面向气压沉箱的三维场景分割与建模

摘要

基于激光扫描的三维场景重建是三维物体识别、机器人、计算机图形学等领域的一个重要的研究和应用方向,其目标是利用三维激光对场景进行扫描,然后对获取的三维图像数据进行分割并进行重建,使得计算机具有感知外界环境中的物体边界范围、大小、形状等信息,以便进一步的对场景中的物体进行精确的纹理映射、渲染、编辑等操作,并为物体识别、人工智能打下坚实基础。目前大规模三维场景分割、重建技术已经成为计算机图形学、机器视觉、机器人、人工智能等领域的研究热点和难点。
　　 在大规模三维场景分割重建领域中,场景复杂、数据量很大,使得现有的分割方法和重建方法在进行三维实时分割与重建极其困难；同时,三维场景的分割是三维重建和物体识别的基础,因而对三维分割的即要求有实时性又要求分割结果的稳定性、可靠性、高质量的分割结果；对于三维重建,由于数据量极大而扫描设备不可能直接获取数据的法向量也不可能直接形成三维重建需要的如三角形网格、点等显示基元,因而要求实时、快速的构建显示基元并计算出各基元上点的法向量；这些要求使得三维分割、重建技术在大规模场景中应用面临较大挑战,本文针对无人化气压沉箱的三维场景分割重建问题进入了深入的研究和探索,提出了一些新理论和方法,通过实验和实际应用证明了所提理论和方法的有效性和可靠性。
　　 主要的研究工作及所取得的创新成果如下:
　　 针对大规模三维场景中三维数据配准的特殊性以及当前配准方法所存在的局限性,提出了多平面场景下基于改进Hough变换的平面提取三维数据配准的方法,该算法首先利用改进的Hough变换进行多平面提取,然后使用多平面提进行数据配准。由于大规模三维场景中一般都有多个较大的平面或近似平面,因而提取出的平面可涵盖场景的主要部分,因而可实现全局的较精确的配准。另外,由于Hough变换的鲁棒性,使得提取的平面受噪声等外界因素较小,因而提高了配准结果的稳定性。
　　 针对现有二维边缘检测算子本质是一种局部的算子,难以有效检测出三维场景物体的边界的问题,研究了平面曲线的全局边缘点的几何性质,提出了对偶参照函数的相关概念及理论,并利用这些性质给出了设计对偶参考点算子的方法(DRP:Dual Reference Points),该算子可以快速、稳定的检测出大规模三维场景的物体边界,利用公共数据和实际数据进行了实验,结果表明算法的高效性和鲁棒性。
　　 针对大规模三维场景数据分割问题,首先引入积分几何中近似度概念,研究了平面曲线间相似性的问题,提出了曲线相似性的度量,然后基于曲线的相似性质提出了区域合并算法。结合对偶边缘检测算法,提出了三维分割算法框架,该框架与UB算法框架相似,即都是先进行边缘检测再求区域,不同的是本文采用的边缘检测是本文提出的DRP算子而和本文采用的区域增长方法是基于曲线相似性的,而UB算法边缘检测是建立在对曲线特性分析基础上的局部边缘检测算子,UB算法的区域增长是采用拟合法进行的。本文利用所提该三维分割算法框架对无人化气压沉箱三维数据进行处理,得到了满意的结果。
　　 针对大规模三维场景重建问题中对显示基元快速构建问题和显示基元点法向量的求值问题,利用三维激光扫描数据构成规律,首先研究了基于三角形的重建即三角形网格构成法则；利用该法则可快速对已经分割好的数据进行快速重建网格；其次利用重建网格特性,研究大规模三维场景中法向量的快速计算方法。实验显示结果表明,重建效果较好。
　　 搭建了基于三维激光扫描的无人化气压沉箱三维重建、测量及挖掘机避碰系统。利用数据库技术,将所有传感器信息集成到一起,建立了沉箱信息系统,该系统实现了沉箱的数字化、信息化和网络化。开发了两套软件,这两套软件不仅包含了所提出的算法,实现了三维分割、重建及物体识别,还实现了挖掘地面实时测量、数据库、挖掘机避碰等功能。本文的研究成果为无人化气压沉箱在上海地铁的成功应用奠定了坚实基础,起到了关键的作用。本系统作为“远程遥控气压沉箱设计施工与设备的关键技术”关键研究成果之一,连同该课题其他研究成果一起获得了2008年度“上海市科技进步一等奖”。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 大规模三维场景重建的研究范围和应用领域

1.3 相关领域的文献综述

1.3.1 气压沉箱现代技术的发展

1.3.2 大规模三维场景重建

1.4 面向气压沉箱的大规模三维场景重建面临的困难和挑战

1.5 本文的工作

1.5.1 主要目标

1.5.2 研究内容

1.5.3 主要贡献

1.6 本文的结构

1.7 本章小结

第二章 总体框架的设计及三维激光扫描系统的研制

2.1 引言

2.2 “数字化”无人化沉箱信息系统总体框架设计

2.3 无人化气压沉箱三维地貌、测量及挖掘机避碰系统

2.3.1 面向无人化气压沉箱三维激光扫捕仪原理及设计

2.3.2 面向无人化气压沉箱三维扫描控制系统设计

2.3.3 沉箱三维重建、测量及挖掘机避碰系统的软件框架设计

2.4 面向无人化气压沉箱三维激光扫描仪的实验

2.5 本章小结

第三章 多平面场景下大规模三维场景数据配准

3.1 三维数据配准概述

3.2 准备和基本定义

3.2.1 基于Hough变换平面提取的方法

3.2.2 主平面和辅助平面定义

3.3 基于改进HOUGH变换的平面提取

3.3.1 基于最小二乘法的直线段的拟合与提取

3.3.2 基于改进Hough变换法提取平面

3.3.3 辅助平面提取

3.4 配准

3.5 实验结果及误差分析

3.5.1 实验结果

3.5.2 误差定量分析

3.6 本章小结

第四章 对偶参照点边缘检测算子研究

4.1 引言

4.2 边缘检测算子的发展回顾-从二维到三维

4.3 边缘的定义和边缘的类型

4.4 参照函数的基本概念

4.4.1 基本概念

4.4.2 基本定理

4.5 对偶参照点的算子设计

4.5.1 采用角度参照函数的单尺度边缘检测算子设计

4.5.2 采用距离参照函数的单尺度边缘检测算子设计

4.5.3 多尺度边缘检测算子设计

4.6 结果及讨论

4.6.1 ABW数据的边缘检测

4.6.2 沉箱数据的边缘检测

4.7 小结

第五章 基于曲线相似性的区域合并算法研究

5.1 引言

5.2 相关工作

5.3 曲线的相似性理论和区域合并算法设计

5.3.1 曲线相似性理论

5.3.2 基于曲线相似性的区域增长算法

5.4 实验及讨论

5.5 本章小结

第六章 大规模三维场景重建算法研究

6.1 问题的提出

6.2 相关工作

6.2.1 曲面重建

6.2.2 点法向量计算

6.3 算法描述

6.3.1 三角形网格构建算法

6.3.2 顶点法向量计算

6.4 结果及分析

6.4.1 点法向量的计算实验

6.4.2 三角形网格构建实验

6.4.3 三维重建实验

6.5 本章小结

第七章 在沉箱项目中的实现及应用

7.1 引言

7.2 气压沉箱三维场景重建、测量及挖掘机避碰系统软件实现

7.3 数据库系统实现及功能介绍

7.3.1 三维观察及测量功能实现

7.3.2 数据库其他功能实现

7.5 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 论文总结

8.2 主要创新点

8.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表或录用的论文及申请的专利