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基于四目系统的复杂表面高精度密集空间点云获取方法

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科学技术与工程 2016年第20期16卷 81-84页

作者：彭祺屠礼芬仲思东湖北工程学院物理与电子信息工程学院孝感432000 武汉大学电子信息学院武汉430072

在敦煌莫高窟文化遗产数字化保护中,针对基于立体视觉的方法对目标进行三维重建时,复杂表面缺乏特征点,难以获取高密度和高精度空间三维点云的问题,提出了一种基于投影和四目立体视觉的方法。首先,采用投影仪向目标投射黑白棋盘格,并检... 详细信息

在敦煌莫高窟文化遗产数字化保护中,针对基于立体视觉的方法对目标进行三维重建时,复杂表面缺乏特征点,难以获取高密度和高精度空间三维点云的问题,提出了一种基于投影和四目立体视觉的方法。首先,采用投影仪向目标投射黑白棋盘格,并检测角点;然后通过软件细分,将棋盘格在横向和纵向分别平移9次,将棋盘格角点数扩展81倍;最后,用基于四目立体视觉系统的匹配策略,短基距系统用来立体匹配,长基距系统用来计算空间坐标,获取均匀、高密度和高精度的三维点云。实验结果表明:与传统的Harris算子相比较,所提方法获取的三维点云数据能更准确地描述目标的三维结构,点数在数量级上有提高。精度方面,所获取三维点云空间坐标的绝对误差小于1 cm,相对误差小于10%。

关键词：四目系统空间点云复杂表面莫高窟

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基于空间点云的铁路信号工程BIM设计优化

铁路技术创新 2021年第4期 52-55页

作者：车爽中国铁路设计集团有限公司电化电信工程设计研究院天津300251

在铁路信号工程设计中,目前基于空间几何关系的BIM设计手段存在设计效率低、无法满足设计需求的问题。提出基于空间点云的BIM设计手段,以快速精准的方式对站场、线路三维空间内的信号分散设备器材进行定位。通过该设计手段,不仅对以往BI... 详细信息

在铁路信号工程设计中,目前基于空间几何关系的BIM设计手段存在设计效率低、无法满足设计需求的问题。提出基于空间点云的BIM设计手段,以快速精准的方式对站场、线路三维空间内的信号分散设备器材进行定位。通过该设计手段,不仅对以往BIM技术应用进行探索、总结和提升,更有效解决了设计效率低和准确性不高等问题,并为后续将BIM技术引入信号系统联锁、列控的逻辑关系设计奠定了技术基础。

关键词： BIM 铁路信号工程设计信息化空间点云

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空间曲面上点云的三角剖分

空间曲面上点云的三角剖分

作者：张鼎林吉林大学

学位级别：硕士

反向工程是一门正在迅速发展中的学科分支,目前还处于不断研究和探讨之中。而反向工程中一个重要的问题,就是空间曲面上点云的三角剖分问题。本文讨论了反向工程中空间曲面上点云数据三角剖分的一般方法,涉及到空间曲面上点云的预处理,... 详细信息

反向工程是一门正在迅速发展中的学科分支,目前还处于不断研究和探讨之中。而反向工程中一个重要的问题,就是空间曲面上点云的三角剖分问题。本文讨论了反向工程中空间曲面上点云数据三角剖分的一般方法,涉及到空间曲面上点云的预处理,空间曲面上点云数据的三角剖分。重点介绍了预处理后的点云数据的三角网格化的问题,在文献[37]的基础上并给出了相应的有效算法,通过数值实验对算法进行验证,并分析了影响精度的因素。此外,本文还讨论了其他一些经典的算法。

关键词：空间点云三角剖分反向工程

基于三维点云的加筋圆柱壳体圆度测量及初挠度计算

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中国舰船研究 2016年第6期11卷 65-69,82页

作者：王海霖黄祥兵彭飞王中海军工程大学舰船工程系湖北武汉430033

加筋圆柱壳体的圆度是保证其抗压强度的重要指标之一。针对传统圆度测量中基于等分点进行激光测量的方法存在效率低、空间有限条件下操作性差等问题,提出了一种基于三维点云数据的圆度测量及初挠度计算方法。该方法通过自动扫描以获取... 详细信息

