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海量数据点三维重构中一类关键问题研究

李晋江  
【摘要】:目前,三维空间测量技术得到了快速发展和广泛应用,三维数据获取的能力和精度度都有了很大的提高,这为实现物体的三维重构提供了坚实的基础。三维重构是指对实际存在的物体,获取其在计算机内表示的技术,这种外形表示是对三维物体进行处理、操作和分析其性质的基础,是逆向工程、人机交互可视化等的关键,在CAD/CAM、工程设计、科学计算可视化、数字化城市和博物馆等领域有广泛的应用背景,也是当前这些领域中的一个重要基础理论问题和热点问题。 在现实应用中,实现物体高精度的三维重构,需要进行数据获取与去噪、数据的配准对齐、孔洞修复及数据压缩等关键处理。本论文将就以上四个关键问题进行研究,为基于三维空间测量技术的物体高精度三维重构中一类关键问题提供新的理论和简单、有效的算法。具体而言,本文的研究内容为以下四点: (1)海量数据去噪 通过激光扫描仪测得的点云数据不可避免地会有一些噪声,为了更精确地提取特征和得到较好曲面模型,有必要对数据点进行去噪处理,一般三维重构中首先要做的工作是数据的去噪,它会影响到三维重构中其它算法所能达到的最高精度。噪声通常是由被测对象表面因素产生的误差(譬如表面粗糙度、波纹等缺陷)及由测量系统本身引起的误差(譬如测量设备的精度、分辨率、振动等)引起的,据统计在测量得到点云数据中有0.1%-5%的噪声点要予以处理。 (2)海量数据点集间高精度对齐算法 数据对齐和曲面重建是三维表示的关键问题和难点问题,对齐的精度决定了曲面重构的质量,特别对精细物品表面的重构(例如精密机械部件、精致的国家级文物等)。文献中研究较多的与对齐问题有关的工作主要有:孤立点划分、初始位置指定、匹配点对的选择、对齐的修正和多幅视图同时对齐等。本质上,数据对齐是一个优化问题,目标是找到合适的欧几里得变换参数使一组数据与另一组数据匹配。尽管收敛速度很慢,Besl和McKay提出的迭代最近点算法仍被广泛的使用。现有方法的主要缺点是过多依赖经验推断,需要给出较精确的初始条件,并缺少对算法基于优化理论的严格分析,比如许多算法的收敛性分析被忽略了。这些亟待改善的现状要求我们把数据对齐的研究建立在更为坚实的理论基础上,给出稳定快速的有效算法。 (3)孔洞修复 在进行数据测量时,由于测量原理或人为因素会导致测量数据缺失,测量获得的物体表面数据不可避免地存在一些不希望有的“孔洞”,进行适当的修补可以在很大程度上减少曲面失真。此外,在逆向工程中若能对一些磨损的贵重零件或模具进行修复,便可以大大降低产品的制造成本,因而开展模型修复的研究有重要的意义。 (4)数据压缩 通过三维扫描获取的数据量通常都比较大,同时3D图形技术与互联网的结合产生了越来越多有意义的应用。但是网络带宽的限制严重阻碍了这种媒体的传播。仅仅靠增加硬件设备的投入是不足以解决这一问题的,需要研究针对海量三维几何数据的压缩编码技术。有效的三维模型压缩技术,对减少三维几何数据的存储量、降低其在网上传输所需的带宽等具有十分重要的意义。 本文的具体工作和主要贡献包括以下几点: (1)基于群体智能的点云去噪 本文提出了基于核函数的蚁群算法用于分析可能的噪声数据,它把输入的非线性可分的模式数据映射到高维特征空间,使之在特征空间中线性可分,增加了模式的线性可分概率,即扩大模式类之间的差异,因此有效地将边界信息和噪声进行区分,这样就可以直接对噪声点进行处理,保证了局部高频特征信息不失真。 (2)基于局部特征面的点云配准 提出一种新的基于局部特征面的点云配准算法,首先构建待配准点云数据的八叉树,根据八叉树的比较来确定匹配的公共区域。将公共区域点云数据进行高斯映射,在单位高斯球中进行初步配准。给出了高斯球中配准的目标函数,在高斯球中对旋转轴和旋转角度组成的四维空间向量采用几何哈希法来进行配准。算法提取点云特征点并构造局部特征曲面,通过点到面的距离来构造目标函数来进行精确匹配。 (3)基于分形技术的孔洞修复 提出了一种基于分形技术的修复算法,充分利用了数据的自相似性。首先通过“角度”来判断可能的边界点,再利用边界点的连贯性来进行孔洞边界环的提取。对于比较大的孔洞,先插入一些离散点再进行三角化。在三角形区域上构造分形插值曲面,再对选取特征点进行分形插值产生新的数据点。 (4)基于Surfacelet的数据压缩 采用渐进压缩技术将关键帧网格压缩成具有多个目标比特率的码流,解码时可根据接收到的部分数据序列重构出不同近似程度的网格。采用适合3D数据处理的Surfacelet小波来进行多尺度的网格压缩。 目前,关于物体的三维重构的研究成果还远远不能满足实际应用的需求,已成为逆向工程、可视化技术、人机交互等在许多领域广泛应用的瓶颈,快速、高精度地数字化出物体表面是CAD/CAM、工程设计、数字化城市和博物馆等领域迫切需要的技术。不断提高的三维物体表面数据获取技术已在这些领域有了广泛应用,从而需要更为有效的重构技术来为科学研究中的创新与发现提供新手段,为生产中的产品设计、科学计算可视化中自然现象的准确模拟、数字化城市和数字娱乐等中的场景制作和画面的设计等提供有效的新工具,为计算机辅助几何设计、计算机图形学和科学研究等领域提供新的理论和方法。


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