面向光栅投影的点云预处理与曲面重构技术研究

摘要

面向光栅投影的点云预处理与曲面重构是以光栅扫描作为测量手段,以实物、样件等作为研究对象,对三维数据采集、点云数据预处理、曲面重构、快速制造等内容进行研究。该研究是实现产品快速开发和制造的重要技术之一,在汽车、摩托车、飞机、家电、模具、工艺品、服装与医学领域的原型与创新设计方面具有广阔的应用前景。
　　 研究了光栅投影位相测量的相关理论。分析了光栅投影三维测量的相位调制原理,建立了物体高度与光栅相位之间的对应关系。比较了一维傅里叶变换和二维傅里叶变换相位解调效果,结果表明二维傅里叶变换能更精确反映物体表面任何方向上的变化。分析了相移法相位解调的原理,采用四步相移法求解光栅相位,并建立了变形光栅相位的求解公式。研究了包裹相位产生的因为以及对三维面型测量的影响,采用最小差分算法进行相位去包裹处理,实现了真实相值相位连续。
　　 研究了点云数据预处理中的点云配准与精简技术。在点云手动拼接中,提出了继承与优化算法,经过迭代25次可获取配准所需的旋转矩阵和平移向量,实现了无序点云拼接,拼接误差为0.10mm,相比最邻近点迭代算法,具有拼接偏差小和迭代次数少等优点。在点云数据自动拼接中,通过Gauss-Markoff模型减小曲面间的欧氏距离平方和,采用最小二乘原理对重叠区域进行匹配,实现了无需标志点的点云自动拼接。在点云精简技术中,根据物体形貌及点云曲率采用不同的网格尺寸,并通过中值滤波删减冗余点云数据,既能继承均匀网格法速度快且有效的优点,又能保留物体细节信息。
　　 研究了无序点云三角剖分、四边域剖分和NURBS曲面重建。采用基于法矢量夹角最小原则的三角形生长法对空间离散点直接剖分,它首先根据阈值范围规定扩展边的点集,然后寻找构成三角形逆时针排列的第三点,最后用局部优化准则三角网格进行优化。根据三角形质量计算四边形变形因子进行最大权匹配,实现了四边域的划分。通过对物体三维点云进行三角剖分、曲率检测、构造轮廓线、四边域剖分、建立UV参数线和曲面拟合,最终生成NURBS曲面。
　　 研究了曲面-点云误差和曲面光顺特性及其影响因素,提出了提高曲面品质的方法。控制点数目影响最终的曲面重构精度,对于百万点云数量,100个四边域剖分区域,选用60-80个控制点进行曲面拟合比较适宜。分析了曲面阶次、节点数和光顺系数对曲面-点云误差的影响,对于6082个点云数据,采用曲面阶次为4×4,节点数为5×5,光顺系数为0.7000进行拟合时,曲面.点云最大偏差仅为0.0408mm。在满足曲面-点云误差情况下,采用减少冗余控制点以及动态调整控制点空间位置的方法提高曲面光顺性。
　　 研究了人体面部三维数据检测、曲面重建和快速成形加工。通过双光栅三维扫描仪将正弦光栅投射到人体面部,将被面部调制的变形光栅转换成两片分立点云。点云经自动拼接处理后,采用三角剖分和曲面拟合生成三角面片。通过消除孔洞边界杂乱三角形,并对面部孔洞进行填充、消差和平滑处理获得光滑封闭面片。经过四边形网格剖分和曲面拟合等处理,生成面部NURBS曲面。最终将逆向过程生成的STL文件导入到快速成形设备加工人体面部曲面,实现逆向工程整个流程。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 逆向工程研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 常用三维测量方法概述

1.4 点云预处理技术研究现状

1.4.1 点云简化

1.4.2 点云拼接

1.4.3 点云除噪

1.4.4 点云分块

1.5 曲面重构技术研究现状

1.6 选题意义

1.7 主要研究内容

第2章 光栅投影位相测量的理论研究与分析

2.1 引言

2.2 光栅投影相位调制

2.2.1 正弦光栅与光栅函数

2.2.2 投影光栅相位调制

2.3 光栅投影相位解调

2.3.1 一维FTP变换

2.3.2 二维FTP变换

2.3.3 FTP变换实验

2.3.4 PSP变换

2.3.5 PSP变换实验

2.4 相位展开

2.4.1 包裹相位与相位展开

2.4.2 最小差分算法去包裹

2.4.3 相位展开实验

2.5 本章小结

第3章 光栅投影点云数据预处理技术的研究

3.1 引言

3.2 继承与优化算法拼接点云

3.2.1 算法机理

3.2.2 模型建立

3.2.3 实现过程

3.2.4 点云拼接实验

3.2.5 与ICP算法的性能比较

3.3 最小二乘法自动拼接点云

3.3.1 基于Gauss-Markoff模型的最小二乘算法

3.3.2 点云拼接实验

3.3.3 配准误差分析

3.4 自适应网格法简化点云

3.4.1 均匀网格法

3.4.2 自适应网格法

3.4.3 点云简化实验

3.4.4 与均匀网格法的比较

3.5 本章小结

第4章 光栅投影NURBS曲面重构技术的研究

4.1 引言

4.2 无序点云三角网格剖分

4.2.1 三角网格剖分概述

4.2.2 基于LABN准则的三角形生长法

4.2.3 三角网格剖分实现过程

4.2.4 三角网格剖分实验

4.3 无序点云四边域剖分

4.3.1 四边域剖分概述

4.3.2 四边域最大权匹配

4.3.3 四边域剖分实验

4.4 NURBS曲面拟合

4.4.1 NURBS曲面数学模型

4.4.2 NURBS曲面插值

4.4.3 NURBS曲面逼近

4.5 NURBS曲面重构实验

4.6 本章小结

第5章 光栅投影NURBS曲面重构精度与光顺特性分析

5.1 引言

5.2 控制点对重构精度的影响

5.2.1 重构精度与控制点关系

5.2.2 实验与数据分析

5.3 曲面-点云偏差分析

5.3.1 曲面-点云偏差影响因素

5.3.2 实验与数据分析

5.4 重构曲面光顺特性分析

5.4.1 曲面光顺的含义与准则

5.4.2 曲面光顺的检测方法

5.4.3 提高曲面光顺性方法

5.5 本章小结

第6章 光栅投影人体面部三维检测与曲面重构

6.1 引言

6.2 三维面部光栅图像采集

6.3 点云生成与拼接

6.3.1 点云生成

6.3.2 扫描系统标定

6.3.3 面部点云拼接

6.4 面部三角面片重构

6.5 面部三角面片孔洞填充

6.6 面部NURBS曲面重构

6.7 面部模型快速成形加工

6.7.1 快速成形机理

6.7.2 逆向过程与正向过程的数据接口

6.7.3 RE和RP结合的人脸模型加工

6.8 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 本文工作总结

7.2 主要创新点

7.3 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间研究成果