基于激光掃描點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)的日益發(fā)展，逆向工程已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品再創(chuàng)新和設(shè)計(jì)中。作為產(chǎn)品零部件外形幾何逆向工程的一個(gè)研究熱點(diǎn)，基于激光掃描點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理技術(shù)作為逆向工程幾何建模的重要技術(shù)，它以激光掃描點(diǎn)云作為逆向數(shù)據(jù)預(yù)處理和建模的基本元素，目前該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到蓬勃發(fā)展。該項(xiàng)技術(shù)以獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為處理對(duì)象，不用構(gòu)建三角網(wǎng)格，在處理超大規(guī)模點(diǎn)云中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和模型重構(gòu)方面，顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在正成為逆向工程研究的一

2、個(gè)熱點(diǎn)。本文針對(duì)該領(lǐng)域中的若干關(guān)鍵性問(wèn)題，結(jié)合山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于多尺度特征的復(fù)雜曲面重構(gòu)技術(shù)研究”(項(xiàng)目編號(hào)：Y2006F12)進(jìn)行了深入地研究。
　　 (1)為了滿足逆向工程后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和重構(gòu)的精度要求，本文完成了激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪聲數(shù)學(xué)描述與分類，制定了把各種噪聲降到最低甚至有效去除的數(shù)據(jù)預(yù)處理流程。
　　 根據(jù)激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，給出了噪聲點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理及其數(shù)學(xué)描述，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，把噪聲點(diǎn)進(jìn)行分

3、類：由系統(tǒng)測(cè)量誤差α(xi,yi,zi)，和系統(tǒng)隨機(jī)誤差β(xi,yi,zi)引起的噪聲點(diǎn)，以及由隨機(jī)性分量gS(xi,yi,zi)引起的噪聲點(diǎn)。分別根據(jù)其特點(diǎn)制定切實(shí)可行的去噪方案有針對(duì)性的去除。為此，制定了一套數(shù)據(jù)預(yù)處理去除噪聲的流程，包括明顯噪聲點(diǎn)去除，噪聲點(diǎn)濾波平滑處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的光順處理等。工作結(jié)果表明，在求得的切片點(diǎn)云(從模型的三維離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)到獲取的二維截面輪廓的點(diǎn)云數(shù)據(jù))基礎(chǔ)之上，所采取的去除噪聲預(yù)處理流程能夠把由系統(tǒng)測(cè)

4、量誤差、系統(tǒng)隨機(jī)誤差以及隨機(jī)性分量所引起的噪聲點(diǎn)減小甚至部分消除，滿足逆向工程后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和重構(gòu)的精度要求。
　　 (2)研究了激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有關(guān)預(yù)處理算法，提出了優(yōu)化修正量光順?biāo)惴ā?br>　　 本文在激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)密集、數(shù)據(jù)量大、不便于存貯的背景下，在保證精簡(jiǎn)后數(shù)據(jù)精度的前提下，提出一種用偏差參數(shù)和角度允差值來(lái)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮的算法，該算法用于處理的激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)大噪聲點(diǎn)去除、濾波和優(yōu)化修正量光順處理之后的海

5、量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該壓縮算法簡(jiǎn)單直觀，能夠根據(jù)公差值dT和角度最大允差值的大小來(lái)壓縮數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)能最大限度地滿足機(jī)械產(chǎn)品外形和精度要求。能夠最大限度地保留原有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的外形，提高壓縮后數(shù)據(jù)點(diǎn)的精度，對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的壓縮具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　 針對(duì)所采集的激光掃描點(diǎn)云密集和數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了截面線點(diǎn)云數(shù)據(jù)的光順處理，這方面比較著名的文獻(xiàn)包括，Eck M.，Jaspert R.和G.H.Liu，Y.S.Wang and Y.F.

6、Zhang所提出的光順?biāo)惴?，可是，G.H.Liu和Y.S.Wang等人所提出的光順?biāo)惴?，其修正量是遞進(jìn)的，利用尋優(yōu)函數(shù)的約束來(lái)確定修正量，從而使壞點(diǎn)得到光順，其修正量的閾值沒(méi)有限制；修正方向的指向是按照能量函數(shù)方程符號(hào)的變化作出決定，其編程實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜。由此，本文提出了一種優(yōu)化修正量光順?biāo)惴?，在分塊進(jìn)行粗、精光順處理采樣數(shù)據(jù)過(guò)程中，分別由曲率及其一階差分符號(hào)的變化來(lái)辨識(shí)壞點(diǎn)。壞點(diǎn)的修正方向直接按照能量函數(shù)方程確定出由型值點(diǎn)指向三角形形心

7、的正或負(fù)的G向；修正量由賦初值開(kāi)始，然后按照能量函數(shù)方程，遞進(jìn)搜索，滿足能量代數(shù)式最小值后搜索停止。本文所提出的優(yōu)化修正量光順?biāo)惴?，主要用于光順激光掃描散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該算法能夠滿足曲線曲面重構(gòu)的光順性要求，可以有效保留曲線的原有幾何外形。最后通過(guò)在二維散亂點(diǎn)云上的實(shí)例仿真，驗(yàn)證了所提算法的適用性和有效性。
　　 (3)提出了用離散曲率算法進(jìn)行截面線特征提取。
　　 特征提取是逆向工程的重要步驟，其中截面線特征點(diǎn)的弱化是需

8、要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文重點(diǎn)研究了二維截面線特征點(diǎn)的提取。檢索到有關(guān)特征點(diǎn)直接提取的文獻(xiàn)有，自適應(yīng)k-曲率(AKC)函數(shù)算法，在斷點(diǎn)提取中，AKC函數(shù)是用于提取拐角和光滑連接之間的特征點(diǎn)；映射高度函數(shù)(PHF)算法，PHF函數(shù)用于從圓弧中區(qū)分出直線段的特征點(diǎn)提??；由Liu和Ma提出的相對(duì)轉(zhuǎn)角繪圖(RSTM)算法，用于辨識(shí)輪廓線的特征點(diǎn)提取問(wèn)題。AKC函數(shù)算法和PHF算法只能提取某種特征點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用受到一定限制。
　　 在研究了特

9、征點(diǎn)直接提取上述文獻(xiàn)相關(guān)算法的基礎(chǔ)上，提出用離散曲率法提取特征點(diǎn)。所提出算法的主要內(nèi)容包括：用包含了高斯核函數(shù)曲線的曲率表達(dá)式建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，選用了合適的離散尺度因子。根據(jù)離散曲率曲線的局部極值點(diǎn)，確定出截面線特征點(diǎn)集，并進(jìn)行特征點(diǎn)的融合。所提出的算法用于準(zhǔn)確地獲取激光掃描點(diǎn)云的原始設(shè)計(jì)意圖，能最大限度地與原有形狀特征元保持一致。順利地完成逆向建模過(guò)程的關(guān)鍵一步。在實(shí)例應(yīng)用中，把RSTM算法和所提出的離散曲率算法在實(shí)例應(yīng)用上做了輸出比