點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理優(yōu)化算法的研究與應(yīng)用.pdf

1、在建立模型數(shù)字化信息平臺(tái)的過(guò)程中，利用逆向工程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)由實(shí)物模型直接構(gòu)建計(jì)算機(jī)模型，獲取模型的三維數(shù)字化信息，是當(dāng)今制造業(yè)領(lǐng)域一項(xiàng)重要手段。逆向工程主要的步驟包括數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理和三維模型重建。其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理一般包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、精簡(jiǎn)、配準(zhǔn)、特征識(shí)別、區(qū)域分割、幾何估算等過(guò)程，特別是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪和精簡(jiǎn)對(duì)后續(xù)三維建模的模型質(zhì)量影響很大，是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因此，研究點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪和精簡(jiǎn)優(yōu)化算法，具有一定的科學(xué)意義。

2、　　本文研究的點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理算法主要應(yīng)用于嶺南灰塑作品模型三維重建中?；宜苁菐X南一種較為獨(dú)特的傳統(tǒng)建筑，具有很高的文化價(jià)值和觀賞價(jià)值，鑒于灰塑作品的瀕臨滅絕，建立灰塑數(shù)字化信息平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)繼承和發(fā)揚(yáng)灰塑文化的意義深遠(yuǎn)。本文分析灰塑作品特征后，發(fā)現(xiàn)它們的點(diǎn)云數(shù)據(jù)呈現(xiàn)散亂無(wú)序的狀態(tài)，散亂無(wú)序的點(diǎn)之間沒(méi)有任何的拓?fù)潢P(guān)系，而且通過(guò)三維掃描儀掃描出來(lái)獲得的灰塑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)量在百萬(wàn)級(jí)以上，其中有一部分點(diǎn)是由于機(jī)器本身和周圍環(huán)境影響等原因而摻雜的噪聲

3、點(diǎn)，這些點(diǎn)的存在將會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)三維重建的質(zhì)量，并且如此龐大的數(shù)據(jù)在平臺(tái)里面存儲(chǔ)和上傳很損耗計(jì)算機(jī)資源。針對(duì)這些難點(diǎn)，本文在參閱了一定數(shù)量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)點(diǎn)云去噪和點(diǎn)云精簡(jiǎn)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并提出了一些新的方法，具體研究?jī)?nèi)容總結(jié)如下:
　　1.基于k-means聚類算法和余弦相似度的原理，提出了一種新的基于k-means聚類的去噪算法。該算法通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察聚類數(shù)k對(duì)去噪效果的影響來(lái)確定最佳聚類數(shù)，在每一簇內(nèi)，通過(guò)余弦相似度

4、對(duì)兩點(diǎn)之間的歐式距離進(jìn)行加權(quán)，并作為噪聲的判別因子，這樣做的好處是加強(qiáng)了點(diǎn)云邊界點(diǎn)和聚類中心的關(guān)系，避免了點(diǎn)云邊界點(diǎn)被誤判成噪聲點(diǎn)，能夠在識(shí)別離群噪聲點(diǎn)的同時(shí)很好地保持模型的邊界特征。
　　2.基于曲面曲率和均勻網(wǎng)格原理，提出了一種基于曲率和均勻網(wǎng)格的組合式點(diǎn)云精簡(jiǎn)算法。該算法利用包圍盒法對(duì)散亂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)湟?guī)則排序，建立點(diǎn)的鄰域集，計(jì)算點(diǎn)云在某點(diǎn)處的曲率，根據(jù)曲率精簡(jiǎn)原則精簡(jiǎn)點(diǎn)云，然后把刪除掉的點(diǎn)重采樣，將它們作為新的點(diǎn)云數(shù)

5、據(jù)輸入進(jìn)行算法編程，用均勻網(wǎng)格的方法選取單元格內(nèi)離質(zhì)心點(diǎn)最近的點(diǎn)保留，該算法能夠在最大化精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)很好的保留模型的細(xì)節(jié)特征。
　　3.為了驗(yàn)證這些算法的合理性和有效性，在建立灰塑信息化平臺(tái)的過(guò)程中，采用灰塑作品和其他兩種具有散亂點(diǎn)云典型特征的模型作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)本文提出的去噪和精簡(jiǎn)算法，分別對(duì)它們進(jìn)行去噪和精簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的可行性和先進(jìn)性，并將預(yù)處理后得到的灰塑點(diǎn)云模型應(yīng)用到灰塑三維重建過(guò)程中，得到了較好的重建效果。