结合超体素和区域增长的植物器官点云分割

点云分割是点云识别与建模的基础。为提高点云分割准确率和效率，提出一种结合超体素和区域增长的自适应分割算法。根据三维点云的空间位置和法向量信息，利用八叉树对点云进行初始分割得到超体素。选取超体素的中心体素组成一个新的重采样后的密度均匀点云，降低原始点云数据处理量，从而减少运算时间。建立重采样后点云数据的K-D树索引，根据其局部特征得到点云簇。最后将聚类结果返回到原始点云空间。分别选取植物三个物候期的激光扫描点云，对该方法的有效性进行验证。实验结果表明，该方法分割后点云与手工分割平均拟合度达到93.38%，高于其他同类方法，且算法效率得到明显提升。     

自适应的基于点云的CAD模型重建方法

基本的随机抽样一致性(RANSAC)算法无法根据点云模型的噪声自适应地设定分割参数,并有效判断点云数据是否被合理分割。针对该问题,提出了一种自适应的基于点云模型的计算机辅助设计(CAD)模型重建方法。该方法采用RANSAC算法从点云数据中提取基本形状体素,使用直方图法分析点到相应形状体素表面的投影距离。对分割不合理的区域,按照该点云面片的高斯噪声设置新的分割参数,再次进行形状提取。经过一定轮数的迭代,该方法可以合理提取点云模型中的细小形状体素。然后通过校准形状体素的位置和方向、根据相邻形状体素之间的交线裁剪形状体素,实现CAD模型的重建。最后,以误差分布图和直方图分析了原始点云数据中点到CAD模型表面投影距离,有70.71%的点的投影距离不超过点云模型包围盒高度的1%。实验结果表明,以点云包围盒高度的1%为尺度向实验数据中加入噪声时,该方法仍能够通过自适应设置分割参数提取出合理的细小体素。     

基于体绘制的动态云场景模拟

为了实现动态云场景的创建与绘制,文中提出一种基于体绘制的三维云模拟算法。算法用Perlin噪声干扰椭球模型,得到云场景区域内体素颜色的基本数据,然后对体素颜色进行软化模糊和添加阴影处理,建立绘制区域的云数据模型;同时通过ray casting对绘制区域进行体数据采样渲染,模拟出三维云的效果。仿真实验结果表明：该算法模拟出的云场景可让云形状颜色位置动态改变,也可让视点穿过云层,具有动态和交互效果,是一种可行的动态云场景模拟算法。     

无人机倾斜摄影进行建筑施工进展监测初探

及时掌握建筑施工现场的变化信息,有助于施工现场的进度管理,规范作业行为.本文采用五视图与体素模型两种方法获取建筑物的变化信息.首先,利用建筑施工工地不同时段拍摄的无人机倾斜影像,建立点云模型,通过点云体素转换算法生成体素模型,对比两期体素模型得到三维变化区域;然后,利用两期点云和体素模型生成建筑物的五视图,对比两期五视...     

针对全空子数据体的GPU体绘制方法

体绘制是三维数据可视化的主要方法之一。用于体绘制的数据体中包含有大量的空体素,导致光线投射算法进行没有意义的重采样计算,必然降低绘制算法效率。针对全空子数据体体绘制低效问题,本文提出基于GPU体高效绘制方法。利用八叉树数据结构组织数据,有效管理包含许多空体素的子数据体。通过绘制八叉树非全空叶子结点子数据体表面,使光线投射算法中起始和终止重采样位置更接近数据体中的可视部分,同时根据八叉树全空结点子数据体判定纹理查询结果,计算合适的跳跃步长,快速跳过八叉树中全空结点子数据体,减少无效重采样点。当数据体中空体素较多时,实现对原基于体包围盒表面绘制的GPU光线投射算法的加速。设计不透明度函数,凸显数据体中层位面,并将算法成功应用于地震数据可视化,取得很好应用效果。     

彩色体三维显示系统上基于GPU的实时均匀体素化算法

为了使基于旋转屏的彩色体三维显示设备在显示动态场景时实时且高分辨率、高质量地实现圆柱体空间彩色体素化,提出了一种基于GPU的算法.首先在长方体空间内完成对三维场景的实时彩色体素化,将生成的数据保存于多张纹理工作表中;然后采取多对多映射的方法对这些工作表进行重采样,得到该场景在圆柱体空间内均匀的彩色体素化结果.实验结果表明,该算法在GPU内完成,达到了实时性要求,并在基于LED旋转屏的体三维显示设备上获得了令人满意的三维虚拟场景再现效果.     

