基于改进的ICP算法的点云配准技术-仪器科学与技术专业论文.docxVIP

目 录 第一章 绪论 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外发展现状 6 1.3 OpenGL(Open Graphics Library)三维图形库介绍 8 1.4 本文研究内容与结构 10 第二章 点云匹配算法 12 2.1 点云数据的分类 12 2.2 配准数学模型 13 2.3 粗略配准 14 2.4 精确配准 15 P 算法简介 15 P 算法的改进 16 HYPERLINK \l "_TOC_250000" 第三章 基于改进的 ICP 算法的点云配准和误差评估 19 3.1 点云初始粗略配准 19 3.2 基于 ICP 算法的点云精确配准 21 3.2.1 四元数法 21 3.2.2 SVD 算法 23 3.3 改进的 ICP 算法 24 3.3.1 基于 k-D tree 的最近邻域搜索法 24 3.3.2 欧式距离阈值 25 3.3.3 方向向量阈值 26 3.3.4 改进的 ICP 算法 27 3.4 误差评估 29 3.4.1 误差求取的原理 31 3.4.2 误差显示方案 32 3.4.3 误差求取与显示的步骤 33 第四章 实验结果及讨论 34 4.1 引言 34 4.2 实验及结果分析 34 4.2.1 本文算法对于空间规则曲面的配准结果及结果 35 4.2.2 实验组一结果分析 41 4.2.3 本文算法对于散乱点云曲面的配准及结果 41 4.2.4 实验组二结果分析 43 4.2.5 本文算法对于不同密度散乱点云曲面的配准及结果 43 4.2.6 实验组三结果分析 45 4.2.7 本文算法对于非子集关系散乱点云曲面的配准及结果 45 4.2.8 实验组四结果分析 46 4.3 实验结果总结 46 第五章 总结与展望 49 5.1 本文总结 49 5.2 存在问题和今后的研究方向 49 参考文献 51 发表论文和参加科研情况说明 58 致 谢 59 第一章 第一章 绪论 PAGE PAGE 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 逆向工程技术是相对于一般产品开发中由设计模型到实物产品的正向生产 过程而言的。顾名思义，此技术与正向工程相反，是指通过扫描实物产品、处理 扫描数据、三维造型、格式转换、最后导出结果，将原型实物产品型面数据化为 模型的一项技术。 在常见的三维物体几何特征测量中，根据测量系统是否接触被测物表面分为 接触式测量和非接触式测量两大类，同时根据测量时是否对被测物有所破坏，分 为破坏性测量和无损测量[1]。如图 1-1 所示： 数据提取方法 无损测量 破坏性测量 接触式 非接触式 探针测量 光 声 磁 ICT 断层扫描 外轮廓测量 内外结构测量 图 1-1 三维数据的获取方式 接触式测量：通常接触式测量使用探针来采集接触到的物体表面的一定区 域。一般使用触发式探针、硬式探针和模拟探针等几种；硬式探针主要用于早期 测量中，经由手工操作以及人的感觉来判断采点是否完成，因其成本较低，如今 也有所使用，但测量精度偏低，自动化程度也不够高；触发式测头使用电子开关 结构，当探针接触被测物表面时开关通断发出一个触发信号，传感器便可据此采 集接触点坐标，可靠性和重复性都较硬式探针有较大提高，是如今最常用的三坐 标测量机测头。 非接触式测量：一般使用激光扫描系统或 CT(Electronic Computer X-ray Tomography Technique)扫描。由其测量原理分为基于投射衰减原理和基于反射原 理两种。例如 CT(断层扫描)就是基于投射衰减的测量系统，利用穿透被测物的 不同深度的平行截面的衰减率不同获取截面的二维图像，通过组合所有二维图像 获得最终的三维图像；基于反射原理的测量系统主要是使用电磁波、声纳和光的 反射来获取被测物的立体图像。其中激光扫描仪因其高精度和高效率以及可靠 性，在科研和商业中获得广泛应用。 激光扫描仪 图 1-2 非接触式和接触式测量设备 随着各领域对三维图形技术的需求加大和三维图形技术的不断进步，在物体 三维数据的获取方面，近几十年来获得飞速发展。多种三维数据采集处理系统被 各商业公司和研究机构开发出来，如出自柯尼卡美年达公司的 Vivid 系列扫描仪， Cyberware 公司、Creaform 公司和 MentorGraghics 公司在三维图形处理方面也具 有较高知名度。相对于商业公司，各大研究机构也取得了一系列研究成果，比如 著名的斯坦福大学对米开朗基罗作品的数字化研究[2]、普林斯顿大学、加州理工 大学和麻省理工大学的人工智能实验室也对此有较多研究。国内方面，北京大学 视觉与听觉重点实验室、天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室、华中科 技大学、山