面向光柵投影的點云預(yù)處理與曲面重構(gòu)技術(shù)研究.pdf

1、面向光柵投影的點云預(yù)處理與曲面重構(gòu)是以光柵掃描作為測量手段,以實物、樣件等作為研究對象,對三維數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面重構(gòu)、快速制造等內(nèi)容進行研究。該研究是實現(xiàn)產(chǎn)品快速開發(fā)和制造的重要技術(shù)之一,在汽車、摩托車、飛機、家電、模具、工藝品、服裝與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的原型與創(chuàng)新設(shè)計方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 研究了光柵投影位相測量的相關(guān)理論。分析了光柵投影三維測量的相位調(diào)制原理,建立了物體高度與光柵相位之間的對應(yīng)關(guān)系。比較了一維傅里葉

2、變換和二維傅里葉變換相位解調(diào)效果,結(jié)果表明二維傅里葉變換能更精確反映物體表面任何方向上的變化。分析了相移法相位解調(diào)的原理,采用四步相移法求解光柵相位,并建立了變形光柵相位的求解公式。研究了包裹相位產(chǎn)生的因為以及對三維面型測量的影響,采用最小差分算法進行相位去包裹處理,實現(xiàn)了真實相值相位連續(xù)。
　　 研究了點云數(shù)據(jù)預(yù)處理中的點云配準(zhǔn)與精簡技術(shù)。在點云手動拼接中,提出了繼承與優(yōu)化算法,經(jīng)過迭代25次可獲取配準(zhǔn)所需的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量

3、,實現(xiàn)了無序點云拼接,拼接誤差為0.10mm,相比最鄰近點迭代算法,具有拼接偏差小和迭代次數(shù)少等優(yōu)點。在點云數(shù)據(jù)自動拼接中,通過Gauss-Markoff模型減小曲面間的歐氏距離平方和,采用最小二乘原理對重疊區(qū)域進行匹配,實現(xiàn)了無需標(biāo)志點的點云自動拼接。在點云精簡技術(shù)中,根據(jù)物體形貌及點云曲率采用不同的網(wǎng)格尺寸,并通過中值濾波刪減冗余點云數(shù)據(jù),既能繼承均勻網(wǎng)格法速度快且有效的優(yōu)點,又能保留物體細(xì)節(jié)信息。
　　 研究了無序點云三角

4、剖分、四邊域剖分和NURBS曲面重建。采用基于法矢量夾角最小原則的三角形生長法對空間離散點直接剖分,它首先根據(jù)閾值范圍規(guī)定擴展邊的點集,然后尋找構(gòu)成三角形逆時針排列的第三點,最后用局部優(yōu)化準(zhǔn)則三角網(wǎng)格進行優(yōu)化。根據(jù)三角形質(zhì)量計算四邊形變形因子進行最大權(quán)匹配,實現(xiàn)了四邊域的劃分。通過對物體三維點云進行三角剖分、曲率檢測、構(gòu)造輪廓線、四邊域剖分、建立UV參數(shù)線和曲面擬合,最終生成NURBS曲面。
　　 研究了曲面-點云誤差和曲面光順

5、特性及其影響因素,提出了提高曲面品質(zhì)的方法?？刂泣c數(shù)目影響最終的曲面重構(gòu)精度,對于百萬點云數(shù)量,100個四邊域剖分區(qū)域,選用60-80個控制點進行曲面擬合比較適宜。分析了曲面階次、節(jié)點數(shù)和光順系數(shù)對曲面-點云誤差的影響,對于6082個點云數(shù)據(jù),采用曲面階次為4×4,節(jié)點數(shù)為5×5,光順系數(shù)為0.7000進行擬合時,曲面.點云最大偏差僅為0.0408mm。在滿足曲面-點云誤差情況下,采用減少冗余控制點以及動態(tài)調(diào)整控制點空間位置的方法提高曲

6、面光順性。
　　 研究了人體面部三維數(shù)據(jù)檢測、曲面重建和快速成形加工。通過雙光柵三維掃描儀將正弦光柵投射到人體面部,將被面部調(diào)制的變形光柵轉(zhuǎn)換成兩片分立點云。點云經(jīng)自動拼接處理后,采用三角剖分和曲面擬合生成三角面片。通過消除孔洞邊界雜亂三角形,并對面部孔洞進行填充、消差和平滑處理獲得光滑封閉面片。經(jīng)過四邊形網(wǎng)格剖分和曲面擬合等處理,生成面部NURBS曲面。最終將逆向過程生成的STL文件導(dǎo)入到快速成形設(shè)備加工人體面部曲面,實現(xiàn)逆向