基于低秩分解方法的激光扫描点云修复研究

发布时间：2020-07-07 21:46

【摘要】：近年来,随着三维扫描技术的不断突破,点云三维模型已经成为了继声音、图像、视频之后的新兴的数字媒介,被广泛地应用在计算科学、逆向工程、义物复原、建筑设计以及电影、游戏等科技文娱领域。不同于传统的数字媒体,点云模型真实感强、细节度高,正逐渐成为各个行业的重要数据来源,从数据层面推动各个领域的研究发民。对于点云三维模型而言,其数据的完整性、准确性是其后续广泛应用的基础条件。然而,在实际的扫描过程中,尤其是使用激光进行扫描时,由于被测物本身的几何和光学特性以及扫描系统的机械稳定性问题,实际得到的点云模型常常存在大量的孔洞与毛刺。这些缺失数据的存在会对后续模型重建操作产产生严重影响,以至无法获得被测物完整有效的表面形态特征。因此,缺失数据的修补和点云噪声的消除研究成为了点云研究与应用的瓶颈问题。针对上述问题,本文首先对激光点云扫描系统的光学工作原理与机械结构特征进行研究,分析基于激光反射原理产生的点云模型的孔洞、毛刺等畸变产生的原因与特点。在此基础上,对不同被测对象进行点云数据采集与分析,通过实验验证上述理论分析的准确性与可靠性。接着,本文对比了多种传统孤立点检测方法的原理与优缺点。在此基础上,结合基于统计的方法与基于距离的方法,设计出一套基于K最近邻法与分类统计筛选的高效准确的孤立点检测算法,并通过对比试验证明提出的方法的高效性与准确性。最后,本文将低秩分解的思想应用于点云模型的修复,根据前文分析的点云特征,对经典低秩分解模型进行约束优化,优化低秩分解方法对于点云模型的毛刺、孔洞的修复准确性,从而得到更为贴近真实的点云模型。实验结果表明,本文提出的方法能够有效对点云模型进行修复,相较传统低秩分解方法有较大改善。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN249
【图文】：

原理图,传感器结构,原理,激光三角法

考虑到本文实验研究对象的小体积特性和研宄要求的高精度特点，本文选用基于逡逑三角测距原理的激光距离传感器，下文对该原理进行详细阐述。逡逑激光三角测距法的检测原理如图２－１所示：激光发射器从特定的角度通过凸逡逑透镜将激光发射到被测物体表面，当激光照射到物体表面后会产生反射或漫反射，逡逑部分激光被凸透镜捕捉并聚焦到线性ＣＣＤ阵列上。当被测物的距离不同时，传逡逑感器所接受的漫反射或反射光线的角度相应产生变化，从而在线性ＣＣＤ阵列投逡逑影的光斑位置也不相同。通过测量光斑在线性ＣＣＤ阵列上的相对位置，结合传逡逑感器中凸透镜的光学参数以及其他硬件的空间结构参数，可以计算得到被测物体逡逑与激光传感器之间的距离［５２］。逡逑ｒ＼逦＾逦４．线性ＣＣＤ阵列逡逑Ａ逦３？锻片逡逑飞邋±邋Ｂ逦６．被测物体ａ逦６．被测物体ｂ逡逑广Ｓ邋？信号处理器／逡逑１．２体激光器逦ｊＺＺ邋？逦？？？？？？？－Ｉ逡逑图２－１激光距离传感器结构与原理逡逑根据激光入射的角度不同，我们又可以将激光三角法分为斜射式激光三角法逡逑和直射式激光三角法两种类型。斜射式类型指的是入射光线与被测物参考平面不逡逑垂直的情况；直射式类型指的是入射光线与被测物参考平面相垂直的情况。斜射逡逑式三角法和直射式三角法的光路图如图２－２和图２－３所示［５３］。逡逑１０逡逑

激光三角法

ｄ二凸透镜逡逑＾被测物表面逡逑图２－３直射式激光三角法逡逑斜射式主要用于接受镜面反射的激光，适用于表面光滑、反射度好的被测物逡逑体，其优点是分辨率高、信噪比高，缺点是体积大、测量范围小、安装调试繁琐；逡逑直射式主要接受散射与漫反射光，适用于测量表面较为粗糙的物体，其优点是测逡逑量范围大、体积小、安装方便，缺点是分辨率相对较低、信噪比比较低。逡逑考虑到现实生活中大部分物体并不具备高反射度的表面，本文首选基于直射逡逑法的激光距离传感器作为实验对象。直射式激光距离传感器的具体量化数学工作逡逑原理如下：逡逑１１逡逑

激光三角法,镜面反射,适用于,激光

逦ｒ，＂＂邋＇ＶＨ逡逑图２－２斜射式激光三角法逡逑漏激光器逡逑凸透镜逡逑ｄ二凸透镜逡逑＾被测物表面逡逑图２－３直射式激光三角法逡逑斜射式主要用于接受镜面反射的激光，适用于表面光滑、反射度好的被测物逡逑体，其优点是分辨率高、信噪比高，缺点是体积大、测量范围小、安装调试繁琐；逡逑直射式主要接受散射与漫反射光，适用于测量表面较为粗糙的物体，其优点是测逡逑量范围大、体积小、安装方便，缺点是分辨率相对较低、信噪比比较低。逡逑考虑到现实生活中大部分物体并不具备高反射度的表面，本文首选基于直射逡逑法的激光距离传感器作为实验对象。直射式激光距离传感器的具体量化数学工作逡逑原理如下：逡逑１１逡逑

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