(diǎn)的法向量的點(diǎn)積（即兩向量間夾角的余弦值）。為了考慮數(shù)據(jù)點(diǎn)局部鄰近域內(nèi)的法線朝向的復(fù)雜程度，繼續(xù)對(duì)以上的值作相關(guān)計(jì)算，并把最終的解算結(jié)果作為該數(shù)據(jù)點(diǎn)的特征值，根據(jù)該特征值把數(shù)據(jù)點(diǎn)按照由低到高的秩序劃分到對(duì)應(yīng)的區(qū)間內(nèi)，為了最大程度的提升算法的處理效率，本課題提出一種自適應(yīng)的空間劃分方法，即曲面特征不同的點(diǎn)云數(shù)據(jù)其對(duì)應(yīng)的空間劃分塊數(shù)也不同。并且針對(duì)該算法整體精簡(jiǎn)比例的不靈活性，本課題通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)的精簡(jiǎn)策略能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行任意百分比的精簡(jiǎn)。（4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)

8、處理平臺(tái)構(gòu)建。本課題基于Qt、OpenGL、PCL構(gòu)建了點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)以期對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理的展示。并且基于此平臺(tái)，本課題做了大量實(shí)驗(yàn)且多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本課題算法具備較強(qiáng)的可行性與魯棒性。I原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)均勻化處理后確實(shí)對(duì)局部冗余的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了較好的過(guò)濾，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量在一定程度上得到降低；經(jīng)過(guò)孔洞修復(fù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)幾乎能與被測(cè)物體保持一致，且其處理效率更高；本課題精簡(jiǎn)方法能精簡(jiǎn)掉大部分特征不夠