基于曲率准则的LiDAR点云表面特征提取算法

针对三维激光扫描仪采集的海量点云数据中存在大量冗余数据的问题,设计了一种基于曲率准则的LiDAR点云表面特征提取算法.该算法利用二次曲面拟合原理将局部点云拟合成二次曲面,预算出该曲面的曲率等微分属性,通过平均曲率法完成特征点的初选,应用曲率极值法来实现特征点的精选,运用最小生成树算法构建特征点之间的空间拓扑关系,实现特...     

特征保持的点模型简化技术研究

提出一种以物体表面上不附加任何几何和拓扑信息的散乱点集为处理对象,特征保持的点云数据简化的方法。通过直接在散乱点上计算曲率的方法,将数据点分为特征点和非特征点两类,分别应用不同参数的均值漂移聚类算法进行简化。实验结果表明算法既能有效简化点云数据,而且很好地保留了原网格模型的特征信息。     

空间分割与曲率相融合的点云精简算法研究

非接触式扫描方法获得点云数据存在大量的冗余数据。为便于模型重构,针对点云数据精简是必不可少的数据预处理手段,提出了一种基于空间分割和曲率特征信息的点云数据精简算法。通过K-邻域计算、二次曲面拟合、曲率估算和曲率阈值可调的数据分区等关键精简技术,实现了对同一数据不同区域应用不同精简算法,进行不同比例的数据精简。实例验证表明,该算法能适应各种类型曲面数据的精简要求,保证精简效率的同时,很好地保留点云的特征信息。     

几何特征保持的文物点云去噪算法

三维激光扫描是一种快速获取高精度点云的新技术,但由于受物体本身的构造、粗糙程度、纹理以及测量环境等因素的影响,获取的点云数据大多存在孤立的噪声点。针对文物点云数据模型中复杂噪声难以去除的问题,提出一种几何特征保持的点云去噪算法。首先通过栅格划分删除点云中的大尺度噪声;然后定义点云中数据点的曲率因子和密度因子,并通过对其加权构造模糊C均值聚类（Fuzzy C-means clustering, FCM）的目标函数;最后采用该特征加权FCM算法删除小尺度噪声,从而实现点云的去噪处理。实验结果表明,该几何特征保持的去噪算法对文物点云数据具有良好的去噪效果,是一种有效的点云去噪算法。     

各向异性点模型去噪算法

提出一种点模型的各向异性去噪算法．三维扫描仪获取的点模型不可避免地附有噪声，而去噪算法的目标是在对具有大规模教据量的点模型进行快速处理的同时,保持模型固有的几何特征针对这两个标准提出算法，首先通过局部邻域主元分析估计采样点的法向和曲率等内蕴几何量，并充分考虑采样点的空间分布以及内蕴几何量之间的关系，应用Gaussian核函数来各向异牲地扩散噪声信号，达到快速去噪和光顺点模型的目的.实验结果和对比数据表明,所提出的算法简单而高效．     

一种改进的点云数据精简方法

针对Kim的算法在简化散乱点云时经常丢失过多几何特征的不足,提出一种改进的精简方法。首先对点云进行最小二乘抛物面拟合求出所有点的主曲率;然后以数据点主曲率的Hausdorff距离为依据,提取并保留点云中的特征点;最后对具有不同特征的测量数据进行了精简分析。仿真实验结果表明,改进方法既能较大程度地简化数据点云,简化结果比较均匀,又具有不破坏细小特征的特点,能够充分保留原始点云中的几何特征;而且在保证简化质量的前提下提高了算法的效率。该方法能够为后续的三维重建提供有效的数据信息,节约后续工作的处理时间和硬件资源。     

基于局部曲率函数的角点检测

角点检测是计算机图像处理领域的基本问题之一,在全局曲率函数角点检测的基础上,提出一种基于局部曲率函数的快速角点检测算法.通过Canny算子提取图像的边缘,在边缘的基础上计算轮廓的局部曲率函数,由于Canny算子首先用高斯滤波器对图像平滑处理,尽可能的去除了噪声而不损失角点,计算局部曲率函数的最大峰值,通过设定阈值检测出角点.对算法进行仿真,试验结果表明该算法可以稳定的检测角点,并对旋转、尺度和噪声具有较强的鲁棒性.     

