點云數(shù)據(jù)抗噪處理方法及其在葉片重建中的應用研究.pdf

1、隨著計算機和自動化測量技術(shù)的高速發(fā)展，逆向工程已經(jīng)成為以實物為研究對象。利用計算機技術(shù)進行產(chǎn)品仿制及新產(chǎn)品開發(fā)的重要技術(shù)手段，在制造業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。在逆向工程中處理的數(shù)據(jù)大多具有數(shù)量巨大、結(jié)構(gòu)散亂、含有噪聲等特點，這些特點給幾何造型帶來了很大的困難。研究如何從海量的噪聲點云數(shù)據(jù)出發(fā)，重建出高質(zhì)量的幾何模型，對于提高逆向工程的技術(shù)水平具有重要意義。本文以航空發(fā)動機葉片為研究對象，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡和小波分解等方法，圍繞幾何重建過程中

2、散亂噪聲點云數(shù)據(jù)的處理問題，重點研究了其中的區(qū)域分割、三角網(wǎng)格剖分、截面線重建等關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上針對葉身曲面在重建過程中涉及到的關(guān)鍵算法進行研究，完成了如下工作： 本文首先對逆向工程技術(shù)的應用領(lǐng)域、關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述，分析存在的問題，進而提出本論文選題的依據(jù)，概述了本文的主要研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)。 針對逆向工程技術(shù)中點云數(shù)據(jù)的區(qū)域分割問題，本文對基于面、基于線和基于聚類的三類區(qū)域分割方法進行了分析比較，提出

3、了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的區(qū)域分割方法。這種方法首先提出了一種改進的模糊自組織特征映射網(wǎng)絡(fuzzySOFM)模型，并在此基礎(chǔ)上提出了利用這種模型進行區(qū)域分割的算法以及特征線提取算法。與現(xiàn)有的分割方法相比，這種算法具有以下優(yōu)點：第一：改進的網(wǎng)絡模型顯著加快了區(qū)域分割的速度，而且使得分割的結(jié)果與數(shù)據(jù)的輸入順序無關(guān)；第二：可以直接處理含噪聲數(shù)據(jù)；第三：在區(qū)域分割的基礎(chǔ)上利用數(shù)據(jù)的隸屬度快速提取出特征線數(shù)據(jù)，從而將基于面的分割和基于線的分割結(jié)

4、合起來，能夠提供比現(xiàn)有分割方法更為完整的分割結(jié)果。 空間散亂數(shù)據(jù)的三角剖分是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)，本文提出了一種基于神經(jīng)元增長結(jié)構(gòu)(Growing Cell Structure)的空間三角剖分方法。這種方法利用全部數(shù)據(jù)點信息進行網(wǎng)格剖分，無需對數(shù)據(jù)進行平滑、精簡等預處理，避免了因平滑或精簡而丟失重要的幾何信息的可能，這種方法不僅比現(xiàn)有三角網(wǎng)格剖分算法降低了算法復雜度，而且具有可以直接處理帶有噪聲的數(shù)據(jù)，網(wǎng)格規(guī)?？煽?，生成的三角網(wǎng)格

5、形狀較好等優(yōu)點。 本文比較系統(tǒng)地研究了基于截面特征的逆向工程技術(shù)，提出了與截面線生成有關(guān)的若干方法，主要包括復雜截面數(shù)據(jù)的排序與輪廓分離方法、角點檢測方法和光順平面曲線重建方法等，并通過數(shù)據(jù)實驗驗證了這些方法的有效性。首先，提出了一種基于極坐標的復雜截面數(shù)據(jù)排序和輪廓分離方法，解決了多輪廓復雜截面線數(shù)據(jù)的排序與分離問題，該方法也可用于圖象數(shù)據(jù)的輪廓跟蹤。其次，本文對現(xiàn)有的角點檢測方法進行了改進，提高了檢測的準確性。 第三

6、，提出了一種基于曲率圖小波分解的平面光順曲線重建方法。本文首先對估算得到的離散曲率進行小波分解，提取其低頻部分作為新的曲率，然后利用幾何Hermite插值方法，重建出光順的截面線。這種方法具有可以直接處理含噪聲的點云數(shù)據(jù)，插值給定曲率，容易實現(xiàn)局部光順和整體光順等優(yōu)點。算例證明這種光順方法比起現(xiàn)有軟件中的方法不僅光順效果更好，而且執(zhí)行效率更高。本文用這種方法建立了葉身截面線的幾何模型。 針對葉身曲面重建過程中的一些關(guān)鍵問題，本文

7、提出了一系列重要算法，主要包括中弧線提取算法、前后緣高精度擬合算法以及截面線離散時的近似弧長參數(shù)離散方法等。其中基于等距線的葉片截面中弧線提取方法將中弧線提取問題轉(zhuǎn)化為求等距線自交點問題，并提出了相應的逐層細分求交算法。這種中弧線提取方法比現(xiàn)有方法不僅降低了算法復雜度，而且避免了在前后緣附近計算不穩(wěn)定的問題，數(shù)據(jù)試驗說明這種方法具有較高的計算精度和較好的魯棒性。 近年來越來越多的實驗和數(shù)值計算顯示，采用橢圓形前緣可以明顯改善葉片

8、的氣動性能。因此在葉片的重建過程中，需要解決橢圓弧的高精度擬合問題。在研究了現(xiàn)有橢圓擬合算法的基礎(chǔ)上，本文提出了一種高精度的橢圓弧擬合方法，它不僅較好地解決了橢圓弧高精度擬合問題，而且可以用于橢圓形或圓弧形葉片前后緣的高精度重建，該方法還可以自動且有效地排除出格點，解決了現(xiàn)有人工選點導致擬合精度不高的問題。數(shù)據(jù)試驗表明該方法不僅魯棒性較好，而且具有更高的擬合精度。 基于上述研究結(jié)果，本文利用三次有理Bezier曲線建立了前后緣的