【摘要】：近年來(lái),隨著三維掃描技術(shù)的不斷突破,點(diǎn)云三維模型已經(jīng)成為了繼聲音、圖像、視頻之后的新興的數(shù)字媒介,被廣泛地應(yīng)用在計(jì)算科學(xué)、逆向工程、義物復(fù)原、建筑設(shè)計(jì)以及電影、游戲等科技文娛領(lǐng)域。不同于傳統(tǒng)的數(shù)字媒體,點(diǎn)云模型真實(shí)感強(qiáng)、細(xì)節(jié)度高,正逐漸成為各個(gè)行業(yè)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源,從數(shù)據(jù)層面推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域的研究發(fā)民。對(duì)于點(diǎn)云三維模型而言,其數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性是其后續(xù)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。然而,在實(shí)際的掃描過(guò)程中,尤其是使用激光進(jìn)行掃描時(shí),由于被測(cè)物本身的幾何和光學(xué)特性以及掃描系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性問(wèn)題,實(shí)際得到的點(diǎn)云模型常常存在大量的孔洞與毛刺。這些缺失數(shù)據(jù)的存在會(huì)對(duì)后續(xù)模型重建操作產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,以至無(wú)法獲得被測(cè)物完整有效的表面形態(tài)特征。因此,缺失數(shù)據(jù)的修補(bǔ)和點(diǎn)云噪聲的消除研究成為了點(diǎn)云研究與應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,本文首先對(duì)激光點(diǎn)云掃描系統(tǒng)的光學(xué)工作原理與機(jī)械結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究,分析基于激光反射原理產(chǎn)生的點(diǎn)云模型的孔洞、毛刺等畸變產(chǎn)生的原因與特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)不同被測(cè)對(duì)象進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述理論分析的準(zhǔn)確性與可靠性。接著,本文對(duì)比了多種傳統(tǒng)孤立點(diǎn)檢測(cè)方法的原理與優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合基于統(tǒng)計(jì)的方法與基于距離的方法,設(shè)計(jì)出一套基于K最近鄰法與分類(lèi)統(tǒng)計(jì)篩選的高效準(zhǔn)確的孤立點(diǎn)檢測(cè)算法,并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)證明提出的方法的高效性與準(zhǔn)確性。最后,本文將低秩分解的思想應(yīng)用于點(diǎn)云模型的修復(fù),根據(jù)前文分析的點(diǎn)云特征,對(duì)經(jīng)典低秩分解模型進(jìn)行約束優(yōu)化,優(yōu)化低秩分解方法對(duì)于點(diǎn)云模型的毛刺、孔洞的修復(fù)準(zhǔn)確性,從而得到更為貼近真實(shí)的點(diǎn)云模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的方法能夠有效對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行修復(fù),相較傳統(tǒng)低秩分解方法有較大改善。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN249
【圖文】：

考慮到本文實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象的小體積特性和研宄要求的高精度特點(diǎn)，本文選用基于逡逑三角測(cè)距原理的激光距離傳感器，下文對(duì)該原理進(jìn)行詳細(xì)闡述。逡逑激光三角測(cè)距法的檢測(cè)原理如圖２－１所示：激光發(fā)射器從特定的角度通過(guò)凸逡逑透鏡將激光發(fā)射到被測(cè)物體表面，當(dāng)激光照射到物體表面后會(huì)產(chǎn)生反射或漫反射，逡逑部分激光被凸透鏡捕捉并聚焦到線(xiàn)性ＣＣＤ陣列上。當(dāng)被測(cè)物的距離不同時(shí)，傳逡逑感器所接受的漫反射或反射光線(xiàn)的角度相應(yīng)產(chǎn)生變化，從而在線(xiàn)性ＣＣＤ陣列投逡逑影的光斑位置也不相同。通過(guò)測(cè)量光斑在線(xiàn)性ＣＣＤ陣列上的相對(duì)位置，結(jié)合傳逡逑感器中凸透鏡的光學(xué)參數(shù)以及其他硬件的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以計(jì)算得到被測(cè)物體逡逑與激光傳感器之間的距離［５２］。逡逑ｒ＼邐＾邐４．線(xiàn)性ＣＣＤ陣列逡逑Ａ邐３？鍛片逡逑飛邋±邋Ｂ邐６．被測(cè)物體ａ邐６．被測(cè)物體ｂ逡逑廣Ｓ邋？信號(hào)處理器／逡逑１．２體激光器邐ｊＺＺ邋？邐？？？？？？？－Ｉ逡逑圖２－１激光距離傳感器結(jié)構(gòu)與原理逡逑根據(jù)激光入射的角度不同，我們又可以將激光三角法分為斜射式激光三角法逡逑和直射式激光三角法兩種類(lèi)型。斜射式類(lèi)型指的是入射光線(xiàn)與被測(cè)物參考平面不逡逑垂直的情況；直射式類(lèi)型指的是入射光線(xiàn)與被測(cè)物參考平面相垂直的情況。斜射逡逑式三角法和直射式三角法的光路圖如圖２－２和圖２－３所示［５３］。逡逑１０逡逑

ｄ二凸透鏡逡逑＾被測(cè)物表面逡逑圖２－３直射式激光三角法逡逑斜射式主要用于接受鏡面反射的激光，適用于表面光滑、反射度好的被測(cè)物逡逑體，其優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、信噪比高，缺點(diǎn)是體積大、測(cè)量范圍小、安裝調(diào)試繁瑣；逡逑直射式主要接受散射與漫反射光，適用于測(cè)量表面較為粗糙的物體，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)逡逑量范圍大、體積小、安裝方便，缺點(diǎn)是分辨率相對(duì)較低、信噪比比較低。逡逑考慮到現(xiàn)實(shí)生活中大部分物體并不具備高反射度的表面，本文首選基于直射逡逑法的激光距離傳感器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。直射式激光距離傳感器的具體量化數(shù)學(xué)工作逡逑原理如下：逡逑１１逡逑

邐ｒ，＂＂邋＇ＶＨ逡逑圖２－２斜射式激光三角法逡逑漏激光器逡逑凸透鏡逡逑ｄ二凸透鏡逡逑＾被測(cè)物表面逡逑圖２－３直射式激光三角法逡逑斜射式主要用于接受鏡面反射的激光，適用于表面光滑、反射度好的被測(cè)物逡逑體，其優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、信噪比高，缺點(diǎn)是體積大、測(cè)量范圍小、安裝調(diào)試繁瑣；逡逑直射式主要接受散射與漫反射光，適用于測(cè)量表面較為粗糙的物體，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)逡逑量范圍大、體積小、安裝方便，缺點(diǎn)是分辨率相對(duì)較低、信噪比比較低。逡逑考慮到現(xiàn)實(shí)生活中大部分物體并不具備高反射度的表面，本文首選基于直射逡逑法的激光距離傳感器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。直射式激光距離傳感器的具體量化數(shù)學(xué)工作逡逑原理如下：逡逑１１逡逑

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