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三维激光扫描数据处理与曲面重建方法研究

作　者: 马晓泉
导　师: 陈晓勇
学　校:
专　业: 摄影测量与遥感
关键词: 三维激光扫描技术点云数据点云去噪点云简化曲面重建
分类号: P225.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

三维激光扫描技术是二十世纪九十年代新兴的一门测量技术，它采用非接触式高速激光测量，以获取研究目标的三维坐标和数码照片的方式，快速高效的得到目标的三维立体信息。因此该技术被广泛应用于逆向工程、医学、考古、建筑业、船舶、电力、市政建设等众多领域。但是三维激光扫描获取的数据存在各种误差和噪声，而且一般得到的原始扫描数据密度较大，在利用这些数据进行后续的处理、曲面重建时，为了保证精度和速度，需要对原始数据进行预处理。另一方面，进行曲面重建时，涉及几何计算、拓扑关系建立以及三维模型的绘制问题。因此对三维激光扫描数据处理与曲面重建方法进行研究具有重大理论意义与现实意义。针对以上问题，本文从以下三个方面进行了深入研究。1.点云去噪。在分析已有去噪算法的基础上，针对散乱点云，给出了基于最小二乘法的分步去噪方法。通过对噪声点进行分类，先利用求取包围盒最大连通域的方法去除离群点，再用最小二乘法拟合出K邻域内点的最佳逼近平面，通过判定邻域各点到该平面的距离与设定的阈值的大小来去除振幅较小噪声，达到了预定效果。2.点云简化。针对基于曲率简化的方法能较好的保留重建曲面的细节特征，但由于需要计算每个点的曲率并进行比较，效率较低，本文给出了基于轮廓点提取的简化方法，通过先提取轮廓点作为简化点云需要保留的特征点，然后再以轮廓点中曲率最小值为分界，把点云数据按曲率大小分为两个部分。对于大于等于最小值的部分，进行轮廓点保留，其他点删除处理，对于小于最小值的部分，根据曲率精简原则进行简化处理。该方法既继承了基于曲率简化的方法能较好的保留重建曲面的细节特征的优点，又在一定程度上减少了计算量，提高了效率。3.曲面重建。介绍了常用的曲面重建方法：参数曲面重建、隐式曲面重建、分片线性曲面重建、细分曲面重建与变形曲面重建，并分析了各自优缺点。详细介绍了利用Geomagic Studio进行曲面重建的过程，最后用该软件对三个点云数据进行了曲面重建。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
图表目录  8-9
附录目录  9-10
1 绪论  10-18
  1.1 三维激光扫描技术  10-11
  1.2 三维激光扫描技术国内外发展现状  11-12
    1.2.1 国外发展现状  11-12
    1.2.2 三维激光扫描技术在国内的发展  12
  1.3 三维激光扫描关键技术  12-15
    1.3.1 数据处理  13-15
    1.3.2 曲面重建  15
  1.4 本文研究内容、研究意义及结构安排  15-18
2 点云数据处理相关基础知识  18-26
  2.1 点云数据类型  18-19
  2.2 点云邻域及其邻域关系的建立  19-22
    2.2.1 点云的邻域  19-20
    2.2.2 点云 k 邻域搜索方法  20-22
  2.3 法向量和曲率估计  22-25
    2.3.1 最小二乘法  22-23
    2.3.2 移动最小二乘法  23-24
    2.3.3 协方差分析法  24-25
  2.4 本章小结  25-26
3 点云数据去噪方法  26-40
  3.1 引言  26
  3.2 点云噪声的数学模型  26-27
  3.3 点云去噪方法  27-32
    3.3.1 有序点云去噪方法  27
    3.3.2 散乱点云去噪方法  27-32
  3.4 基于最小二乘法的分步去噪方法  32-36
  3.5 实验结果与分析  36-38
  3.6 本章小结  38-40
4 点云数据简化方法  40-50
  4.1 引言  40
  4.2 基于曲率的简化算法  40-41
  4.3 包围盒简化算法  41
  4.4 基于平均点距的方法  41-42
  4.5 基于网格的简化算法  42-43
    4.5.1 均匀网格法  42
    4.5.2 非均匀网格法  42-43
  4.6 基于轮廓点提取的简化算法  43-49
    4.6.1 轮廓点提取  43
    4.6.2 求取平均曲率  43-45
    4.6.3 简化策略  45-47
    4.6.4 实验结果与分析  47-49
  4.7 本章小结  49-50
5 曲面重建  50-58
  5.1 引言  50
  5.2 曲面重建方法分析  50-53
    5.2.1 参数曲面重建  50-51
    5.2.2 隐式曲面重建  51-52
    5.2.3 分片线性曲面重建  52-53
    5.2.4 细分曲面重建  53
    5.2.5 变形曲面重建  53
  5.3 Geomagic Studio 进行曲面重建  53-56
    5.3.1 软件简介  53-54
    5.3.2 曲面重建过程  54-56
  5.4 本章小结  56-58
6 总结与讨论  58-60
  6.1 全文工作总结  58
  6.2 讨论  58-60
致谢  60-62
参考文献  62-65
附录  65-77

三维激光扫描数据处理与曲面重建方法研究

内容摘要

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