基于直方图熵的体数据分类算法研究*

体数据的分类用于确定体素的可见性,在三维体绘制中起着重要的作用。提出一种基于熵的体数据分类算法。首先根据累计直方图将体数据的直方图进行分段,然后根据熵判别式在每个分段中计算一个阈值作为阻光度传递函数的分段点,再根据阻光度传递函数计算出体素的阻光度值,完成体数据的分类。以工业CT体数据为对象进行实验,其结果表明,所提出的算法较好地实现了体数据的分类,体绘制结果清晰,且能够实现试件的模拟拆卸。     

改进的采样一致性点云配准算法

为解决传统迭代最近点(iterativeclosestpoint,ICP)算法存在配准效率低等问题,提出一种改进的采样一致性点云配准算法。通过自适应体素网格滤波法对点云进行处理,可以根据点云量级自动修改体素立方体大小,剔除偏差较大的噪点,降低点云数据量级;在快速点特征直方图(fastpointfeatureshistogram,FPFH)中引入距离的二次函数,降低远距离邻域点的权值,提高近距离邻域点的权值。运用公开数据集Bunny点云数据进行实验的结果表明,该算法相对于传统点云配准算法的配准精度提升了54.65%,配准效率提升了39.39%。运用多组数据验证了该算法的有效性。     

远距离和遮挡下三维目标检测算法研究

针对现有三维目标检测算法对存在遮挡及距离较远目标检测效果差的问题,以基于点云的三维目标检测算法(3D object proposal generation and detection from point cloud, PointRCNN)为基础,对网络进行改进,提高三维目标检测精度。对区域生成网络(region proposal network, RPN)获取的提议区域(region of interest, ROI)体素化处理,同时构建不同尺度的区域金字塔来捕获更加广泛的兴趣点;加入点云Transformer模块来增强对网格中心点局部特征的学习;在网络中加入球查询半径预测模块,使得模型可以根据点云密度自适应调整球查询的范围。最后,对所提算法的有效性进行了试验验证,在KITTI数据集下对模型的性能进行评估测试,同时设计相应的消融试验验证模型中各模块的有效性。     

多视图立体三维重建中的孔洞修复算法

为了解决多视图立体三维重建算法不能很好地处理弱纹理或无纹理及高光区域的重建问题,提出一种基于可见外壳与多视图三维点云有机融合的多视图立体三维重建孔洞修复算法.该算法以可见外壳及多视图三维点云为输入,首先提取出可见外壳内满足点云稀疏度约束的叶节点,然后利用可见外壳法向量射线约束去除包裹在三维点云外层的叶节点,最后通过加入三维点云曲面曲率约束来消除点云中凹陷区域的影响.实验结果表明,文中算法有效地解决了物体缺乏纹理区域表面的孔洞修复问题,使得最终生成的三维网格模型完整和平滑,具有参数可调、易于实现的特点,对于不同的模型都具有非常好的鲁棒性.     

结合体元数据结构的机载LIDAR建筑物检测

目的 目前,点云、栅格格网及不规则三角网等建筑物检测中常用的离散机载激光雷达（LIDAR）点云数据表达方式存在模型表达复杂、算法开发困难、结果表达不准确及难以表达多返回数据等缺点。为此,针对LIDAR点云体元结构模型构建及在此基础上的建筑物检测展开研究,提出一种基于体元的建筑物检测算法。方法 首先将点云数据规则化为二值（即1、0值,分别表示体元中是否包含有激光点）3D体元结构。然后利用3D滤波算法将上述体元结构中表征数据点的体元分类为地面和非地面体元。最后,依据建筑物边缘的接近直线、跳变特性从非地面体元中搜寻建筑物边缘作为种子体元进而标记与其3D连通的非地面体元集合为建筑物体元。结果 实验基于ISPRS（international society for photogrammetry and remote sensing）提供的包含了不同的建筑物类型的城区LIDAR点云数据测试了"邻域尺度"参数的敏感性及提出算法的精度。定量评价的结果表明：56邻域为最佳邻域尺度;建筑物的检测质量可达到95%以上——平均完整度可达到95.61%、平均正确率可达95.97%。定性评价的结果表明：对大型、密集、不规则形状、高低混合及其他屋顶类型比较特殊的复杂建筑物均可成功检测。结论 本文提出的建筑物检测算法采用基于体元空间邻域关系的搜索标记方式,可有效实现对各类建筑目标特别是城市建筑目标的检测,检测结果易于建模3D建筑物模型。     

