提高结构光三维形貌测量精度的分段拟合滤波方法

在基于结构光的三维形貌测量法中,物体高度调制后的变形结构光场经过成像系统成像,由测量系统获取,并通过滤波,相位测量和解相位恢复出物体的高度信息.其中滤波是提高测量精度的重要环节.本文通过计算机模拟及数据对比证实,在相位测量轮廓术的基础上采用分段拟合滤波滤除噪声的有效性和实用性,并对分段拟合滤波的计算精度和计算误差进行实验模拟分析.

三维激光扫描球形标靶拟合及中心定位

近年来,国内外诸多专家学者通过利用球形标靶规则对称的特点进行实验获得半球面点云,从而解决点云配准问题。本论文从先介绍三维激光扫描球形标靶拟合及中心定位的研究现状着手,重点研究基于最小二乘原理对球形标靶进行拟合及中心定位。再通过介绍已有的各种拟合和中心定位的基本方法,如最小二乘拟合、整体最小二乘定位、稳健加权总体最小二乘定位等。并通过利用MATLAB软件来计算处理数据,且通过一定的程序计算得到球心坐标,并且做误差分析,最后得出结论。

盘形凸轮廓线圆弧拟合的曲率中心法

在盘形凸轮的加工过程中,只要保证凸轮廓线上每一点对应的曲率中心位置与理论计算结果相符,就可以保证从动件运动规律,准确地实现其二阶导数设计目标。本文以理论计算所得曲率中心轨迹为出发点,提出盘形凸轮廓线圆弧拟合的曲率中心法。

三维激光扫描技术在建筑数字化中的研究

针对传统的单点测量效率低、工作量大、监测结果存在片面性的问题,该研究提出了基于三维激光扫描技术的建筑物模型重构方法,先用地面三维扫描系统获取建筑物三维模型,提取目标特征点,再将RANSAC算法与欧式聚类方法相结合分割建筑物立面,满足建筑数字化的要求。该研究在对三维数据预处理后进行半自动滤波去噪和平面拟合,能准确地提取建筑物立面信息。实验结果表明,本文模型产生噪声少,平面拟合优越性高,精度约在99%左右,能达到建筑物精细化建模的目的。

圆弧拟合

圆弧拟合是一种类似于贝塞尔曲线的拟合，其运算速度快，用法简单方便，作为全自动通用绘图系统的图线之一很实用。本文详细地讨论了它的原理、方法、特点，并给出了ＢＡＳＩＣ程序和应用实例。

基于拉格朗日乘子法的空间圆弧拟合优化方法

针对传统的空间圆弧拟合方法鲁棒性低、拟合精度不高等问题,提出了一种鲁棒性较强的空间圆弧拟合优化方法。首先,以拉格朗日乘子法为基础,基于平面条件约束建立目标函数,从而得出空间圆弧拟合方程;其次,采用RANSAC(random sample consensus,随机抽样一致)算法剔除错误跟踪点,将RANSAC算法的高稳定性应用到空间圆弧拟合的点云优化中,进而提高拟合精度。最后,通过实验分析验证了所提空间圆弧拟合优化方法的可行性,并与传统拟合方法进行比较,分析所提方法的拟合精度。实验结果表明:普通圆弧点云拟合的相对精度在0.003左右,复杂圆弧点云拟合的相对精度在0.01左右;相较于传统拟合方法,所提方法有效解决了拟合精度低及鲁棒性差等问题。研究结果表明提出的空间圆弧拟合优化方法一方面可运用拉格朗日乘子法增强鲁棒性,另一方面可通过采用RANSAC方法剔除错误点以提高拟合精度,具有广泛的工程实际应用价值。

基于改进圆拟合算法的激光光斑中心检测

主要运用图像处理的方法来检测激光器输出光斑的中心位置,在圆拟合基础上改进了算法,加入了采集处理,去噪滤波,以及多次迭代等处理方法,提高了检测光斑中心位置的精确度,同时预处理和去噪滤波有效地减少了测量时的白噪声以及椒盐噪声的干扰,增强了抗干扰能力。

基于城市级实景三维模型快速构建的方法

传统的点云滤波算法使用场景片面化,且人工干预的需求较大,阈值的自适应性能较弱,这在一定程度上导致了三维模型构建效果较差。因此,本研究在混合最小二乘曲面拟合的基础上提出了一种自适应阈值改进滤波算法。算法验证显示,本研究提出的算法在城市、乡村和森林场景均能实现高精度的滤波处理,样本数据滤波效果平均误差仅为7.04%。与其他算法相比,减少了12.22%~72.69%。该算法在不同场景下滤波效果更稳定,在不连续地域以及多建筑物的城市等场景下滤波效果更优越。建模效果对比显示,本文提出的算法滤波后的三维模型的精度和几何结构处理更优越,生成的三维模型更贴近真实建筑物。结果表明,本研究提出的自适应阈值改进滤波算法对不同场景滤波处理精度更好,且能有效保留实景的地域特征和地形细节,构建的三维模型精确度和细节处理效果更好,有利于提升城市级实景三维建模的构建效能。

