基于特征提取技术的文物配准研究
发布时间：2021-03-05 17:08
文物承载着中华上下五千年的辉煌历史,是文化的见证者和记录者。传统的文物保护方法难以应对日益复杂的社会环境与逐渐增加的文物保护需求。数字化文物保护技术随着三维数字测量技术的兴起而诞生,如今已有着广泛的应用场景。如何获取完整的文物三维数据,是该技术的关键:传统的手动方法通过在文物上粘贴定位标点或者多次采集等方式获取三维点云数据,但无法记录体积过大、过小或不可移动的文物;目前的自动配准方法误差较大,难以适用高精度场合。为解决此类问题,开展了基于特征提取技术的文物配准研究。论文使用激光扫描仪获取文物三维点云,并对获取的碎片点云进行配准实验,得到了快速高精度的文物配准方法。主要研究工作如下:1)预处理获取的点云数据,去噪、分割,保留点云中的文物数据部分;2)使用自行构建的自适应曲率熵算法精简得到的文物数据,得到特征丰富的稀疏文物点云;3)使用自己提出的基于体积密度优化的FPFH算法提取精简后的碎片点云特征,并一一进行配准,得到转换矩阵;4)根据所获矩阵,一次性转换原始文物碎片点云的位姿,快速得到最终的高精度文物配准结果。通过论文所提方法,实现了文物的快速自动配准,且较于传统方式,整体配准精度提升...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１扫描仪外观图
，考虑到实验室??丨丨前的文物彳丨描设备只有－台手持式维扫描仪，故将小型的文物作为研究［丨??彻＜。实验室中没柯與正的文物，所以使用仿制的文物石脊像模型作为研究对象。??Ｋ膏模型有很多，花瓶，车辆，人物雕像雜，但研究需要具备说服力，根裾锌通??的雕像模型所得出的研究结果明显难以让众人信服，故最终选取丫“维纳斯”人??物石彳ｍ型，作为最终的实验品。《断臂的维纳斯》是法国卢浮宫博物馆的经典??藏：公元前１５０年创作，电今无数人仍在猜测她的双臂是－种怎样的姿态，具??冇很强的代表性。如下图２．３所示：??，．Ｗ?署??Ｉ?Ｍ??Ｉ?１??图２．３?“断臂的维纳斯”心Ｙｆ像原吧??通过实验室的扫描仪可以获得维纳斯的点云模型。雕像本身是竖立的，－：维??扫描仪可以获取周围３６０度的模型，但图像的底瘐和一些凹陷处难以一次忡扫描??到位。这是设备本身的缺陷和客观环境共Ｍ作用的姑汜，＿、？丨此，钉勿点八的配??准工作必不可少。配准的前提是在两片点云屮找到吋应的特征，提収ｉｔ屮？片维??ＩＩ??
?第２章三维文物点云的基本理论???纳斯模型点云进行分析，如图２．４。??图２．４?“断臂的维纳斯”点云原型??据图可以发现，首先模型是残缺的，模型的中间部分最为细腻，边缘点云则??较为发散，为了尽量使配准的精度更高，自然选择特征更为明显的中间部分。提??取该部分进行观察，此时该处点云的数目较多，且特征也最为完整。点云的特征??很多，点特征、线特征、面特征、ＰＦＨ特征描述子、ＦＰＦＨ特征、ＮＤＴ特征、ＰＣＡ??特征、体积特征等，都可以作为点云配准的依据。以简单的法线特征为例，可以??通过拟合中心点与周围邻域点，构建曲面得到该曲面的法向量，以之作为该点的??法线。结合“维纳斯”模型实例进行探宄，可以发现在点云的中部，点与点之间??的距离较为接近，且在人物关节处的点云数目较多，特征数目充足。此时点云的??法线变化较为突出，可以作为特征。对比模型的边缘处，发现边缘处的点云分布??更为散乱，法线变化毫无规律，且突变频繁，若在此处提取点的法线作为特征，??很可能会出现错误配准的情况。实际上，点云的法线特征可以算是比较基本的特??征，其他的大部分特征可以通过点云的法线组合计算得到。故此时不但法线不足??以作为最终的特征，其他的常规特征也不适合用于配准。因无法保证特征的正确??性，自然无法确定配准的准确性。因此在点云特征提取之前，需要选取合适的点??云区域并将无用的点云去除。这不但可以减少计算量，也有利于正确特征的选择，??可以降低后期配准的误差。通常的解决方案是在获取原始点云之后，对点云进行??预处理，框选合适的点云区域，再提取特征。??１２??
