基于多尺度张量分解的点云结构特征提取

针对传统点云处理算法弱特征提取与抗噪声能力之间的矛盾,提出了一种基于多尺度张量分解的点云结构特征提取算法。首先,利用张量矩阵奇异值分解进行采样点特征显著性编码;然后,将法向(切向)一致性测度与罗曼诺夫斯基准则相结合求取采样点最优邻域,以提高采样点特征识别的可靠性;最后,利用最小生成森林进行特征点遍历,构建点云结构特征曲线。实验结果表明,该算法可以实现复杂点云结构特征的有效识别。     

基于曲率及误差分布的点云逼近曲线优化算法

为提高利用形状信息优化点云逼近曲线的准确性,提出了一种基于曲率及误差分布的点云逼近曲线优化算法.该算法首先快速地创建满足误差限的非最优样条曲线,据此获得较为准确的曲率分布作为形状信息;然后,以大于所给曲率阈值的角点作为种子点,构建出点云的三次序号参变量样条逼近曲线.当逼近曲线误差不满足误差限时,以误差的分布情形确定型值点的添加位置.使得每一次型值点添加后最大误差均减小.通过数条点云曲线实验表明,该算法显著地减少了逼近曲线的控制点数目.     

基于空间栅格支撑与曲率云图引导的点云表面构线

针对已有的点云表面构线方法在处理多层点云曲面模型时出现的弱鲁棒性问题,以及构线过程中缺乏直观点云形状特征引导的现象,提出一种基于空间栅格支撑与曲率云图引导的点云表面构线方法。首先,将点云划入规则分布的空间栅格并基于三参数Shepard曲面估算点云曲率;其次,依据曲率云图反映的点云几何形状特征选择构线点,并搜索沿构线点投影方向与之相交的最近非空栅格(即含有测量点的栅格),继而以最近非空栅格为中心,构建其k-最近邻域点集作为点投影算法的目标点云计算构线点的投影点;然后,插值构线点列经投影计算得到的投影点序列,获得初始曲线;最后,构造与初始曲线节点分布一致的法矢曲线作为曲线投影的方向,结合二分法与基于空间栅格支撑的点投影算法将初始曲线投影至点云曲面。实例对比表明,空间栅格的引入显著增强了点投影算法的稳定性,而曲率云图的引导则提高了用户交互选点构线过程中对点云所蕴涵形状特征的识别与分析能力。     

逆向工程中点云孔洞填充算法的研究

提出了一种新的孔洞光滑填充算法。该算法首先从孔洞周围已有的点云数据中提取采样点,对得到的采样点进行插值拟合得到拟合曲线,然后离散曲线形成点列,补充到空白区域,较好地解决了使用曲线插补方法实现散乱点云数据中孔洞光滑填充问题。由于避免了使用参数曲面对散乱数据点云进行插补,该方法可以应用于具有复杂曲面形状的点云。     

平面二次包络环面蜗杆数字化实体建模研究

为提升平面二次包络环面蜗杆建模精度,提出其三维实体模型的数字构建方法。运用包络原理和坐标转换方法构建了表征平面二次包络环面蜗杆齿廓、齿底与齿顶环面的解析模型,设计了表征齿廓复杂非线性数学模型的求解算法,获取了表征环面蜗杆齿廓的点云,并分析了齿廓特征点云的计算精度。将蜗杆齿廓点云导入三维造型软件,应用包络方式构建蜗杆齿廓曲线、曲面模型,同时将表征蜗杆齿底与齿顶环面母线导入并构建齿底与齿顶曲面模型,最后实体化得到蜗杆三维实体模型。建模实例验证了建模方法及设计算法的有效性与准确性。     

在UG中实现点云的交互区域分割

采用WINDOWS API函数和UG/OPEN C API函数获取UG的主窗口指针并利用鼠标钩子捕捉鼠标点的屏幕位置,用OpenGL API函数将点云映射到窗口坐标系下,然后结合多边形内外点的判断算法实现点云的区域分割。应用实例表明了该技术的可行性,为点云的后续处理奠定了基础。     

基于高空激光雷达扫描系统的稀疏点云分割

针对高空激光雷达扫描系统的性能和复杂大尺度路面稀疏点云数据的分布特征,提出一种基于高空激光雷达扫描系统的稀疏点云分割方法。采用基于点云分块的区域生长算法,在坡路等复杂地面情况下点云数据出现曲面时可以快速准确地分割地面;采用基于密度的DBSCAN聚类算法,使得路面点云稀疏情况下也可以准确地将非路面点云聚类并标记。在港口轮胎式集装箱起重机大车上搭建实验平台,测试港口晴天、雨天两种数据皆可以很好地对路面点云实时分割处理,在应用场景中证明了该分割方法的有效性与实用性。     

