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基于LIDAR与航空影像建筑提取与三维几何重建技术

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基于LIDAR与航空影像建筑提取与三维几何重建技术

作者：赵修莉北京林业大学

学位级别：硕士

面向智慧城市的目标,传统的二维地理信息已无法满足现代城市管理与应用的需要,将空间三维信息和地理要素属性信息有机结合的城市管理成为迫切的需求。三维数字城市是综合运用地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、遥感系统(RS)、网络... 详细信息

面向智慧城市的目标,传统的二维地理信息已无法满足现代城市管理与应用的需要,将空间三维信息和地理要素属性信息有机结合的城市管理成为迫切的需求。三维数字城市是综合运用地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、遥感系统(RS)、网络和虚拟现实等关键技术,以政府、企业、公众为服务对象,以虚拟现实的方式展示城市地表地物的空间分布、形态、属性以及变化信息,目前主要应用在城市设计、通讯产业、土地管理、交通、电力、城市管网、水利、消防等行业。因此,利用多种数据源建立三维数字城市具有重要的现实意义。在三维数字城市建设中如何实现建筑物信息的提取和建筑模型的三维几何重建是研究的关键。本文基于LiDAR点云和正射影像数据,配合地形图实现了研究区大范围的建筑物三维重建。在建筑物信息提取中,本文先对获取的LiDAR点云数据采用分布几何法进行校正,并利用基于渐进三角网的点云滤波与分类算法实现了地面点(DEM)和地物点(DSM)的分离。再按照由低至高的顺序逐步将地物点进行二次分类,实现植被、建筑物信息、水体信息、道路和桥梁信息的提取。将其它干扰信息一一剥离,得到建筑物信息和地面信息。在建筑物三维重建方面,作者认为所有的建筑屋顶都可以将其分离为屋顶和墙体两个部分。墙体的面一般都是与地面相垂直的立面,几何关系简单,因此屋顶的面是本文的研究重点。本文将建筑物按屋顶形状分成了平屋顶、坡屋顶、人字形屋顶、山字型屋顶和曲面球形屋顶。本文采用面片的形式来构成建筑物复杂的结构,使用基于法向量的区域增长法的点云聚类方式,形成不同层次的面片(Bezier),实现屋顶的分割。坡屋顶和平屋顶一般生成一个面片,人字形屋顶生成两个面片,山字型屋顶生成四个面片。利用点云的阶跃特征和面片交叉特征确定建筑物屋顶的初始特征结构线,以航片和1：500地形图辅助进行少量的人工编辑优化建筑物特征结构线。对优化的建筑屋顶边缘线采用分裂合并算法进行建筑物模型拓扑关系的自动构建,最后借助点云是携带高程这一特征生成建筑物的墙体,实现建筑物体框几何模型重建。对于无法用面片表示的球形和曲面屋顶,本文采用3DMAX的非均匀有理B样条曲线建模(NURBS)、细分曲面技术建模(Subdivision Surface)等方式实现模型重建。利用影像与LiDAR集成重建建筑物三维几何模型的方法,充分考虑了激光扫描数据的三维特性和影像的高分辨率特性并包含丰富的地物及纹理信息及数字地形图的线化边缘特征边缘特征。将这三种数据集成起来可以获取更精确、更完整、更可靠的建筑物三维几何模型。充分集成三种数据的优势,能够实现范围较大的区域的三维重建。

关键词： LiDAR点云数据正射影像滤波与分类三维几何重建

基于CNN分类的二维几何图像的几何对象三维重建

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基于CNN分类的二维几何图像的几何对象三维重建

作者：宋奇衡西北大学

学位级别：硕士

物体的三维几何重建是指将二维几何图像重建为相应的三维对象,或者说是将平面上的几何图像恢复为三维空间中的物体。三维几何重建技术是计算机视觉中的一个重要的研究分支,其在虚拟现实、计算机辅助几何设计、教育与建筑、医学图像处理... 详细信息