加筋圆柱壳体的圆度是保证其抗压强度的重要指标之一。针对传统圆度测量中基于等分点进行激光测量的方法存在效率低、空间有限条件下操作性差等问题,提出了一种基于三维点云数据的圆度测量及初挠度计算方法。该方法通过自动扫描以获取离散的空间点云数据,然后以点云数据为基础,采用肋位特征点定位、剖面投影以及圆拟合等处理方法,对特定肋位测点的初挠度进行计算。结果表明:该方法与等分测量法获得的初挠度计算结果相吻合,可有效提高圆度测量的效率。

关键词：耐压壳体加筋圆柱壳体圆度测量径向初挠度空间点云

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基于序列图像的三维重建技术研究

基于序列图像的三维重建技术研究

作者：马文超哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

伴随着信息处理技术的发展和计算机视觉的出现,使得计算机能够利用物体的三维建模对物体三维信息进行理解和处理;而三维模型给人带来的全面直观的信息感受,促使着人们对于三维模型的需求也越来越大,也滋生出了许多建模技术的发展。其中... 详细信息

伴随着信息处理技术的发展和计算机视觉的出现,使得计算机能够利用物体的三维建模对物体三维信息进行理解和处理;而三维模型给人带来的全面直观的信息感受,促使着人们对于三维模型的需求也越来越大,也滋生出了许多建模技术的发展。其中基于图像的建模技术具有的成本低廉、操作简单系统化和重建真实感等独特优势,广泛的应用于军事、农业、医学等各种领域,越来越成为当今社会研究的重点。本文从所要重建出目标物体表面模型出发,对重建系统中的每个模块进行了相应的研究。在对本文重建系统各模块的设计中,首先重点研究经典的特征提取算法,提出了一种基于边缘方向的模板特征点提取算法,将图像边缘信息与模板的角度信息相互关联,提取出图像的特征点,并将其用二进制编码来描述;研究张氏标定法进行相机标定,求解出图像点与空间点相转化的投影矩阵大小;利用投影矩阵对空间点求取时,本文改进了一种基于最近邻图像匹配求解空间点的方法,使用少数量的匹配特征点完成对空间点的约束,大幅度降低计算量的维度;在求解出空间点坐标之后,本文利用距离平方和最小优化算法,对计算出的空间点完成精确的空间定位,得到整个物体表面空间点云数据;对已获取的点云数据,给出一种利用二维平面点拓扑连接反投影空间中的点云网格化方法,对三维点云数据完成由点到曲面的转化;最后对获得的模型表面进行纹理的映射渲染工作,得到具有纹理、颜色渲染的物体表面三维模型。

关键词：特征提取相机标定空间点云纹理映射

船体曲面变形方法的改进及在船型优化中的应用

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船体曲面变形方法的改进及在船型优化中的应用

作者：冯梅武汉理工大学

学位级别：硕士

在船型优化技术中,船体曲面变形技术是实现船型优化的前提条件,是连接优化算法和船舶性能评估之间的纽带,决定了船型优化设计空间的大小。其中,基于径向基函数插值（Radial Basis Function,RBF）的曲面变形方法具有拓宽船型优化空间,使... 详细信息

在船型优化技术中,船体曲面变形技术是实现船型优化的前提条件,是连接优化算法和船舶性能评估之间的纽带,决定了船型优化设计空间的大小。其中,基于径向基函数插值（Radial Basis Function,RBF）的曲面变形方法具有拓宽船型优化空间,使局部型线变形更加灵活的优点,本论文重点对该方法展开研究,主要工作如下:1)适用于船体曲面变形的径向基函数插值公式推导。针对插值之后曲面的光顺性判别问题,推导了径向基函数插值公式,通过使曲面的能量最小来保证曲面的光顺性。首先利用正则化理论推导了该公式,然后通过曲率梳、斑马线等方法对变形船的光顺性进行了评价,验证了基于径向基函数插值的曲面变形方法可以保证变形船的光顺性。2)支撑半径求取的改进。现有的支撑半径求取方法,没有同时考虑可变点的分布和坐标变化量的影响,且在特殊情况下,无法通过Delaunay三角剖分求取支撑半径。针对上述问题,本论文提出了支撑半径的动态求取方法,其思路是以可变点为基础,为了使变形后的船体曲面不出现鞍点且保持拓扑连续,采用Delaunay三角剖分方法计算支撑半径并推导了支撑半径的下界,上述方法综合考虑了可变点的分布和可变点坐标变化量对支撑半径的影响。3)基于空间点云的径向基函数插值方法。针对基于非均匀有理B样条（NonUniform Rational B-Splines,NURBS）的径向基函数插值方法无法对几何约束进行精确定义的问题,提出了基于空间点云的径向基函数插值方法,该方法重点对船体曲面变形时可变点（优化变量）的选择进行改进,从而实现了船体曲面变形过程中对特定几何部位的约束。4)基于径向基函数插值的曲面变形方法在船型优化中的应用。将改进的船体曲面变形模块嵌入团队开发的船舶水动力性能多学科综合优化平台（SHIPMDO-WUT V6.0）,以Series 60船型（简称S60船型）、DTMB5415船型和三体船为研究对象,完成给定约束条件下的船型优化研究,以此证明该方法的可行性和工程实用性。