结构光三维视觉检测中光条椭圆中心定位方法与仿真研究

针对在圆柱类工件形位误差的结构光三维视觉检测中 ,光条椭圆弧短 ,造成椭圆中心定位精度低的问题 ,提出一种利用由两个视觉传感器组成的传感器对加长光条椭圆弧的方法 ,并针对在实际应用中该方法存在的光条椭圆弧对不能严格共面的问题 ,从算法上提出了三种解决方法 ,分别进行了仿真研究 ,得出了仿真结果 ,给出了每种方法的适应范围。研究工作为工程应用提供了一个有效的理论依据 。

利用弹头目标微动信息的两种三维散射中心提取方法

雷达目标三维散射中心提取技术广泛应用于散射特性分析、建模以及目标跟踪。结合弹头目标的微动信息,可以间接得到雷达视角信息。本文在分析了此转化关系的基础上,提出两种三维散射中心提取方法,分别是投影方程求解法和球面拟合法。原理上,分别从代数和几何两个方向体现一维投影距离到三维空间位置的映射原理;算法上,解方程法是基于映射原理,进而求解矩阵方程来实现的;球面拟合法根据一维投影数据的球形分布规律从映射图中提取球面,过原点的直径与球面的交点即为强散射中心。GTD散射模型回波数据和暗室测量数据分别验证了这两种方法的有效性。最后,对两种方法的特点和性能进行了比较,同信噪比下,球面拟合法优于解方程法约15dB。

结合改进半径滤波和局部平面拟合的点云去噪算法

点云去噪是保证三维点云质量的一个重要环节,现有的去噪方法在去除噪声点时,极易去除目标点云,并且这个误差随着噪声识别精度的提高而增大。为解决这一问题,提出一种结合改进半径滤波和局部平面拟合的点云去噪算法。为了准确地去除噪声点,根据噪声点与目标点云的欧氏距离,将噪声点划分为远噪声点和近噪声点,先后利用不同的去噪策略进行处理。首先,基于点云的密度特征采用改进的半径滤波去除远噪声点。然后,利用点云与局部拟合平面的偏差这一几何特征,去除靠近目标点云和附着在目标点云表面的近噪声点。最后,在公共的点云数据集上进行实验,并对所提方法与其他3种先进方法进行了比较。实验结果表明,在相同的噪声水平下,所提方法的多数指标都优于其他3种对比方法,在达到更高的噪声识别精度的同时,有效地提高了目标点云识别精度,去噪精度达95.9%。

基于残差分布定权的M估计球形点云拟合方法

针对传统最小二乘法拟合球形目标抗差能力弱的问题,提出了基于统计滤波的M估计球形目标点云拟合方法。首先引入统计滤波剔除空间分布稀疏且不均匀的噪声点,结合最小二乘算法建立M估计球形目标拟合模型;然后根据球形目标扫描点云及其误差分布特征,设计了与待求参数相互依赖的权函数,提高剔除目标点云中系统性误差和粗差能力。最后结合等距离间隔条件下扫描球形目标实验数据,分别采用本文方法、最小中值方差一致性估计算法(Least Median of Squares,LMedS)以及最小二乘算法进行拟合处理与结果分析。结果表明,提出的基于残差分布定权的M估计球形目标点云拟合方法得到的球形目标误差较LMedS算法减小21.1%,较最小二乘拟合算法减小48.1%,本文方法具有更好的抗差能力。

盾构隧道激光点云分管片拟合模型研究

为准确、直观、合理描述隧道断面,既而精准计算任意方位的径向值,分析盾构隧道中隧道收敛值、长短轴、椭圆度和环内错台及其变化等,从而完整、准确地评定隧道形状变形。基于三维激光扫描技术获取的隧道断面真实原始点云数据,结合盾构隧道管片由多个独立的管片拼接而成的特点,提出两种盾构隧道管片拟合模型:旋转平移法模型和圆弧法模型。通过两种模型计算各管片测点到管片垂直距离的均方根,并绘制分析若干管片的垂直距离分布图,结果表明:圆弧法拟合的精度更好,但圆心角较小的管片,存在无法收敛到全局解的情况;旋转平移法精度低于圆弧法,但管片圆心角对算法的收敛影响较小。因此,在工程应用中应将圆弧法和旋转平移法结合可以提高任意方位径向值的精度。

曲面三维形貌测量的研究

本文介绍了一种用于曲面形貌测量的计算机辅助方法，其实质在于以平面作为测量基准，采用数据处理方法(最小二乘拟合法和数字滤波法)去除曲面形状部分的影响。试验表明，这是获得图象信息和数据分析评定的良好方法。文中给出了钢球测量的实例并讨论了这种方法的适用范围。