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国文物保护规划相关研究文献综述[J]. 袁琳溪,汤羽扬. 中国文化遗产. 2019(05)
[2]三维激光扫描点云分类方法研究进展综述[J]. 钱婷,王蕾,李宝山. 电脑与信息技术. 2019(01)
[3]文物三维模型虚拟修复研究进展、挑战与发展趋势[J]. 侯妙乐,赵思仲,杨溯,胡云岗. 遗产与保护研究. 2018(10)
[4]三维点云场景数据获取及其场景理解关键技术综述[J]. 李勇,佟国峰,杨景超,张立强,彭浩,高华帅. 激光与光电子学进展. 2019(04)
[5]一种视点直方图特征优化的点云目标识别算法[J]. 杜靖远,邓计才. 河南科技大学学报(自然科学版). 2018(05)
[6]基于PCA算法的机载LiDAR点云平面分割算法研究[J]. 叶玲洁,颜远青. 城市勘测. 2018(01)
[7]改进的基于FPFH特征配准点云的方法[J]. 马大贺,刘国柱. 计算机与现代化. 2017(11)
[8]空间栅格动态划分的点云精简方法[J]. 傅思勇,吴禄慎,陈华伟. 光学学报. 2017(11)
[9]基于SAC-IA和改进ICP算法的点云配准技术[J]. 陈学伟,朱耀麟,武桐,王祖全. 西安工程大学学报. 2017(03)
[10]多精度遗址文物三维点云获取技术的研究[J]. 朱黎,胡涛. 湖北民族学院学报(自然科学版). 2017(01)
博士论文
[1]三维点云配准技术研究[D]. 熊风光.中北大学 2018
[2]面向馆藏文物的三维数据获取及可视化研究[D]. 俞朝晖.华南理工大学 2016
硕士论文
[1]三维点云重建中的去噪算法研究[D]. 刘静静.北京交通大学 2019
[2]基于点云数据的预处理算法研究[D]. 俞浩.合肥工业大学 2019
[3]基于点云的非合作目标提取与位姿解算[D]. 司译文.哈尔滨工业大学 2017
[4]基于激光扫描技术的文物三维数字化方法研究与应用[D]. 周亚男.陕西科技大学 2012
本文编号：3065548
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１扫描仪外观图
，考虑到实验室??丨丨前的文物彳丨描设备只有－台手持式维扫描仪，故将小型的文物作为研究［丨??彻＜。实验室中没柯與正的文物，所以使用仿制的文物石脊像模型作为研究对象。??Ｋ膏模型有很多，花瓶，车辆，人物雕像雜，但研究需要具备说服力，根裾锌通??的雕像模型所得出的研究结果明显难以让众人信服，故最终选取丫“维纳斯”人??物石彳ｍ型，作为最终的实验品。《断臂的维纳斯》是法国卢浮宫博物馆的经典??藏：公元前１５０年创作，电今无数人仍在猜测她的双臂是－种怎样的姿态，具??冇很强的代表性。如下图２．３所示：??，．Ｗ?署??Ｉ?Ｍ??Ｉ?１??图２．３?“断臂的维纳斯”心Ｙｆ像原吧??通过实验室的扫描仪可以获得维纳斯的点云模型。雕像本身是竖立的，－：维??扫描仪可以获取周围３６０度的模型，但图像的底瘐和一些凹陷处难以一次忡扫描??到位。这是设备本身的缺陷和客观环境共Ｍ作用的姑汜，＿、？丨此，钉勿点八的配??准工作必不可少。配准的前提是在两片点云屮找到吋应的特征，提収ｉｔ屮？片维??ＩＩ??