物体的三维几何重建是指将二维几何图像重建为相应的三维对象,或者说是将平面上的几何图像恢复为三维空间中的物体。三维几何重建技术是计算机视觉中的一个重要的研究分支,其在虚拟现实、计算机辅助几何设计、教育与建筑、医学图像处理等领域有着重要的理论研究和实际应用价值。常用的三维几何重建方法主要有基于规则的方法、基于推导的方法和基于几何对象分割的方法。基于规则的方法相比于其他两种方法具有更加完善的体系和更快的重建速度,一直以来受到相关学者和研究人员的广泛关注。近年来,随着卷积神经网络(CNN)技术的快速发展及其在计算机视觉各应用领域中的良好表现,使其得到广泛应用。卷积神经网络(CNN)技术引入三维几何重建可以促使三维几何重建质量得到显著提升。本文重点围绕教育与建筑领域中二维几何图像的三维几何重建展开研究,旨在提高三维几何重建结果的准确性和重建速度。在充分研究现有三维几何重建方法的基础上引进卷积神经网络(CNN)技术,提出一种新的基于卷积神经网络(CNN)分类的二维几何图像与三维几何模型匹配的三维重建方法,该方法有效提高了三维几何重建的准确率和重建速度。本文的工作主要体现在以下几个方面:1.学习和研究常用的三维几何重建方法,主要包括基于规则的方法、基于推导的方法和基于几何对象分割重建的方法,并分别数值实现和对比分析了几种具有代表性的方法。2.重点研究卷积神经网络(CNN)技术,提出一种新的基于卷积神经网络(CNN)分类的二维几何图像与三维几何模型匹配的三维重建方法。该方法首先预处理提取简单或复杂的二维几何图像对应的二维几何线条图像;其次引入卷积神经网络技术对二维线条图像分类,实现二维线条图像的高精度和高速度的识别;最后基于二维线条图像与三维几何模型的匹配关系,实现二维线条图像的三维几何模型重建。实验结果表明,本文方法能够有效提高二维线条图像的识别精度和速度,并在此基础上高质量的重建相应的三维几何模型。3.构建了一个二维线条图像数据集,该线条图像数据集基本上包含了当今各类学生的教材或教辅材料中的二维几何图像对应的二维线条图像。该二维线条图像数据集包含十三类图像。二维线条图像数据集主要用于卷积神经网络(CNN)参数的训练和测试。4.设计并实现了一个三维几何重建系统,该系统包含图像输入、目标检测、线条提取、几何分类和三维重建五个功能模块。图像输入模块能够读取待重建的二维几何图像;目标检测模块能够自适应的提取图像中的二维几何目标;线条提取模块能将二维几何目标转换为对应的二维几何线条图像;几何分类模块将二维几何线条图像分类;三维重建模块实现二维几何线条图像与三维几何模型的匹配,并重建出三维几何模型。该系统具有输入二维几何图像输出相应三维几何模型的功能。

关键词：卷积神经网络二维几何图像三维几何重建数据集模型匹配

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基于医学图像的人工关节三维重建系统研究

基于医学图像的人工关节三维重建系统研究

作者：余新明武汉理工大学

学位级别：硕士

基于医学图像的人工关节三维重建系统研究是一个典型的多学科交叉领域，它涉及到医学图像处理、三维重建、虚拟仿生制造等相关技术。这种匹配式的人工关节对减少病人置换手术后的各种并发症极有帮助，同时医学图像三维重建技术在医学诊... 详细信息