关键词：径向基函数插值正则化理论支撑半径空间点云船型优化

基于三维激光扫描技术的室内外无缝导航应用研究

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基于三维激光扫描技术的室内外无缝导航应用研究

作者：赵世亭上海海洋大学

学位级别：硕士

随着科技的不断发展和创新，为满足人们的需求建立起了许多大型的建筑物，如机场、大型超市、图书馆、还有地下停车场等。由于这些复杂的室内环境，人们对室内外定位导航技术的需求更加迫切。随之产生了定位导航技术。在室外，可利用GP... 详细信息

随着科技的不断发展和创新，为满足人们的需求建立起了许多大型的建筑物，如机场、大型超市、图书馆、还有地下停车场等。由于这些复杂的室内环境，人们对室内外定位导航技术的需求更加迫切。随之产生了定位导航技术。在室外，可利用GPS定位技术进行定位导航，而在室内，由于GPS卫星信号受到建筑物的阻挡，GPS接收机无法接收到数据，导致GPS技术无法在室内进行精准的定位导航。因此，产生了室内定位导航技术。红外线定位导航技术属于室内定位导航技术之一，它是通过布置在室内的各个相关传感器感应红外射线，进行定位。由于红外射线不能够穿透障碍物，所以红外线定位技术只能将传输信号进行视距传播，使得导航距离缩短，而无法进行精准的定位导航。超声波定位技术，主要是通过对声音的传播，接收和反应信号，从而确定目标物的位置，其定位精度高。但该定位方法成本高，且容易受外界的干扰性较大。射频识别定位技术，通过对接收到的信号进行双向通信，采用无线电信号的方式，进行定位。其定位精度可达厘米级，由于射频识别技术定位距离短，在实际应用中，不具有普遍性，而且其没有标准的用户使用安全规则。超宽带定位技术，是通过接收和发送窄脉冲进行传输数据，从而确定目标物的具体位置，达到定位的目的，其定位精度较好。无线局域网络定位技术，是通过合理的设置相关的网络节点，进行接收和发送信号，进行定位导航。除了上述定位导航技术，还有一些定位导航技术还处于初级研究阶段，如计算机视觉等定位技术。本论文结合三维激光扫描技术，对室内外定位导航技术进行研究。三维激光扫描技术能够在一秒内采集数千个空间点信息，解决了传统测量技术中采集空间信息效率低的问题。三维激光扫描技术能够在较短的时间内，较为完整的获得目标物的空间信息，有的采样速率可达5000点/秒，如此高的采速率，在测绘领域是一个重大的突破。在采集空间信息之前，引入控制点、设站，完成目标物地理信息的采集。本文利用GPS接收机合理的采集室外控制点，GPS接受机采用RTK（RealTime Kinematic）的测量方式，也即实时动态差分法的测量方式。此测量方式的特点在于能够实时的提供站点所在位置的空间信息，而且精度可达毫米级。利用全站仪，采用“后方交会”或者“已知后视点”方法，采集室内基准站信息。在此，利用全站仪“引入”室内所需定位导航的空间点云信息，为三维激光扫描仪基站的设立做准备。通过利用GPS接受机和全站仪采集控制点信息，建立室内外导航所需空间坐标系统。最后，空间坐标系统建立完成后，合理的设立室内外三维激光扫描仪站点，采集相关室内外空间信息。信息采集过程中，实时将数据传输至系统中，经过点云数据预处理，完成定位导航背景，实现室内外无缝定位导航。在以后的定位导航应用中，如果是相同的定位导航背景，则系统无需再进行对目标物的扫描，可直接进行定位导航。采用三维扫描技术得到的空间数据数据是庞大的，点云数据经过预处理后，在配准过程中，经典的ICP算法配准时迭代时间长，而且容易陷入局部最优的问题，因此本文提出了一种快速的空间点云数据配准方法（PCA-ICP），该方法利用主成分分析法寻找最优的空间配准转换参数，避免了ICP算法为寻找最优解而陷入局部最优的问题，且提高了配准速度。使用PCA-ICP算法对某一建筑物室内外空间点云数据进行配准，实验结果表明，此方法迭代时间短于经典ICP算法，是一种可行的点云配准方法。