基于视觉的刀具特征点识别及定位算法

为满足电荷耦合器件(CCD)相机投影测量中定位刀具特征点快速、高精度的识别要求,提出了一种改进k—余弦曲率的识别算法。采用一种固定支持领域的夹角曲率计算方法,在获取曲线转动率的同时记录其弯曲方向。将常见的刀具轮廓特征点分为LL—C型、AL—T型和AL—C型三种形式,通过特征点附近的曲率特征分析,实现对特征点的精确定位。为验证该算法的有效性,利用标准轮廓样板进行仿真实验,其结果表明,该方法对刀具特征点的识别及定位误差低于2个像素。     

一种邻域自适应的双阈值点云特征提取方法

点云数据的特征提取是点云数据处理环节中的一项重要内容,对几何分析、数据分割、点云配准、模型重建等研究起关键作用。研究了基于法向量和曲率的点云特征提取技术,阐明了特征提取过程中邻域选取与单一参数计算存在的问题,提出了邻域自适应的双阈值点云特征提取方法。通过实验对比了该算法与基于曲率的特征提取算法的提取效果,验证了本算法的稳定性、准确性。该算法对于几何特征复杂的点云具有较好的提取效果,对提高点云特征点提取的精度及效率具有重要的意义。     

逆向工程中基于小波的数据配准

利用小波分析的多分辨率特性与迭代最近点算法(ICP)相结合,提出了多分辨率数据配准算法,实现不同视角测量数据的快速配准。首先对数据点进行三角网格划分,并进行多层小波分解。对最低层网格计算离散曲率,在不同网格数据中搜索曲率最接近的点进行迭代配准,在所得变换的基础上,进行小波重构并在较小的范围内重新搜索最接近点并进行迭代配准,重复这一过程直到实现原始数据配准。通过实例证明,该算法具有迭代速度快,抗噪声干扰等特点。     

基于三维点云模型的特征线提取算法

针对以往算法存在无法区分尖锐和非尖锐特征点、提取的特征点与视角有关、特征点未连线等问题, 提出一种基于高斯映射和曲率值分析的三维点云模型尖锐特征线提取算法。该算法先进行点云数据点的离散高斯映射, 并将映射点集聚类; 然后使用自适应迭代过程得到两个或多个面的相交线上曲率值和法向量发生突变的尖锐特征点, 这些点与视角无关; 最后, 用改进的特征折线生长算法, 将特征点连接, 得到光顺特征线。实验证明, 该算法具有良好的自适应性、抗噪性和准确性, 是一种有效的三维模型特征线提取算法。     

自适应K-means聚类的散乱点云精简

目的 点云精简是曲面重建等点云处理的一个重要前提,针对以往散乱点云精简算法的精简结果存在失真较大、空洞及不适用于片状点云的问题,提出一种自适应K-means聚类的点云精简算法。方法 首先,根据k邻域计算每个数据点的曲率、点法向与邻域点法向夹角的平均值、点到邻域重心的距离、点到邻域点的平均距离,据此运用多判别参数混合的特征提取方法识别并保留特征点,包括曲面尖锐点和边界点;然后,对点云数据建立自适应八叉树,为K-means聚类提供与点云密度分布相关的初始化聚类中心以及K值;最后,遍历整个聚类,如果聚类结果中含有特征点则剔除其中的特征点并更新聚类中心,计算更新后聚类中数据点的最大曲率差,将最大曲率差大于设定阈值的聚类进行细分,保留最终聚类中距聚类中心最近的数据点。结果 在聚类方面,将传统的K-means聚类和自适应K-means聚类算法应用于bunny点云,后者在聚类的迭代次数、评价函数值和时间上均优于前者;在精简方面,将提出的精简算法应用于封闭及片状两种不同类型的点云,在精简比例为1/5时fandisk及saddle模型的精简误差分别为0.29×10^-3、-0.41×10^-3和0.037、-0.094,对于片状的saddle点云模型,其边界收缩误差为0.030 805,均小于栅格法和曲率法。结论 本文提出的散乱点云精简算法可应用于封闭及片状点云,精简后的数据点分布均匀无空洞,对片状点云进行精简时能够保护模型的边界数据点。     