一种基于模糊C均值和均值滤波的点云去噪算法

因点云数据中存在噪声,通常对不同特征的点云数据采用相同的处理方法,虽然能删除噪声但也会因删除尖锐特征造成过光顺。提出了一种基于模糊C均值(FCM)聚类算法且均值滤波的点云去噪算法。该算法使用模糊C均值聚类算法删除大尺度噪声后,再将均值滤波应用到点云光顺中,对数据点中的小尺度噪声进行光顺。实验结果表明,该算法去噪效果明显,在去噪光顺过程中较好地保持了边界特征,也避免了过光顺问题的产生。     

基于多线激光雷达的无人车路径规划算法

针对在非结构路面条件下无人车路径规划存在建模难度大,计算量较大,算法运行的实时性较差等问题,提出一种基于多线激光雷达的无人车路径规划算法。对原始点云数据进行预处理,减少需要处理的点云数量,降低程序运行复杂度;将三维点云降维形成较低分辨率的二维栅格地图,降低路径规划程序的计算量;基于构建的局部栅格地图,使用改进的人工势场法完成路径规划。算法已在无人车上应用,实验证明了该方法的有效性和可行性。     

平面二次包络环面蜗杆副数字化实体建模

为解决平面二次包络环面蜗杆副建模精度问题,提出其三维实体模型的数字构建方法。运用空间包络原理和坐标转换等解析方法构建了表征平面二次包络环面蜗杆和蜗轮的齿廓、齿顶与齿底环面的数字模型,根据蜗杆副成型特征设计了表征其齿廓复杂多元非线性数学模型的求解算法,计算出了该环面蜗杆副齿廓的全部啮合点云。逆向应用包络原理检验分析了算法求解蜗杆副齿廓点云的计算精度。在三维造型软件系统中应用包络方式对蜗杆副齿廓点云进行曲线、曲面拟合,构建了蜗杆副齿廓曲面模型,同时将计算的蜗杆副齿顶与齿底环面母线导入并绕各自轴线旋转构建了其齿顶与齿底环面模型,最后将齿廓与齿顶齿底环面封闭并实体化得到蜗杆副三维实体模型。通过建模实例验证了建模方法及设计算法的有效性与准确性。     

稀疏点云的曲面重构

为研究曲面重构中的一类特殊数据,针对稀疏点云提出了一种高效、简单、实用的曲面重构方法。首先分析稀疏点云自身特点,按特征进行预处理与分块。然后依次拟合曲线,通过参数化优化与调整,得到适合造型的曲线,并且引入迭代、渐进的思想来弥补部分数据的缺失。最后利用两种典型重构方法分别对不同分块数据进行曲面重构。实例表明,该方法解决了稀疏点云的曲面重构过程中由于点云信息量少造成的重构困难。     

稀疏点云的曲面重构

为研究曲面重构中的一类特殊数据,针对稀疏点云提出了一种高效、简单、实用的曲面重构方法。首先分析稀疏点云自身特点,按特征进行预处理与分块。然后依次拟合曲线,通过参数化优化与调整,得到适合造型的曲线,并且引入迭代、渐进的思想来弥补部分数据的缺失。最后利用两种典型重构方法分别对不同分块数据进行曲面重构。实例表明,该方法解决了稀疏点云的曲面重构过程中由于点云信息量少造成的重构困难。     

Imageware中光滑拼接曲面的方法

逆向工程软件的曲面反求中,曲率较大的地方往往难以得到较好的曲面反求效果,针对该问题提出了一种基于曲率变化的分块曲面构建拼接方法。该方法根据曲率显示的点的颜色特征进行点云数据的分割,分别获得单片光滑曲面,然后将单片曲面拼接起来以实现完整的自由曲面造型。在曲面拼接过程中,调整两片曲面相邻两列控制点,使其三点共线,以达到拼接处一阶连续。最后通过一个典型的实例证明该方法构造的曲面与原始点云的最大误差为由点阵直接拟合生成的曲面误差的1／3,为由点一线一面构造的整块曲面误差的1／5。     

Adaptive tool-path generation on point-sampled surfaces

In this paper, we present a new approach to generate tool paths for machining point sampled surfaces using a direct projection algorithm, which is based on generating tool paths along planar intersection curves. In our implementation, a guide surface, with simple geometry like planes or cylinder surfaces, is first created according to the bound volume of the point cloud and initial tool paths are planned on it in terms of the motion pattern of the cutters. For each point of the initial tool paths, then, the corresponding cutter contact point (CC) of the point set surface is located by projecting the point onto the point cloud using the direct projection algorithm. In order to obtain adaptive cutter location points (CL), a least squares-based curve fitting method is applied to approximate the CC points using piecewise cubic Bezier, and a numerical method derived to estimate the length of the curve is used to adjust the position of the points along the curve, and make them evenly spaced on the curve with equal arc lengths. In addition, considering that offset curves or surfaces are necessary for locating CL points in many applications, such as machining using ball end milling cutter, torus ended milling cutters, an offset strategy for cubic Bezier curves is also studied. By testing the proposed method on several point clouds, it has been demonstrated to be promising.     