一种基于点一面匹配的3D-SLAM方法

提出一种基于点一面匹配的3维空间同步定位与3维地图创建(3D-SLAM)方法以解决3D-SLAM中的点云匹配问题.首先将3维空间中的6自由度(6DOF)匹配问题合理地简化成5DOF匹配问题,然后算法在激光雷达获取的每行数据中提取平面拐点,再通过区域生跃的方式找到点云中的平面区域.通过计算平面的法向量,并比较两帧数据之间...     

利用灰度体元模型的机载LiDAR 3D道路提取

面向机载LiDAR数据的道路提取算法的常用数据结构存在局限: 2D格网及TIN表达多次回波数据时存在的信息损失会影响提取结果的完整性且提取结果为2D形式; 点云的空间结构及拓扑信息难以利用, 由此导致算法设计的困难.为此, 提出了一种基于灰度体元模型的3D道路提取算法.算法首先将LiDAR数据规则化为灰度体元模型(灰度为体元内LiDAR点的平均强度值的量化表示); 然后选取道路种子体元进而搜寻并标记种子及其3D连通区域为道路体元; 最后利用数学形态学优化提取结果.基于ISPRS提供的包含不同复杂程度的城区路网LiDAR数据测试"邻域尺度"和"灰度差阈值"参数的敏感性及提出的算法的精度.实验结果表明: 56邻域为最佳邻域尺度、2为最佳灰度差阈值; 道路提取的平均质量、完整度及正确率分别为70%、86.77%及81.13%;对相对平坦的单层路网及起伏较大的复杂路网均可成功提取.     

AF-Center：基于自适应体素绘画融合和高斯中心样本分配的多模态三维目标检测

相机图像和激光雷达点云可以为3D目标检测提供互补信息,但如何进行有效的融合仍是一个挑战。针对传统方法中无区分性融合带来的对齐偏差问题,提出一个自适应融合网络。首先构建点云体素与对应的多个图像像素之间的注意力亲和矩阵,然后依据亲和矩阵实现多像素到单体素的重要性区分融合。除此之外,针对传统anchor-based检测方法难以枚举所有方向的问题,将目标表示为关键点,首先进行中心点定位,然后回归到3D尺寸与方向等其他属性。同时,针对关键点检测时中心点样本量过少的问题,使用椭圆高斯热图进行了中心点样本的再分配。该算法在Waymo数据集上,较基线PointPillar、CenterPoint与3D-MAN分别提升了2.3%、5.9%与4.0% level2 mAPH。     

A General Multi-step Algorithm for Voxel Traversing Along a Line

Traversing voxels along a three dimensional (3D) line is one of the most fundamental algorithms for voxel‐based applications. This paper presents a new 6‐connectivity integer algorithm for this task. The proposed algorithm accepts voxels having different sizes in x, y and z directions. To explain the idea of the proposed approach, a 2D algorithm is firstly considered and then extended in 3D. This algorithm is a multi‐step as up to three voxels may be added in one iteration. It accepts both integer and floating‐point input. The new algorithm was compared to other popular voxel traversing algorithms. Counting the number of arithmetic operations showed that the proposed algorithm requires the least amount of operations per traversed voxel. A comparison of spent CPU time using either integer or floating‐point arithmetic confirms that the proposed algorithm is the most efficient. This algorithm is simple, and in compact form which also makes it attractive for hardware implementation.     