基于双判定因子的道路绿化带分割

以高速公路的无人机影像点云数据为研究对象, 提出一种基于双判定因子的道路绿化带分割算法. 首先对点云数据进行串行下采样, 在降低点云数目的同时尽可能多地保留点云特征点; 其次, 对降采样后的点云数据进行正射影校正; 最后, 提出一种结合法向量夹角与 RANSAC 平面分割双判定的点云分割算法, 实现了对高速公路中绿化带的准确分割, 采用绿化带边界提取算法最终实现高速公路环境信息的分割. 以G85高速凤翔段的无人机影像点云作为实验数据, 分别采用本文算法、基于法向量夹角的分割算法、基于RANSAC平面拟合分割算法进行验证. 实验结果表明基于双判定因子的道路绿化带分割算法对环境噪点及离群点有较好的抗干扰性, 可以有效过滤路面高曲率点, 提取结果较好.     

基于 FPFH 特征提取的散乱点云精简算法

针对原始点云模型中存在大量冗余数据问题,提出一种基于快速点特征直方图(FPFH)特征提取的点云精简算法,有效兼顾了特征信息保留和整体完整性。算法首先查找并保留原始模型的边缘点;然后计算非边缘点的 FPFH 值,由此得到点云的特征值,并进行排序且划分出特征区域和非特征区域,保留特征区域内的点;最后将非特征区域划分为 k 个子区间,对每个子区间用改进的最远点采样算法进行采样。将该算法与最远点采样算法、非均匀网格法、k-means 算法和自适应曲率熵算法进行对比实验,并用标准化信息熵评价方法对精简后的点云进行评价,实验表明其优于其他精简算法。此外,可视化结果也表明,该算法能够在保证精简模型完整性的同时,较好地保留住点云大部分特征信息。     

基于曲率信息的人工蜂群点云配准算法

针对仅使用群智能优化算法及点云空间信息进行点云配准时,优化过程寻找两片点云对应点耗时较长,收敛速度较慢的缺点,提出一种基于曲率信息的人工蜂群点云配准算法。算法根据曲率信息提取特征点,通过改进人工蜂群算法优化目标函数得到可以使两片点云重合的最佳变换矩阵。在种群优化过程中根据曲率信息约束对应点寻找范围,缩小参与计算点云的规模。对比实验表明,与仅采用随机选点方法和使用点云空间坐标信息的配准算法等相比,所提出算法可以在不降低配准精度的同时,有效加快配准收敛速度,显著缩短点云配准所用时间。     

使用霍夫变换的3维点云拼合算法

目的 直接基于点云数据本身的拼合算法对点云模型的位置和重叠度有着较高的要求。为了克服这种缺陷,提出一种针对散乱点云的分步拼合算法。方法 不同于大多数已有的基于曲率信息的拼合算法,本文算法包含了一个序贯式的匹配点对筛选过程和一个基于霍夫变换的坐标变换参数估计过程。在筛选过程中,首先利用曲率相似度确定点云数据之间的初始匹配关系,然后利用刚体不变量特征邻域标识相似度以及持续特征直方图相似度对初始匹配点对进行连续两次筛选以便得到更为精确的匹配点对集。在参数估计阶段,通过对匹配点对的旋转矩阵和平移矢量的参数化处理,利用霍夫变换消除错误匹配点对对坐标变换参数估计的影响,从而得到更加准确的坐标变换参数,实现点云的3维拼合。结果 利用本文算法对两片部分重叠的点云数据进行了拼接实验。实验结果表明,本文算法能很好地实现对部分重叠点云的拼合。由于霍夫变换的引入,本文算法相较于经典的Ransac算法具有更高的正确率、稳定性以及抗噪性,在运行速度上也具有一定的优越性。结论 本文算法不仅能适用于任何具有任意初始相对位置的部分重叠点云的拼接,而且可以取得很高的拼合精度和很好的噪声鲁棒性。     

