面向光柵投影的點(diǎn)云預(yù)處理與曲面重構(gòu)技術(shù)研究.pdf

1、面向光柵投影的點(diǎn)云預(yù)處理與曲面重構(gòu)是以光柵掃描作為測(cè)量手段,以實(shí)物、樣件等作為研究對(duì)象,對(duì)三維數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面重構(gòu)、快速制造等內(nèi)容進(jìn)行研究。該研究是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)和制造的重要技術(shù)之一,在汽車、摩托車、飛機(jī)、家電、模具、工藝品、服裝與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的原型與創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 研究了光柵投影位相測(cè)量的相關(guān)理論。分析了光柵投影三維測(cè)量的相位調(diào)制原理,建立了物體高度與光柵相位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。比較了一維傅里葉

2、變換和二維傅里葉變換相位解調(diào)效果,結(jié)果表明二維傅里葉變換能更精確反映物體表面任何方向上的變化。分析了相移法相位解調(diào)的原理,采用四步相移法求解光柵相位,并建立了變形光柵相位的求解公式。研究了包裹相位產(chǎn)生的因?yàn)橐约皩?duì)三維面型測(cè)量的影響,采用最小差分算法進(jìn)行相位去包裹處理,實(shí)現(xiàn)了真實(shí)相值相位連續(xù)。
　　 研究了點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理中的點(diǎn)云配準(zhǔn)與精簡(jiǎn)技術(shù)。在點(diǎn)云手動(dòng)拼接中,提出了繼承與優(yōu)化算法,經(jīng)過(guò)迭代25次可獲取配準(zhǔn)所需的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量

3、,實(shí)現(xiàn)了無(wú)序點(diǎn)云拼接,拼接誤差為0.10mm,相比最鄰近點(diǎn)迭代算法,具有拼接偏差小和迭代次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接中,通過(guò)Gauss-Markoff模型減小曲面間的歐氏距離平方和,采用最小二乘原理對(duì)重疊區(qū)域進(jìn)行匹配,實(shí)現(xiàn)了無(wú)需標(biāo)志點(diǎn)的點(diǎn)云自動(dòng)拼接。在點(diǎn)云精簡(jiǎn)技術(shù)中,根據(jù)物體形貌及點(diǎn)云曲率采用不同的網(wǎng)格尺寸,并通過(guò)中值濾波刪減冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù),既能繼承均勻網(wǎng)格法速度快且有效的優(yōu)點(diǎn),又能保留物體細(xì)節(jié)信息。
　　 研究了無(wú)序點(diǎn)云三角

4、剖分、四邊域剖分和NURBS曲面重建。采用基于法矢量夾角最小原則的三角形生長(zhǎng)法對(duì)空間離散點(diǎn)直接剖分,它首先根據(jù)閾值范圍規(guī)定擴(kuò)展邊的點(diǎn)集,然后尋找構(gòu)成三角形逆時(shí)針排列的第三點(diǎn),最后用局部?jī)?yōu)化準(zhǔn)則三角網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)三角形質(zhì)量計(jì)算四邊形變形因子進(jìn)行最大權(quán)匹配,實(shí)現(xiàn)了四邊域的劃分。通過(guò)對(duì)物體三維點(diǎn)云進(jìn)行三角剖分、曲率檢測(cè)、構(gòu)造輪廓線、四邊域剖分、建立UV參數(shù)線和曲面擬合,最終生成NURBS曲面。
　　 研究了曲面-點(diǎn)云誤差和曲面光順

5、特性及其影響因素,提出了提高曲面品質(zhì)的方法?？刂泣c(diǎn)數(shù)目影響最終的曲面重構(gòu)精度,對(duì)于百萬(wàn)點(diǎn)云數(shù)量,100個(gè)四邊域剖分區(qū)域,選用60-80個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行曲面擬合比較適宜。分析了曲面階次、節(jié)點(diǎn)數(shù)和光順系數(shù)對(duì)曲面-點(diǎn)云誤差的影響,對(duì)于6082個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù),采用曲面階次為4×4,節(jié)點(diǎn)數(shù)為5×5,光順系數(shù)為0.7000進(jìn)行擬合時(shí),曲面.點(diǎn)云最大偏差僅為0.0408mm。在滿足曲面-點(diǎn)云誤差情況下,采用減少冗余控制點(diǎn)以及動(dòng)態(tài)調(diào)整控制點(diǎn)空間位置的方法提高曲

6、面光順性。
　　 研究了人體面部三維數(shù)據(jù)檢測(cè)、曲面重建和快速成形加工。通過(guò)雙光柵三維掃描儀將正弦光柵投射到人體面部,將被面部調(diào)制的變形光柵轉(zhuǎn)換成兩片分立點(diǎn)云。點(diǎn)云經(jīng)自動(dòng)拼接處理后,采用三角剖分和曲面擬合生成三角面片。通過(guò)消除孔洞邊界雜亂三角形,并對(duì)面部孔洞進(jìn)行填充、消差和平滑處理獲得光滑封閉面片。經(jīng)過(guò)四邊形網(wǎng)格剖分和曲面擬合等處理,生成面部NURBS曲面。最終將逆向過(guò)程生成的STL文件導(dǎo)入到快速成形設(shè)備加工人體面部曲面,實(shí)現(xiàn)逆向