点云数据及其点云三维重建.pdf-资料库

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分类号：——UDC：——工学硕士学位论文密级：——编号：——基于离散点云的三维重建研究与实现硕士研究生：张涛指导教师：叶秀芬教授学位级别：工学硕士学科、专业：控制理论与控制工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2009年12月论文答辩日期：2010年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学

--▲★二，～f，一^～。ClassifiedIndex：U．D．C：lIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlY1808406ADissertationfortheDegreeofM．EngResearchandRealizationofThreedimensionalReconstructionBasedlhree-dlmenslonC[10naseonDiscretePointCloudDataCandidate：ZhangTaoSupervisor：ProfessorYeXiufenAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlTheoryandControlEngineeringDateofSubmission：December，2009DateofOralExamination：March，2010University：HarbinEngineeringUniversity

哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由‘。作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在^文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。．作者(签字)：雅溯日期：加fp年乡月X日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文(曰在授予学位后即可口在授予学位12个月后口解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(-签-7--)：强诱导师(签字)：Ⅳ#毵旁日期：砂fo年-5月葛日20lo年了月g曰

／一’l-，．、q‘-哈尔滨工程大学硕士学位论文目录第1章绪论………………………………………………………………………l1．1课题研究的背景与研究意义……………………………………………··11．2三维重建系统的国内外研究现状………………………………………··21．3本文基于离散点云的三维重建的流程…………………………………“41．4论文的主要工作和论文的组织结构……………………………………··5第2章基于点云的数据预处理与显示…………………………………………72．1常见的基于点云的数据处理方法总结……………………………………72．2基于点云的数据处理与三维重建的软件开发环境……………………··82．2．1三维图形开发平台的选择…………………………………………··82．2．2基于DirectX软件开发环境的接口的创建…………………………92．3点云的三维空间坐标变换方法研究……………………………………102．3．1点云的平移变换……………………………………………………112．3．2点云的缩放变换……………………………………………………142．3．3点云的旋转变换……………………………………………………·152．4基于VC+DirectX软件平台的点云显示………………………………182．4．1三维点云数据装载…………………………………………………182．4．2三维点云的显示及分析……………………………………………2l2．5本章小结……………………………………………………………………23第3章基于复杂点云的空间三角化与三维剪裁……………………………．．253．1引言………………………………………………………………………253．2点云的三角化……………………………………………………………253．2。1Voronoi图的确定……………………………………………………263．2．2Delaunay三角化……………………………………………………·273．3三角化算法的优化设计…………………………………………………283．3．1Delaunay三角化的算法设计………………………………………·283．3．2三角化数据的存储结构的实现……………………………………343．3．3算法实现注意的几个问题…………………………………………35

哈尔滨工程大学硕士学位论文3．4三维剪裁…………………………………………………………………·353．4．1剪裁和透视投影……………………………………………………353．4．2视口变换和像素的显示……………………………………………423．5本章小结…………………………………………………………………·44第4章基于网格的渲染技术…………………………………………………．．464．1引言………………………………………………………………………·464．2材质和光照处理…………………………………………………………·464．2．1颜色结构体的确定…………………………………………………464．2．2光源设置的选择……………………………………………………474．2．3材质设置……………………………………………………………484．2．4顶点的法向量的计算………………………………………………·484．3纹理映射…………………………………………………………………494．3．1顶点纹理坐标的确定………………………”『：o0494．3．2纹理对象的创建……………………………………………………504．3．3纹理过滤技术的选取………………………………………………·514．3．4纹理地址模式的应用………………………………………………524．4基于三角化网格渲染的实验结果………………………………………·564．4本章小结…………………………………………………………………58第5章三维重建系统平台的建立……………………………………………．．595．1三维复杂点云的数据格式的确定与存储………………………………·595．2三维网格数据文件基本格式的确定……………………………………615．2．1模板的概述…………………………………………………………615．2．2三维网格数据文件的场景主框架建立……………………………625．2．3主框架下的子框架建立……………………………………………635-3三维网格数据文件的数据加载…………………………………………·645．4网格数据的处理…………………………………………………………655．5网格数据的优化…………………………………………………………665．6基于复杂点云的三维重建结果及分析…………………………………685．7本章小结…………………………………………………………………71结论…………………………………………………………………………72

