面向吊车工作环境的静态场景三维重建

摘要

在自动吊车系统中，远程操作人员需要在操作室内监控吊车工作场景。因此本文搭建了一套全方位三维扫描系统获取吊车工作环境的三维深度信息和纹理信息，通过对场景三维数据的分析和处理，三维重建系统向远程操作人员呈现了一个反映现场真实情景的三维模型。
　　首先，本文根据现场工作环境特点设计了一套三维数据扫描装置，完成了对激光和步进电机的同步控制，实现了对现场工作场景的三维信息采集，通过一系列实验得到了工作场景的三维点模型。
　　其次，本文通过精简、去噪和平滑等预处理操作实现了对点云模型的优化处理。对多次扫描得到的点云模型应用自动配准算法实现数据集之间的配准拼接，在此基础上本文提出一种基于曲率特征点的改进型3D-NDT配准算法，实验结果表明本文的改进算法有效地缩短了配准算法的运行时间。此外本文提出应用BLUE估计算法实现点云重叠区域数据融合，消除因配准拼接导致的密度不均匀现象，经实验验证该点云融合算法可以得到比较均匀平滑的融合效果。
　　再次，本文提出对点云模型中存在的孔洞进行检测及修补，使得点云模型更加完整。孔洞修补策略分为三个主要步骤：点云边界点检测、闭合多边形孔洞提取以及 Z字形均匀采样修补。本文分别对每个步骤进行实验验证，得到了较好的孔洞修补效果。在完成点云孔洞修补之后，应用贪婪投影算法对离散点云进行曲面模型建模，建立点与点之间的联系，还原场景真实的三维拓扑结构。为了得到更加易于理解的带纹理信息的三维模型，本文通过计算三个坐标系之间的变换关系实现了激光与摄像机的信息融合。
　　最后，为了方便操作人员多方面监控现场，本文设计实现了三维重建系统的操作软件，软件主要分为五个功能区：扫描启动区、重建过程调试区、显示区、交互区和安全预警区。本文用此操作界面完成了吊车场景的三维重建，得到了比较好的实验结果，不仅测试了软件的可用性而且验证了本文三维重建算法的可行性。

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第一章 绪论

第一节 课题研究背景与意义

第二节 三维重建技术的发展及国内外研究现状

第三节 本文的研究内容

第二章 基于激光的吊车场景三维数据的获取与配准

第一节 基于激光的三维扫描系统的搭建及数据获取

第二节 三维数据预处理

第三节 多组三维数据集间的配准

第四节 基于BLUE估计的三维数据融合

第五节 算法实现及实验结果

第六节 本章小结

第三章 吊车工作场景三维重建算法设计

第一节 基于吊车工作场景特征的孔洞检测与修补方法

第二节 基于GP的吊车场景点云曲面模型建模

第三节 激光数据与图像RGB信息配准融合

第四节 本章小结

第四章 三维重建系统的软件设计

第一节 软件编写工具的选择

第二节 软件功能需求分析与功能模块设计

第三节 软件功能实现与测试

第四节 本章小结

第五章 总结与展望

第一节 总结

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历、学术论文和研究成果