样点邻域同构曲面约束的散乱点云法向估计

针对现有点云法向估计算法难以兼顾估计结果的精度与稳健性问题,以局部采样区域同构曲面作为样点邻域点集所反映曲面形状约束,提出一种散乱点云法向估计方法。该方法将目标样点的邻域点集作为局部样本进行曲面重建,获取插值于采样点集并与采样表面拓扑同构的局部网格曲面;对曲面局部区域高斯映射结果进行聚类分析,获取目标样点的各向同性邻域面;基于面片的正则度以及面片至目标样点的测地距离,确定目标样点各向同性邻域面片法向的加权均值,并将所得结果作为目标样点的法向估计结果。试验结果表明,该方法在点云数据信噪比为40 dB的情况下可保证98%以上样点法向估计偏差在以内,可稳健处理含有噪声以及采样不均匀等缺陷的散乱点云法向估计问题,对于含尖锐特征的点云亦能准确估计样点法向,且具有较高的计算效率。     

截面点云重构曲面的曲率可视化分析

在实物零件数字化过程中,截面点云是比较常见的一种表现形式。由截面点云拟合截面曲线,进而得到零件曲面在实践中有着广泛的应用。曲面的曲率反映了曲面的几何属性,也是进行质量评估以及产品设计的关键技术之一。通过计算机图形显示技术,对拟合后的曲面进行曲率可视化分析,不仅可以直观地评价曲面的光顺情况,也可显著地提高工作效率,为工作人员提供了一种可视化手段。以叶片为研究对象,实验表明：曲率彩色云图能使用户方便地了解整体及局部的曲率分布信息,便于用户进行计算机辅助设计、改善曲面的设计质量等。     

逆向工程中自由曲面对称基准面提取技术研究

针对逆向工程中所测对称自由曲面的离散点云数据,探索了一种快速建立自由曲面对称基准面的方法。通过在自由曲面边界曲线上建立满足曲线对称的对称点的数学关系,利用Pro/E的优化设计功能,以迭代计算方法找到边界曲线上的对称点,再利用边界曲线上的对称点,建立曲面的对称基准面,最终利用对称基准面重构自由曲面,可保证重建曲面的完全对称。该方法在玩具、汽车、摩托车等复杂外形覆盖件重建中具有较高的实用价值。     

基于B样条曲面的点云孔洞拟合填充

为了后续曲面重构的需要,针对有孔洞的点云数据,提出了一种孔洞拟合填充的自适应方法。由于孔洞与其周围离散点有一定的连续性,该算法首先从孔洞周围已有的点云数据中选取离散点,用新的参数化方法对得到的离散点参数化后,用最小二乘法进行自适应曲面拟合,对得到的拟合曲面通过迭代法逐步逼近优化,考虑曲率变化的影响在曲面上取点,实现了孔洞光滑填充。实例表明,改进的参数化方法使算法的复杂度减低,进一步迭代优化提高了曲面拟合精度,在面上取点时考虑了曲率变化,因此该方法可以应用于具有复杂曲面形状的点云中的孔洞填充。     

基于云理论的生长区域图像分割方法

针对种子点的选取和不确定信息的处理问题。提出了一种基于云理论的区域生长图像分割方法。首先利用图像的全局信息获取种子点,具体是把云变换生成的正态云模型的交叉点作为生长区域的种子点,以极大判定法则作为区域生长过程中的生长准则,然后以逆向云算法实现分割区域由定量的像素集合到定性的云概念的转换过程。以云综合算法将相邻的区域进行合并,最终实现基于区域生长的不确定性图像分割。实验表明,该方法较其他方法能更好的的处理图像中的不确定性信息。且获得了较好的实验效果。     

Complete 3D surface reconstruction from unstructured point cloud

In this study, a complete 3D surface reconstruction method is proposed based on the concept that the vertices of surface model can be completely matched to the unstructured point cloud. In order to generate the initial mesh model from the point cloud, the mesh subdivision of bounding box and shrink-wrapping algorithm are introduced. The control mesh model for well representing the topology of point cloud is derived from the initial mesh model by using the mesh simplification technique based on the original QEM algorithm, and the parametric surface model for approximately representing the geometry of point cloud is derived by applying the local subdivision surface fitting scheme on the control mesh model. And, to reconstruct the complete matching surface model, the insertion of isolated points on the parametric surface model and the mesh optimization are carried out. Especially, the fast 3D surface reconstruction is realized by introducing the voxel-based nearest-point search algorithm, and the simulation results reveal the availability of the proposed surface reconstruction method.