點云數(shù)據(jù)的壓縮算法研究——以數(shù)字地質(zhì)博物館為例.pdf

1、隨著計算機(jī)科學(xué)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的更新和發(fā)展，數(shù)字博物館作為信息化社會的產(chǎn)物，從新的角度對文化遺產(chǎn)和自然遺產(chǎn)進(jìn)行管理和利用。數(shù)字地質(zhì)博物館可實現(xiàn)大量且珍貴的地質(zhì)標(biāo)本和資源管理，網(wǎng)絡(luò)共享更提高了地質(zhì)資源的利用率。三維掃描技術(shù)和三維點云處理技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)字地質(zhì)博物館中的關(guān)鍵技術(shù)，是用戶是否能通過網(wǎng)絡(luò)快速獲得博物館展品精確展示結(jié)果的先決條件。如何有效并精確地對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮是讓用戶快速獲得展示結(jié)果的技術(shù)途徑之一，而建立與實際展品誤差盡可能小的三維模型

2、則是實現(xiàn)展品精確展示同時約束數(shù)據(jù)量的重要出發(fā)點。而這兩方面也是諸多其它領(lǐng)域面臨的重要問題。
　　本文針對博物館中的展品三維建模過程和點云數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了研究，重點開展了點云數(shù)據(jù)的精簡算法研究，并使用C＃語言實現(xiàn)了隨機(jī)采樣法、最短距離采樣法、包圍盒重心采樣法及法矢量夾角采樣法四種數(shù)據(jù)采樣;使用上述四種方法對點云進(jìn)行了壓縮試驗，利用壓縮后點云建立了三維模型;從表面積變形、體積變形和標(biāo)準(zhǔn)偏差三個角度對這四種算法進(jìn)行了壓縮質(zhì)量評估;利用

3、評估結(jié)果和點云曲率特性提出了曲率-法矢量采樣法。
　　本文的主要工作與貢獻(xiàn)如下:
　　1.對點云的幾何特征計算進(jìn)行了研究，包括點云的法矢量估算和方向調(diào)整以及在法矢量基礎(chǔ)上的點云平均曲率和高斯曲率的估算方法;研究了點云的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計算，使用空間包圍盒劃分法對點云空間進(jìn)行了分割，在此基礎(chǔ)上利用包圍盒擴(kuò)展思想實現(xiàn)了點云的K-鄰域搜索，為后續(xù)的點云精簡做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作。
　　2.研究并實現(xiàn)了隨機(jī)采樣法、最短距離采樣法、包圍盒

4、重心采樣法和法矢量夾角采樣法，并使用維納斯點云（點云表面起伏較平緩）和羅納爾迪尼奧玩偶點云（點云表面起伏較劇烈）兩個三維點云模型進(jìn)行了數(shù)據(jù)壓縮試驗;比較了四種數(shù)據(jù)精簡方法在不同壓縮參數(shù)約束下的試驗結(jié)果和視覺效果，并研究了壓縮比與壓縮參數(shù)的關(guān)系，獲得了壓縮比VS壓縮參數(shù)的曲線。
　　3.使用表面積、體積和標(biāo)準(zhǔn)偏差三個評價因子對隨機(jī)采樣法、最短距離采樣、包圍盒重心采樣和法矢量夾角采樣法的壓縮結(jié)果進(jìn)行了壓縮精度評估。將試驗點云分成平緩曲

5、面點云和起伏曲面點云，分別使用代表模型進(jìn)行評估試驗。經(jīng)過試驗圖像對比，包圍盒重心采樣能最好的保證模型的體積特征，而法矢量夾角采樣在表面積特征保留和減小偏差方面較有優(yōu)勢。相較體積而言，標(biāo)準(zhǔn)偏差和表面積是衡量模型誤差的更重要依據(jù)，因此確認(rèn)法矢量夾角采樣法在壓縮質(zhì)量上有明顯的優(yōu)勢。
　　4.在曲率估算和法矢量夾角采樣的基礎(chǔ)上提出了曲率-法矢量采樣法。將點云根據(jù)曲率劃分為高曲率空間和低曲率空間，并對這兩個空間中的點使用參數(shù)不同的法矢量夾角