／^●●o哈尔滨丁程大学硕士学位论文jm；i；i；高ii；；；；；；；；；；；i；；—i——————————————IiI；i；；；i；；；；iiii；i；；；；；ii宣参考文献…………………………………………………………………………74攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果……………………………79致谢…………………………………………………………………………80

哈尔滨工程大学硕+学位论文摘要随着深度摄像、激光测距、CT、MIR等三维测量和信息获取技术的发展，包含被测物体表面的离散数据获取成为可能。因此，基于离散数据的三维重建成为了人工智能领域研究的重点，其应用领域十分广泛。离散数据常以点云的形式出现。传统的基于点云的三维重建方法都是根据物体表面所具有的某种特征而设计的，通常都具有一定的局限性。因此，本文主要研究基于简单点云与复杂点云的通用的三维重建方法。论文首先对三维点云数据在VC+DirectX平台下进行数据预处理，并将简单点云直接在平台上显示，从而实现了基于简单点云的三维重建。然后，对基于复杂点云的空间三角化与三维剪裁进行研究，提出一种复杂点云的改进的三角化算法，弥补传统算法中当点集存在非凸部分或内环时三角剖分容易出错的不足，也避免出现两三角片“共圆"现象而导致只删除其中的一个三角片导致三角化结果出错的缺陷，使得处理后的空间网格反映出物体表面离散点间的拓扑连接关系，从而有效地揭示离散点云所表现的重建物体表面的形状，这也是三维重建的关键步骤。另外，为了重建出更加逼真的物体，还进一步使用基于网格的渲染技术，即对空间三角网格增加光照和材质处理以及纹理映射，大大提高了渲染速度，改善了渲染效果。最后，综合以上几个步骤搭建三维系统平台，提出一种基于复杂点云三维重建的数据格式。同时，基于此开发平台提出一种用于存储三维重建数据的框架结构，利用这种结构创建三维网格数据文件，从而在平台上加载该文件完成三维重建。本文针对两种不同的点云分别进行了三维重建实验。实验结果表明，本文所提出的三维重建方法适合重建现实世界中的大部分物体，与传统的三维重建方法比起来更具有普遍性，实现简单、成本消耗低、重建精度高，具有较强的实用性。关键词：离散点云；数据预处理；三角化：纹理映射；三维重建

，Withthedevelopmentofdepthcamera，laserranging，CT,MIRandothersofthree．dimensionalmeasurementsandinformationacquiringtechnology,itispossibletoincludemuchinformationaboutdiscretedataofmeasuredobjectsurface．Therefore，three．dimensionalreconstructionbasedondiscretedatahasbecomethefocusofresearchinthefieldofartificialintelligenceandithaswiderangeofapplications．Discretedataoftenappearsintheformofpointcloud．Thetraditionalthree．dimensionalreconstructionmethodsarebasedontheobjectsurfaceofcertaincharacteristicswhichhavebeendesigned，thoseusuallyhavesomelimitations．So．thisthesisdiscussesthree—dimensionalreconstructioncon2monmethodsbasedonsimplepointcloudandcomplexpointcloud．First，thisthesispreprocessesdataofthreedimensionalpointcloudanddisplaysdirectlysimplepointcloudintheVC+DirectXplatform，thusachievesthree．dimensionalreconstructionbasedonsimplepointcloud．Thenthisthesisresearchestriangulationandthree—dimensionalcutinthespacebasedoncomplexpointcloud．Animprovedtriangulationalgorithmtocomplementthedrawbacksoftraditionalalgorithmisproposedwhenthereisanon—convexsetofpoints，orinnerrings，theprobabilityoftriangulationiseasytocauseerrors，aswellastoavoidaphenomenonofthetwotriangularpieceswith”totalcircle”，causedbyjuStdeletingtheoneofthem，andthenreflectsthetopologicalconnectionsamongdiscretepointsofobjectsurface．Theproposedapproachrevealseffectivelysurfaceoftheshapewithdiscretedata．Inaddition，torebuildavividobject，thisthesisalsodiscussestherenderingtechnologybasedonthegrid，namely,toaddlightingandmaterialsprocessing，andtexturemappingtotriangularmesh，whichcanimprovetherenderingspeedandrenderingeffectsgreatly．Finally,afterthecombinationoftheabovesteps，thisthesisestablishesa

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