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三维激光数据快速配准与绘制

作　者: 段文国
导　师: 张爱武
学　校: 首都师范大学
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 深度图象 点云配准 体绘制 ICP算法 移动立方体 光线投射体绘制
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 338次
引　用: 1次
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内容摘要


三维激光扫描仪因其方便、易用和数据精度高等优点在文物保护,城市规划和数字城市,矿山测量等领域有广泛的应用。三维激光扫描仪获取的数据包含实测场景的距离信息,所以又被称为深度数据(Range Data),同时,利用激光扫描仪自带的高分辨率相机或专业的摄影器材还可以获取被扫描物体的二维纹理信息,可以更加真实的还原现实世界。然而,由于真实场景的复杂性,使得重建出一个逼真的三维模型在目前仍然存在着许多的问题和挑战。其中之一便是深度图像的配准,为了得到完整的场景三维模型,我们必须将从不同角度扫描得到的深度图像配准到同一个坐标系下。很多配准方面的研究都集中在对中小型物体的配准上,但由于大型场景具有数据量大、所需扫描的次数多等特点,这些算法不能直接适用。另外,绘制场景变得越来越复杂,人们对复杂场景绘制速度的要求也越来越高。传统的基于三角片的绘制技术,虽然能够生成真实感很强的图形,但由于自身的局限性,在图形实时绘制方面受到了极大地挑战。本文针对三维激光扫描深度数据配准的情况,分析了传统ICP算法的缺陷,提出了一种基于特征点的改进ICP算法,在初始配准的基础上,利用K-D tree寻找最近点,有效缩短了配准时间,提高了ICP算法的效率,得到很好的精确配准效果。并给出了这种算法的程序设计思想。在场景绘制方面,首先介绍了光线投射(Ray casting)、溅射(Splatting)、错切—变形(Shear-Warp)等算法。对利用扫描仪获取的深度图象和二维纹理图象,在基于可视化工具包VTK的基础上,分别利用移动立方体(MC)算法和光线投射体绘制算法进行了绘制,取得很好的效果。最后,本文还对三维激光扫描数据的获取,点云的预处理,以及基于VTK工具包进行场景绘制等方面进行了介绍。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章 绪论  8-13
  1.1 选题背景  8
  1.2 研究意义  8-9
  1.3 国内外主要研究现状  9-10
  1.4 本文的主要工作  10-13
    1.4.1 选题背景  10-11
    1.4.2 数据来源  11-12
    1.4.3 论文组织结构  12-13
第二章 三维激光数据处理关键技术分析  13-26
  2.1 三维激光扫描仪应用现状  13-14
  2.2 三维激光扫描点云数据及其特点  14-18
    2.2.1 点云数据特点  15
    2.2.2 点云数据的精简  15-17
    2.2.3 点云数据处理的优劣势分析  17-18
  2.3 VTK(Visualization Toolkit)概述  18-23
    2.3.1 VTK 简介  18-20
    2.3.2 VTK 体系结构  20-23
  2.4 基于VTK 进行三维重建流程  23-26
第三章 三维激光点云数据的多视点配准  26-40
  3.1 深度图像的配准的意义和概念  26
  3.2 国内外研究现状  26-27
  3.3 对应点集的运动参数估计  27-29
  3.4 深度图像配准的定义  29-30
  3.5 基于ICP 算法的点云配准  30-38
    3.5.1 基于平面特征的深度图像配准  30-31
    3.5.2 ICP 算法原理  31
    3.5.3 改进 ICP 算法实现精确配准  31-32
    3.5.4 利用 K-D 树搜索最近点  32-34
    3.5.5 基于 VTK 实现 ICP 配准  34-38
  3.6 实验结果分析与小结  38-40
第四章 基于VTK的三维激光数据绘制技术研究  40-59
  4.1 三维体绘制技术的发展与应用  40-41
  4.2 常用体绘制算法介绍  41-49
    4.2.1 间接体绘制  41-46
    4.2.2 直接体绘制  46-49
  4.3 基于VTK 的直接体绘制方法分析与实现  49-54
    4.3.1 准备工作  49-50
    4.3.2 图像数据的读取  50
    4.3.3 VTK 中的光线投射法实现直接体绘制  50-54
  4.4 基于VTK 实现点云数据面绘制  54-56
    4.4.1 实验数据  54-55
    4.4.2 表面绘制  55-56
    4.4.3 绘制结果与分析  56
  4.5 本章小结  56-59
第五章 结论与展望  59-61
  5.1 论文工作总结  59
  5.2 进一步工作展望  59-61
参考文献  61-65
作者在攻读硕士学位期间发表的论文  65-66
致谢  66-67

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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