基于激光点云的隧道中心线自动提取算法

目的提出一种基于三维激光点云数据的隧道中心线自动提取方法,解决地铁盾构隧道中心线提取困难、精度低的问题.方法利用共有点坐标换算完成扫描仪坐标系和隧道工程坐标系的统一;截取一定厚度的隧道平面切片,并对切片点云去噪、滤波、投影,得到断面点云;通过改进的最小二乘椭圆拟合法,无需对所有断面点云拟合即可解算出精确的椭圆方程和该断面的中心点,利用二次样条曲线插值得出隧道中心线.结果通过对FARO FOCUS 3D X330获取的地铁隧道点云数据进行实验,笔者提出的方法能快速拟合出隧道断面,自动提取隧道中心线误差小于2.01 mm.结论该算法解决了以往隧道中心线提取方法速度缓慢且精度较差的缺陷,能对隧道施工以及隧道变形检测提供指导和借鉴.

地面三维激光扫描仪在桥墩垂直度测量中的应用

桥墩垂直度是影响桥梁安全的一个重要部分。现有全站仪测量垂直度的方法作业效率低、作业环境危险;且对高桥墩、大仰角垂直度测量较困难。提出将地面三维激光扫描仪应用在圆柱形桥墩垂直度测量中,利用分层切片拟合桥墩中心线的方法,计算桥墩垂直度。采用的分层切片拟合法较整体拟合方法建模精度高,更能准确测量桥墩垂直度;同时该方法对不同形状的桥墩同样适用。实验结果表明,这种方法与全站仪测得的垂直度相比在误差范围以内,该方法在桥墩垂直度测量中具有一定可行性。

基于点云特征提取的薄壁文物碎片配对研究

针对考古发掘现场堆积在一起的陶瓷碎片难以修复拼接,以及薄壁碎片断裂面特征难以提取的问题,提出了一种综合碎片点云多种特征提取与粗糙集模型进行约简分类的方法。该方法先采用最小半径移动球和三维中心滤波圆弧拟合的方法,分别获取碎片边缘和内部几何特征,再结合颜色纹理及材质等特征要素,通过决策表约简分类为文物碎片重建匹配提供条件。与现有依赖对象单一特征的配对方法不同,本方法在碎片存在磨损甚至缺失等情形下,能将混杂在一起的隶属于多器物薄壁文物碎片进行有效分类配对。

一种RANSAC多模型拟合的隧道点云滤波算法

针对目前大多数点云滤波方法的不足,提出基于随机抽样一致(random sample consensus, RANSAC)多模型拟合的隧道点云滤波算法。与单模型拟合滤波方法不同,该算法在每个隧道横断面上使用多个圆模型进行分段拟合,多个模型具有不同的模型参数,将远离所拟合的各圆模型的点作为噪声点进行剔除。实验结果表明,相较于单模型拟合滤波方法,所提出的多模型法具有更低的一类误差和相近的二类误差,对隧道三维激光点云的滤波效果更好。

小角度球面拟合误差分析与中心定位策略研究

研制了白光共焦三维表面轮廓测试仪,用以测量球面透镜面型参数,获得球形试样小角度点云数据,通过球面拟合的方法求解球体半径。小角度球面点云的拟合精度受误差影响很大,为此使用线性最小二乘法求得球心、半径初始值,并使用基于Levenberg-Marquardt的非线性最小二乘法求解最优解。讨论了点云误差、采样区域大小、采样密度对拟合精度的影响。使用稳健高斯回归滤波滤除误差。讨论了随机误差不确定度与拟合半径不确定度误差传递函数。为了同时兼顾透镜中心厚度测量时的效率和精度,提出了一种首先通过正交扫描粗略快速确定球面中心区域,然后通过轮廓扫描精确定位球面球心位置的扫描策略。通过蒙特卡洛仿真和实验,验证了扫描策略及后处理方法的可靠性和有效性。

分区间曲线拟合的干涉条纹中心点提取方法

提出一种分区间曲线拟合方法来准确获取干涉条纹的中心点。该方法根据干涉条纹图灰度值分布规律,首先对干涉条纹R值图进行高斯低通滤波,在保留原始条纹信息的基础上去除噪声;然后,在滤波后的图像中选取法线方向的一列像素值,得出灰度分布曲线;最后,截取邻近峰值的一段图像,对增、减两个区间进行分段曲线拟合,求得两段曲线拟合函数的交点即为干涉条纹中心。实验证明,该方法具有较好的曲线拟合效果,其速度相对于Steger算法提高了近10倍。该算法能有效地根据干涉条纹灰度分布规律得到干涉条纹中心点,具有运算简便、精度高、抗干扰的特点。