基于医学图像的人工关节三维重建系统研究是一个典型的多学科交叉领域，它涉及到医学图像处理、三维重建、虚拟仿生制造等相关技术。这种匹配式的人工关节对减少病人置换手术后的各种并发症极有帮助，同时医学图像三维重建技术在医学诊断、手术规划等临床医学中也有很重要的应用，因此本研究具有重要的学术意义和使用价值。针对当前医学CT机都配有DICOM接口，其数据可以输出为符合DICIOM协议的数据文件现状，本文研究了DICOM协议中文件格式部分内容，实现了DICOM文件解码功能，可以直接采用CT机产生的原始数据文件为数据来源。对骨组织轮廓的分割和提取是保证重建模型精度的前提。对不同的医学图像，采用不同的滤波算法，可以去除医学图像中的部分干扰噪声。针对CT文件的特点，首先进行窗宽窗位处理，增强对象的特征，然后再进行聚类分割，把对象分割为不同的区域，利用边缘跟踪算法得到对象边缘轮廓的离散表示，实现了所提出以CT值为聚类特征的K—均值聚类分割轮廓提取方法。由于骨组织边缘轮廓形状的复杂性，采用弧长和曲率结合的原则进行特征控制点的选取，兼顾了特征控制点均匀性和形状准确性的统一。介绍了三次均匀B样条及其反求方法，以选择的特征点为控制点，反求得到骨组织截面轮廓的样条曲线，实现轮廓的矢量化。根据从CT文件中得到的截面间距，对所有的截面数据进行重新排列，形成规则的三维数据场。研究了三维重建的关键技术，探讨了两种重建算法，详细分析了Marching Cubes算法的基本原理和实现方法，采用边界跟踪算法确定边界立方体，并且用立方体棱边中点代替三次插值计算作为三角片顶点，可以减少处理立方体的数量和计算时间，解决了数据量大和显示速度慢的不足。本文最后介绍了基于医学图像的人工关节三维重建系统的相关细节。系统采用以项目管理为中心的管理模式，各功能并行处理的系统结构框架。采用层次结构来组织数据，应用面向对象思想分析并建立了系统中的所有数据，全部封装为类。

关键词：人工关节图象处理图像分割三维几何重建 CAD/CAM

面向快速成型技术的医学图像三维重建系统的研究与开发

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面向快速成型技术的医学图像三维重建系统的研究与开发

作者：万俊江苏大学

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快速成型(RP)技术是近年来倍受学术界和制造业关注的一种先进成型制造技术。而快速成型技术与医学CT技术的结合给医学界带来了巨大的影响。通过对医学CT图像的三维重建将患者的病患组织重建成三维模型,进而利用快速成型技术加工制造成... 详细信息

快速成型(RP)技术是近年来倍受学术界和制造业关注的一种先进成型制造技术。而快速成型技术与医学CT技术的结合给医学界带来了巨大的影响。通过对医学CT图像的三维重建将患者的病患组织重建成三维模型,进而利用快速成型技术加工制造成患者的病患组织模型,以满足医学上不同的需要。目前,医学图像三维重建技术是快速成型技术在医学中应用领域的一个研究热点,在医学诊断、手术规划及模拟仿真、整形及假肢外科、放射治疗规划、解剖教学等方面都有重要应用。因此,对医学图像三维重建技术的研究,具有重要的学术意义和应用价值。本文研究了医学图像的三维重建技术,其主要内容包括医学图像的读取、医学图像的预处理、医学图像的分割及目标组织的提取等。在此基础上,开发了一套医用CT成像系统与快速成型系统的接口软件。在医学图像的读取研究中,本文以DICOM格式作为医学图像的主要输入格式,相应地开发了医学图像的输入模块;在预处理研究过程中,本文分别研究了几种不同的医学图像滤波方法和图像插值方法,并对不同方法的效果进行了比较。正确的分割是重建模型能够正确表达重建的组织或器官的前提。由于分割的不适定性,即没有一种通用的分割方法适用于任何图像的分割,因此本文针对医学图像的特点,提出了相应的分割方法:即首先观察医学图像的直方图,利用分水岭法初步确定阈值;查看目标组织与周围组织在边界处的像素值,交互选取阈值,将图像二值化;然后根据目标组织的形态特征选取合适的形态学操作进行区域修整;最后用区域增长法填充要提取的组织区域。 Marching Cubes(MC)算法是基于规则体数据抽取等值面的经典算法,而Marching Tetrahedra(MT)算法是MC算法的改进和变型。本文实现了这两种算法对分割提取的区域抽取等值面构建表面模型,并针对MT算法存在重建速度慢、数据存储冗余等缺点,提出了体素内相关性处理和体素间相关性处理方法,加快了重建速度。在理论研究的基础上,本文开发了医用CT成像系统与快速成型系统的接口系统。首先对系统的功能进行模块划分,分析了其程序流程,制定了相应的处理步骤。该系统实现了医学图像的输入,预处理,分割与插值,体数据的存储,等值面抽取,快速成型加工系统标准输入文件(STL格式文件)的生成等。