A fast registration algorithm of rock point cloud based on spherical projection and feature extraction

Point cloud registration is an essential step in the process of 3D reconstruction. In this paper, a fast registration algorithm of rock mass point cloud is proposed based on the improved iterative closest point (ICP) algorithm. In our proposed algorithm, the point cloud data of single station scanner is transformed into digital images by spherical polar coordinates, then image features are extracted and edge points are removed, the features used in this algorithm is scale-invariant feature transform (SIFT). By analyzing the corresponding relationship between digital images and 3D points, the 3D feature points are extracted, from which we can search for the two-way correspondence as candidates. After the false matches are eliminated by the exhaustive search method based on random sampling, the transformation is computed via the Levenberg-Marquardt-Iterative Closest Point (LM-ICP) algorithm. Experiments on real data of rock mass show that the proposed algorithm has the similar accuracy and better registration efficiency compared with the ICP algorithm and other algorithms.     

一种基于降采样后关键点优化的点云配准方法

针对工件点云数据多而导致点云配准耗时长的问题,提出一种基于降采样后关键点优化的点云配准方法。计算点云若干体素的重心,利用kd-tree快速遍历重心的邻近点来代替该体素;提出自适应的点云平均距离计算方法,对降采样后的点云提取ISS3D关键点,并采用基于球邻域的边界点判断方法对其优化;对优化后的关键点进行FPFH特征描述,利用SAC-IA求解近似变换阵,使用ICP算法精配准而解得工件的精确位姿信息。实验结果表明,相较于其他四种配准算法,配准精度分别提高了96.9%、98.1%、93.3%和3.5%,配准速度分别提高了77.2%、77.7%、76.9%和85.4%,表明了该方法的有效性。     

基于噪声分类的双边滤波点云去噪算法

针对三维点云数据模型在去噪光顺中存在不同尺度噪声的问题,提出一种基于噪声分类的双边滤波点云去噪算法。该算法首先将噪声细分为大尺度和小尺度噪声,并使用统计滤波结合半径滤波对大尺度噪声进行去除;然后对三维点云数据进行曲率估计,并对现有点云双边滤波进行改进,增强其鲁棒性和保特征性;最后使用改进的双边滤波对小尺度噪声进行光顺,实现三维点云数据模型的去噪、光顺。与单独使用双边滤波、Fleishman双边滤波相比,改进算法在三维点云数据模型光顺平均误差指标上分别降低了50.53%和21.67%。实验结果表明,该改进算法对噪声进行尺度的细分既提高了计算效率,又避免了过光顺和细节失真,较好地保持模型中的几何特征。     

一种城区LiDAR点云数据的抽稀算法

当城区LiDAR点云数据密度较大时，存在大量的数据冗余，造成了计算量大、效率低、显示不便等一系列问题，使得建筑物的三维可视化及三维重建等应用受到较大挑战。针对该问题，结合泊松碟采样在测地空间中的地形自适应特点，提出了适用于城区LiDAR点云数据的抽稀算法。泊松碟采样随机将与已有采样点的测地距离大于某一阈值的点加入采样点集，并不断重复这一过程直至没有新的采样点加入为止。在此基础上，依据LiDAR点云数据的特点，定义了一种新的与所选点与其邻域内其他点间高度差标准差相关的加权测地距离，改进了泊松碟采样算法。该方法能有效调整城区建筑物的采样率，从而尽可能地保持建筑物的原始特征，并保留良好的可视化效果。四组对比实验结果表明了该算法的适用性及高效性。     

一种城区LiDAR点云数据的抽稀算法

当城区LiDAR点云数据密度较大时,存在大量的数据冗余,造成了计算量大、效率低、显示不便等一系列问题,使得建筑物的三维可视化及三维重建等应用受到较大挑战。针对该问题,结合泊松碟采样在测地空间中的地形自适应特点,提出了适用于城区LiDAR点云数据的抽稀算法。泊松碟采样随机将与已有采样点的测地距离大于某一阈值的点加入采样点集,并不断重复这一过程直至没有新的采样点加入为止。在此基础上,依据LiDAR点云数据的特点,定义了一种新的与所选点与其邻域内其他点间高度差标准差相关的加权测地距离,改进了泊松碟采样算法。该方法能有效调整城区建筑物的采样率,从而尽可能地保持建筑物的原始特征,并保留良好的可视化效果。四组对比实验结果表明了该算法的适用性及高效性。