特征保留的点云数据自适应精简算法

提出一种特征保留的点云数据自适应精简算法。该算法首先构造散乱点云数据的局部拓扑信息,通过一种改进的二次栅格法快速建立K邻域,由此估算点的邻域弯曲度,再进行分类。算法在保留特征点后对其余点应用自适应精简距离进行阈值精简,故算法不仅可以完整保存实物模型整体轮廓,而且能够最大限度地保证模型区域特征。数值实验结果表明,该算法能够得到不错的精简效果,且具有较小的计算时间复杂度。     

基于多判别参数混合方法的散乱点云特征提取

针对以往散乱点云特征提取算法存在尖锐特征点提取不完整以及无法保留模型边界点的问题,提出了一种多个判别参数混合方法的特征提取算法。首先,对点云构建k-d tree,利用k-d tree建立点云k邻域;然后,针对每个k邻域计算数据点曲率、点法向与邻域点法向夹角的平均值、点到邻域重心的距离、点到邻域点的平均距离;最后,据此四个参数定义特征阈值和特征判别参数,特征判别参数大于阈值的点即为特征点。实验结果表明,与已有算法相比,该算法不仅可以有效提取尖锐特征点,而且能够识别边界点。     

面向RGBD深度数据的快速点云配准方法

目的 真实物体的3维重建一直是计算机图形学、机器视觉等领域的研究热点。针对基于RGBD数据的非匀速非固定角度旋转物体的3维重建问题,提出一种利用旋转平台重建物体3维模型的配准方法。方法 首先通过Kinect采集位于旋转平台上目标物的深度数据和颜色数据,对齐融合并使用包围盒算法去除背景噪声和不需要的外部点云,获得带有颜色信息的点云数据。并使用基于标定物不同角度上的点云数据标定出旋转平台中心轴的位置,从而获得Kinect与旋转平台之间的相对关系;然后通过曲率特征对目标点云进行特征点提取并寻找与相邻点云的对应点;其中对于特征点的选取,首先针对点云中的任意一点利用kd-tree搜寻其k个邻近点,对这些点进行曲面拟合,进而计算其高斯曲率,将高斯曲率绝对值较大的n个点作为点云的特征点。n的取值由点云的点个数、点密度和复杂度决定,具体表现为能反映物体的大致轮廓或表面特征信息即可。对于对应点的选取,考虑到欧氏距离并不能较好反映点云中的点对在旋转过程中的对应关系,在实际配准中,往往会因为点云重叠或距离过远等原因找到大量错误的对应点。由于目标物在扫描过程中仅绕旋转轴进行旋转,因此采用圆弧最小距离寻找对应点可有效减少错误点对。随后,使用二分迭代寻找绕中心轴的最优旋转角度以满足点云间的匹配误差最小;最后,将任意角度获取的点云数据配准到统一的坐标系下并重建模型。结果 使用斯坦福大学点云数据库和自采集数据库分别对该方法和已有方法在算法效率和配准结果上进行对比实验,实验结果显示在拥有平均75 000个采样点的斯坦福大学点云数据库上与传统ICP算法和改进ICP算法相比,迭代次数分别平均减少86.5%、57.5%,算法运行时间分别平均减少87%、60.75%,欧氏距离误差平方和分别平均减少70%、22%;在具有平均57000个采样点的自采集点云数据库上与传统ICP算法和改进ICP算法相比,迭代次数分别平均减少94%、75%,算法运行时间分别平均减少92%、69%,欧氏距离误差平方和分别平均减少61.5%、30.6%;实验结果显示使用该方法进行点云配准效率较高且配准误差更小;和KinectFusion算法相比在纹理细节保留上也表现出较好的效果。结论 本文提出的基于旋转平台标定的点云配准算法,利用二分迭代算法能够有效降低算法复杂度。与典型ICP和改进的ICP算法的对比实验也表明了本文算法的有效性。另外,与其他方法在具有纹理的点云配准对比实验中也验证了本文配准方法的优越性。该方法仅采用单个Kinect即可实现对非匀速非固定角度旋转物体的3维建模,方便实用,适用于简单快速的3维重建应用场合。