关键词：快速成型三维几何重建医学图像体视化规则体数据组织分割和提取表面几何模型

基于自适应细分方法的医学图像三维重建及可视化技术研究

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基于自适应细分方法的医学图像三维重建及可视化技术研究

作者：王媛媛浙江大学

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近年来,随着计算机断层扫描(CT:Computed Tomography),核磁共振成像(MRI:Magnetic Resonance Imaging),超声(US:Ultrasonography)等医学成像技术的产生并且应用越来越广泛,而医疗仪器获得的二维图像却远远满足不了要对数据进行精确分析... 详细信息

近年来,随着计算机断层扫描(CT:Computed Tomography),核磁共振成像(MRI:Magnetic Resonance Imaging),超声(US:Ultrasonography)等医学成像技术的产生并且应用越来越广泛,而医疗仪器获得的二维图像却远远满足不了要对数据进行精确分析的要求。因此,医学图像的三维重建及可视化有重要的研究意义和应用价值。本文结合具体医学图像,以自适应细分为网格简化方法,VTK可视化工具包为可视化实现方式,主要研究内容如下：介绍三维重建技术的国内外发展状况,整理和总结三维重建的基本理论,阐述三维数据的建模方法,分析医学图像的预处理、图像的分割及模型表面网格简化。讨论CT、MRI图像的获取并实现数据的输入,针对数据探讨图像的滤波及断层图像间插值与断层间表面重构。介绍体素模型与等值面的定义,并对等值面的抽取方法移动立方体法(Marching Cubes)算法和移动四面体(Marching Tetrahedra)算法的基本原理进行详细介绍和对比。由于采用MC和MT算法抽取等值面构建的表面几何模型所包含的三角面片数量较大,难以实现实时绘制显示。本文引入自适应细分方法进行网格模型的网格简化,在保持原模型的特征和较好的视觉效果的前提下,简化模型网格,大大的提高了实时交互绘制能力。讨论基于可视化分析的研究模型,并分析可视化的流程。借助于VTK可视化工具包,采用基于面绘制的Marching Cubes算法,处理DICOM标准的二维医学图像数据,并进行三维重建,真实的再现了物体的三维面貌,同时可以交互的进行旋转、平移等操作。国内常用的三维可视化工具类似OpenGL,存在代码执行率低或计算能力差等缺陷,VTK避免了这类问题。论文最后综述了医学图像三维重建系统的开发,分析了系统需求,介绍了算法和主要流程,提出并建立了系统数据结构。在VC++6.0开发环境下,使用VTK工具包和MFC库开发出一个医学图像三维重建及可视化系统,可以读取特定格式的医学图像数据,进行三维重建,及最终的实时交互。经测试本文以上算法正确,且重建效果良好,调整方便,可用于各种DICOM标准医学图像数据的三维重建及可视化。

关键词：三维几何重建医学图像可视化自适应细分 VTK 可视化系统

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基于图像的危化品堆垛三维几何动态建模

控制工程 2020年第1期27卷 70-76页

作者：戴波李雁飞安海洋周泽彧刘学君北京石油化工学院信息工程学院北京102617 北京化工大学信息科学与技术学院北京100029

安全生产部门对危化品仓储堆垛五距(堆距、墙距、顶距、柱距和通道距)有严格的规定,通过对堆垛的三维动态几何建模描述其在仓库中位置的变化,可以达到动态的监管要求。提出了基于图像的堆垛三维几何动态建模,为建立像点与物点的对应关系... 详细信息

安全生产部门对危化品仓储堆垛五距(堆距、墙距、顶距、柱距和通道距)有严格的规定,通过对堆垛的三维动态几何建模描述其在仓库中位置的变化,可以达到动态的监管要求。提出了基于图像的堆垛三维几何动态建模,为建立像点与物点的对应关系,首先构建了五元组成像模型并提出了两点标定法,在标定好参数基础上首先求得物点坐标的解空间,再结合约束条件得到真实解空间,实现堆垛静态三维几何重建。然后对图像序列中堆垛箱体跟踪识别并三维几何重建,最终实现动态几何建模。

关键词：五距三维几何重建五元组成像模型两点标定法动态几何建模

多叶光栅适形放射治疗系统图像图形处理软件研究与开发

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大连理工大学学报 2001年第6期41卷 711-715页