?第２章三维文物点云的基本理论???纳斯模型点云进行分析，如图２．４。??图２．４?“断臂的维纳斯”点云原型??据图可以发现，首先模型是残缺的，模型的中间部分最为细腻，边缘点云则??较为发散，为了尽量使配准的精度更高，自然选择特征更为明显的中间部分。提??取该部分进行观察，此时该处点云的数目较多，且特征也最为完整。点云的特征??很多，点特征、线特征、面特征、ＰＦＨ特征描述子、ＦＰＦＨ特征、ＮＤＴ特征、ＰＣＡ??特征、体积特征等，都可以作为点云配准的依据。以简单的法线特征为例，可以??通过拟合中心点与周围邻域点，构建曲面得到该曲面的法向量，以之作为该点的??法线。结合“维纳斯”模型实例进行探宄，可以发现在点云的中部，点与点之间??的距离较为接近，且在人物关节处的点云数目较多，特征数目充足。此时点云的??法线变化较为突出，可以作为特征。对比模型的边缘处，发现边缘处的点云分布??更为散乱，法线变化毫无规律，且突变频繁，若在此处提取点的法线作为特征，??很可能会出现错误配准的情况。实际上，点云的法线特征可以算是比较基本的特??征，其他的大部分特征可以通过点云的法线组合计算得到。故此时不但法线不足??以作为最终的特征，其他的常规特征也不适合用于配准。因无法保证特征的正确??性，自然无法确定配准的准确性。因此在点云特征提取之前，需要选取合适的点??云区域并将无用的点云去除。这不但可以减少计算量，也有利于正确特征的选择，??可以降低后期配准的误差。通常的解决方案是在获取原始点云之后，对点云进行??预处理，框选合适的点云区域，再提取特征。??１２??
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国文物保护规划相关研究文献综述[J]. 袁琳溪,汤羽扬. 中国文化遗产. 2019(05)
[2]三维激光扫描点云分类方法研究进展综述[J]. 钱婷,王蕾,李宝山. 电脑与信息技术. 2019(01)
[3]文物三维模型虚拟修复研究进展、挑战与发展趋势[J]. 侯妙乐,赵思仲,杨溯,胡云岗. 遗产与保护研究. 2018(10)
[4]三维点云场景数据获取及其场景理解关键技术综述[J]. 李勇,佟国峰,杨景超,张立强,彭浩,高华帅. 激光与光电子学进展. 2019(04)
[5]一种视点直方图特征优化的点云目标识别算法[J]. 杜靖远,邓计才. 河南科技大学学报(自然科学版). 2018(05)
[6]基于PCA算法的机载LiDAR点云平面分割算法研究[J]. 叶玲洁,颜远青. 城市勘测. 2018(01)
[7]改进的基于FPFH特征配准点云的方法[J]. 马大贺,刘国柱. 计算机与现代化. 2017(11)
[8]空间栅格动态划分的点云精简方法[J]. 傅思勇,吴禄慎,陈华伟. 光学学报. 2017(11)
[9]基于SAC-IA和改进ICP算法的点云配准技术[J]. 陈学伟,朱耀麟,武桐,王祖全. 西安工程大学学报. 2017(03)
[10]多精度遗址文物三维点云获取技术的研究[J]. 朱黎,胡涛. 湖北民族学院学报(自然科学版). 2017(01)
博士论文
[1]三维点云配准技术研究[D]. 熊风光.中北大学 2018
[2]面向馆藏文物的三维数据获取及可视化研究[D]. 俞朝晖.华南理工大学 2016
硕士论文
[1]三维点云重建中的去噪算法研究[D]. 刘静静.北京交通大学 2019
[2]基于点云数据的预处理算法研究[D]. 俞浩.合肥工业大学 2019
[3]基于点云的非合作目标提取与位姿解算[D]. 司译文.哈尔滨工业大学 2017
[4]基于激光扫描技术的文物三维数字化方法研究与应用[D]. 周亚男.陕西科技大学 2012
本文编号：3065548
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