关键词：无缝定位导航三维激光扫描技术 GPS定位技术空间点云配准

基于双目视觉和线结构光的工件三维重建与测量

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基于双目视觉和线结构光的工件三维重建与测量

作者：李政锋厦门大学

学位级别：硕士

工件尺寸参数的测量对于其精密加工生产具有重要现实意义,其结果直接影响着设备的工作性能。现如今,成批量的生产需要和日益复杂化的加工工艺给现代测量技术提出了越来越高的要求。本文对工件测量方法进行研究,提出了一种基于双目和线... 详细信息

工件尺寸参数的测量对于其精密加工生产具有重要现实意义,其结果直接影响着设备的工作性能。现如今,成批量的生产需要和日益复杂化的加工工艺给现代测量技术提出了越来越高的要求。本文对工件测量方法进行研究,提出了一种基于双目和线结构光的视觉测量方法,实现了对工件的三维重建和相关参数的测量,主要工作与内容包括:1)利用投影的线结构光构造辅助特征,解决了双目视觉中工件表面无纹理的难以立体匹配问题,降低了立体匹配算法的设计难度;同时设计了一个微型线结构光发射器搭载装置,实现了线结构光对工件表面的原地均匀扫描,以便获取工件整个表面的点云;并通过理论分析完成了对工业相机、工业镜头、线结构光发射器等硬件设备的选型,搭建了一个完整的硬件系统作为实验平台。2)在提取线结构光条纹图像时,将以往的背景差分法和基于RGB图像的单通道阈值法相结合,增加了参数的可取值区间,提高了算法的抗噪能力;在计算线结构光条纹图像端点处的光条中心时,用灰度重心法的结果代替了基于Hessian矩阵的Steger算法结果,解决了 Hessian在条纹端点处无法准确判断法线方向的问题,并通过对光条中心的定位结果进行立体匹配实现了工件表面的点云重建。最后利用该方法对制作精度为0.01mm的标定板背面进行三维重建实验,验证点云的重建精度。实验结果表明,点云重建误差小于0.8mm的比例高达99.5748%,点云重建误差小于0.6mm的比例高达96.3600%,具有较高的重建精度。3)提出了一种基于空间点云的工件表面短程线距离测量方法,在获得工件表面三维点云的基础上,先利用短程线点云路径搜索算法确定两点之间的短程线点云路径,然后使用五次B样条曲线对降采样后的点云路径进行曲线拟合计算短程线距离,实验结果表明该方法具有一定的可行性,在kd-tree的快速近邻检索下,算法速度达180ms。最后对工件表面点云进行了移动最小二乘平滑去噪和贪婪投影三角剖分,重建了工件的表面。4)使用OpenCV、PCL和Qt等工具开发了一套基于双目视觉和线结构光的工件三维重建与测量系统,将双目标定、搭载平台自动控制、图像采集传输、线结构光条纹图像处理、立体匹配点云重建、短程线点云路径搜索等算法融合至整个软件当中,实现了工件表面上点位置的交互式定位、相关尺寸的自动测量和三维重建结果的可视化显示。并通过使用该软件和设备对尺寸大小在80-660mm之间的不同形状工件进行三维重建和测量实验,验证了算法的有效性和系统的稳定性。实验表明算法能达到0.755%的相对误差,可以代替人工测量。

关键词：双目视觉线结构光三维重建工件测量空间点云