作者：欧宗瑛秦绪佳纪凤欣吴良武张勇侯建华大连理工大学机械工程学院CAD&CG研究所辽宁大连116024

论述了多叶光栅适形放射治疗系统图形图像处理子系统的组织结构和程序流程 ,提出并建立了系统数据结构 ;该数据结构能较好地描述系统数据的层次关系和表达重建的几何模型 .针对输入的 CT或 MRI图像 ,提出了自动分割与手工勾画轮廓的方... 详细信息

论述了多叶光栅适形放射治疗系统图形图像处理子系统的组织结构和程序流程 ,提出并建立了系统数据结构 ;该数据结构能较好地描述系统数据的层次关系和表达重建的几何模型 .针对输入的 CT或 MRI图像 ,提出了自动分割与手工勾画轮廓的方法 .可对分割出的组织重建其三维几何模型 ,并对模型表面网格进行简化处理 .

关键词：多叶光栅医学图像图像处理三维几何重建放射治疗系统软件开发

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移动立方体算法中的三角剖分

计算机工程与设计 2006年第1期27卷 120-123页

作者：顾耀林吕理伟江南大学信息工程学院江苏无锡214122

MarchingCubes(MC)算法是基于规则体数据抽取等值面的经典算法。分析了该算法中的交点连接问题,解决连接上的二义性问题,从而更好地生成多边形;对于生成的非平面多边形,对三角剖分进行了优化,以此改进了移动立方体算法,通过实验验证了... 详细信息

MarchingCubes(MC)算法是基于规则体数据抽取等值面的经典算法。分析了该算法中的交点连接问题,解决连接上的二义性问题,从而更好地生成多边形;对于生成的非平面多边形,对三角剖分进行了优化,以此改进了移动立方体算法,通过实验验证了算法的正确性。

关键词：三维几何重建体视化体数据 MC算法三角剖分

危化品仓储堆垛安全距离监测及三维重构技术研究

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危化品仓储堆垛安全距离监测及三维重构技术研究

作者：安海洋北京化工大学

学位级别：硕士

危险化学品产量随着工业化体系改革的加速呈逐年增长趋势,这同时增加了危化品在储存管理环节中的压力,存在巨大危险性,而有效的监管体系的缺乏容易引发安全事故,造成严重后果。目前我国危化品贮存方式大多以堆垛码放为主,安全生产部门... 详细信息

危险化学品产量随着工业化体系改革的加速呈逐年增长趋势,这同时增加了危化品在储存管理环节中的压力,存在巨大危险性,而有效的监管体系的缺乏容易引发安全事故,造成严重后果。目前我国危化品贮存方式大多以堆垛码放为主,安全生产部门对仓储环境下货物堆垛的五距(垛距,灯距,墙距,柱距和通道距)提出严格要求,但缺乏有效监控手段进行监测。通过实时查看危化品堆垛贮存状态三维场景的方式可以满足监管需求,达到仓储五距监测的目的。本文采用单目视觉三维几何重建技术真实还原危化品堆垛的结构尺寸及三维空间内所在位置以重现堆垛贮存状态的三维场景。论文首先对传统的摄像机成像模型及标定方法进行研究,结合仓储环境应用特点构建了五元组单目视觉成像模型,同时针对易于现场实现的标定需求,提出了基于标识点的两点标定算法,并通过对比实验验证了算法的现场可行性、鲁棒性和精确性。针对几何重建工作所需的货物堆垛目标图像特征,对比分析图像预处理及特征提取算法并制定了目标特征提取方案。针对目标三维几何重建问题,论文采用分层重建思想,首先依托五元组成像模型实现了目标特征由图像平面到空间某特殊平面的射影重建,然后通过对目标成像特点的研究,提出了目标特征点的分类方法并结合目标几何结构特征属性制定了由射影重建升级到欧式重建的约束条件,最后通过真实图像实验对本文三维几何重建算法进行验证。实验表明,本文提出的算法真实还原了堆垛贮存状态的三维场景,且具有很高的精度,将三维重建数据整合处理便得到五距信息以达到逾限报警的目的,能够满足危化品仓储堆垛五距的监测需求。

关键词：危化品仓储五距单目视觉两点标定算法三维几何重建