淺析三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程

王杏 王正偉 王丹

摘 要 隨著三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展，使得獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度和規(guī)模越來越大，從而提高了對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、編輯、預(yù)處理、特征的提取等相關(guān)技術(shù)的要求。但由于野外掃描環(huán)境的限制，使得獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免地會(huì)產(chǎn)生像樹木、車輛等的噪聲和冗余數(shù)據(jù)。所以在實(shí)際的研究過程中，需要先對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，才能得到我們工程擬研究的對(duì)象，繼而才可對(duì)它作進(jìn)一步的有限元分析。本文簡(jiǎn)要介紹三維激光掃描數(shù)據(jù)處理流程及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和拼接、去噪和精簡(jiǎn)、修復(fù)等預(yù)處理過程。

關(guān)鍵詞 三維 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 處理

中圖分類號(hào)：TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1三維激光掃描數(shù)據(jù)處理流程

三維激光掃描數(shù)據(jù)處理的主要過程包括：制定計(jì)劃、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理三部分。首先需要制定可行和詳細(xì)的工作計(jì)劃，做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。根據(jù)掃描對(duì)象和精度不同的要求，確定合適的掃描站點(diǎn)和路線，根據(jù)研究的對(duì)象和目的，選取合適的采樣密度、掃描儀距掃描實(shí)體的距離、設(shè)站數(shù)等等。外業(yè)數(shù)據(jù)采集的主要任務(wù)是采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)是否符合要求、進(jìn)行初步的質(zhì)量分析等幾個(gè)部分。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中是很關(guān)鍵的，也是工作量比較大的環(huán)節(jié)。主要包括顯示外業(yè)采集的原始數(shù)據(jù)、對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格化、配準(zhǔn)、去噪、壓縮、建模、圖形圖像處理等。

2外業(yè)數(shù)據(jù)采集

不同的專業(yè)領(lǐng)域可根據(jù)自己的需求，采用不同的三維數(shù)據(jù)獲取方法、掃描儀器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件和技術(shù)。例如在可視化地理信息系統(tǒng)中，獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法主要通過戶外測(cè)量、攝影測(cè)量或從地形圖中進(jìn)行采集;在醫(yī)學(xué)研究中，通過一系列的二維圖像獲取人體器官的三維點(diǎn)云模型，這些二維圖像主要有計(jì)算機(jī)斷層掃描CT、核磁共振MRT圖像等。本文研究主要是應(yīng)用于建立工程結(jié)構(gòu)有限元分析中的有限元模型，故選取戶外測(cè)量模式，儀器選用Optech公司ILRIS-3D儀器。

2.1掃描過程

本文研究的對(duì)象是位于貴州省貴陽市云巖區(qū)貴州師范大學(xué)寶山校區(qū)的毛主席像座基下的石墩。由于毛主席像旁邊都是建筑物，空地不是很大，所以按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，確定每站距離目標(biāo)物體的距離為25m左右，掃描分辨率確定為1/8（每360吧？000個(gè)點(diǎn)），掃描點(diǎn)距為10mm，共設(shè)三個(gè)站。其中，第一個(gè)站掃描了一次，第二個(gè)站和第三個(gè)站掃描了兩次，掃描對(duì)象和區(qū)域如圖1所示。

3內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程及結(jié)果

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成

將三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入PolyWorks軟件，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的原始模型。其中第一站的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示：

3.2點(diǎn)云去噪和粗簡(jiǎn)

戶外測(cè)量采集到的點(diǎn)云中往往會(huì)有樹木或錯(cuò)誤點(diǎn)，我們將它們統(tǒng)稱為噪聲點(diǎn)。這些噪聲點(diǎn)一般是由于設(shè)備標(biāo)定的參數(shù)或外界環(huán)境的改變?cè)斐傻模珊性肼暤狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)出來的模型可能會(huì)嚴(yán)重偏離實(shí)際物體，影響到檢測(cè)質(zhì)量，所以需要通過去噪及平滑濾波等方法進(jìn)行處理。對(duì)于規(guī)則的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通常可使用標(biāo)準(zhǔn)高斯算法、平均或中值濾波算法進(jìn)行處理，其中高斯濾波能較好的保持原數(shù)據(jù)的外形，中值濾波能較好的消除冗余數(shù)據(jù)。

在三維激光掃描的過程中，大量無關(guān)點(diǎn)也掃入其中，這大大增加了點(diǎn)的數(shù)量。為了減少數(shù)據(jù)的運(yùn)算量，利用PolyWorks軟件將毛主席像周邊的樹木、建筑物、電線等冗余噪聲去除，只留下目標(biāo)物體—毛主席像及其座基下石墩的掃描數(shù)據(jù)，得到相對(duì)較少的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。結(jié)果如圖3所示。

3.3點(diǎn)云配準(zhǔn)

由于受到掃描設(shè)備和環(huán)境的限制，往往不能一次掃描到完整的點(diǎn)云模型，總需要經(jīng)過多站測(cè)量，才能得到物體表面完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。所以掃描完畢之后，首先要做的就是對(duì)這些多站掃描得到的局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)和拼接。

點(diǎn)云配準(zhǔn)方法是將不同站點(diǎn)和方向測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，獲取整體的點(diǎn)云模型。通常情況下是通過一定的算法或者數(shù)學(xué)規(guī)律，選取多視點(diǎn)云之間公共部分的點(diǎn)，從而得到幾片點(diǎn)云自動(dòng)配準(zhǔn)的結(jié)果。現(xiàn)目前的配準(zhǔn)算法主要有迭代最近點(diǎn)算法（Iterative Closest Point，ICP）、基于曲面的配準(zhǔn)算法和基于集合的特征配準(zhǔn)算法。本節(jié)利用PolyWorks軟件將前面5次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（如圖4），進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與拼接，得到的結(jié)果如圖5所示。

3.4點(diǎn)云精簡(jiǎn)

當(dāng)經(jīng)過粗減后的點(diǎn)云數(shù)量還是十分巨大的時(shí)候，就有必要通過精簡(jiǎn)過濾來去除冗余點(diǎn)，這樣不但可以減小存儲(chǔ)空間，還可以降低后期處理點(diǎn)云的時(shí)間。點(diǎn)云精簡(jiǎn)的比例要在其誤差范圍內(nèi)，否則會(huì)丟掉特征信息，特別是尖角、棱線和曲率變化大的區(qū)域。當(dāng)點(diǎn)云類型為散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，可使用隨機(jī)采樣、均勻網(wǎng)格等方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的目的;而掃描線與多邊形點(diǎn)云數(shù)據(jù)則應(yīng)選用等間距縮減、倍率縮減等方法;網(wǎng)格點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)使用分布密度法與最小包圍區(qū)域法等方法進(jìn)行簡(jiǎn)化。

由于本文研究的是毛主席石像座基下的石墩，故還需進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)，將毛主席石像刪掉，刪掉之后的結(jié)果如圖6所示。

3.5修復(fù)模型

基本處理好的表面模型建立以后，由于掃描過程中，受到遮擋物的影響，致使模型的部分區(qū)域精度不高甚至缺失，需將精簡(jiǎn)后的模型修復(fù)完整。修復(fù)后的點(diǎn)云模型如圖7所示：

4結(jié)束語

本文介紹了三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)處理過程，主要包括制定計(jì)劃、外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，本文最終獲取的石墩點(diǎn)云模型是利用polyworks軟件直接進(jìn)行預(yù)處理，為下一步研究特征提取算法奠定了基礎(chǔ)，提供研究對(duì)象。

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