【導(dǎo)讀】碩士學(xué)位期間獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。論文中除已注明部分外不包含。中說(shuō)明并致以謝意。本人所呈交的碩士學(xué)位論文沒(méi)有違反學(xué)術(shù)道德和學(xué)術(shù)規(guī)范，沒(méi)有侵權(quán)行為，并愿意承擔(dān)由此而產(chǎn)生的法律責(zé)任和法律后果。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是繼GPS全球定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測(cè)繪領(lǐng)域全新技。不受時(shí)間與空間影響，能全天候工作。與傳統(tǒng)接觸式測(cè)量相比，他可以在不接觸物體的情。文物藝術(shù)品保護(hù)、模式識(shí)別、數(shù)字娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域體現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。在ICP算法中如果初始位姿選擇不準(zhǔn)確，ICP算法很有可能陷入局部收斂，而不是。所以本文在給出初始位姿的基礎(chǔ)上，提出基于間接平差的ICP算法，這樣不但?？梢员Ｕ螴CP算法全局收斂，而且可以減少算法耗時(shí)，提高算法效率，優(yōu)化傳統(tǒng)ICP算法。目前基于離散點(diǎn)云的三維表面重建，對(duì)于以上論述的方法，本文以化石林中化石為掃描對(duì)像，對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果證明，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)以及三維模型的構(gòu)造方面取得一定成果。

　　

【正文】 67。 研究方法與技術(shù)路線 點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維重建流程 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維模型重建的一般流程為 [13]數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，模型構(gòu)建，紋理映射四個(gè)階段。其中，數(shù)據(jù)獲取后要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)還包括數(shù)據(jù)融合處理，最終的目 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文 13 的是使獲取的三維激光掃描數(shù)據(jù)滿足三維模型重建需要。 1. 數(shù)據(jù)獲取階段： 這一過(guò)程主要是使用三維激光掃描儀獲取的三維數(shù)據(jù)。為了采集到高質(zhì)量完整的三維模型數(shù)據(jù)，我們要解決如下問(wèn)題：掃描場(chǎng)景的踏勘、掃描站點(diǎn)的布設(shè)、掃描分辨率的選取、掃描距離與掃描角 度的選擇等等。 2. 數(shù)據(jù)處理階段： 包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)又稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，配準(zhǔn)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中的重要工作之一，為得到掃描場(chǎng)景完整三維信息，需要從不同視角掃描場(chǎng)景數(shù)據(jù)是不可避免的，每站掃描獲取的數(shù)據(jù)都有自己獨(dú)立的工程坐標(biāo)系，為了將獨(dú)立的工程坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到同一個(gè)坐標(biāo)系下，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)；由于配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)有冗余、分層等，需進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。 3. 表面模型重建階段： 由激光掃描采集的數(shù)據(jù)都是離散的三維點(diǎn)（離散點(diǎn)云），與物體的實(shí)際表面有差距。所以，對(duì)點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)模型逼近實(shí)物 是常用的表面模型重建方法。 4. 紋理映射階段： 經(jīng)過(guò)前述幾個(gè)數(shù)據(jù)處理階段得到精確場(chǎng)景三維模型，但為了體現(xiàn)模型表面的特征及屬性并滿足模型可視化要求，需要使用事先獲取的物體表面彩色照片對(duì)模型進(jìn)行紋理映射。 因此，基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維重建技術(shù)一般流程如下： 圖 29 三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維表面模型重建流程 技術(shù)路線 針對(duì)本文的研究?jī)?nèi)容，擬采用如圖 210 所示的技術(shù)路線： 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù) 網(wǎng)格模型 紋理模型 紋理映射 數(shù)據(jù)獲取 數(shù)據(jù)處理 處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù) 表面重建 14 于明旭 基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維模型重建技術(shù)研究 2020. 5 圖 210 技術(shù)路線 獲取三維數(shù)據(jù) 點(diǎn) 云 模 型 三 維 模 型 紋 理 圖 像 真三維模型 畸變校正 原始點(diǎn)云 數(shù)據(jù) 濾 波 補(bǔ) 洞 紋 理 映 射 配 準(zhǔn) 刪 除 融 合 構(gòu)建三角網(wǎng) 原始紋理圖像 創(chuàng)建曲面 擬合曲面 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文 15 第三章 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理 167。 介紹 為什么要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理？是因?yàn)槔萌S激光掃描儀采集的原始數(shù)據(jù)存在不連續(xù)性，存在不完整性，含有噪聲。不連續(xù)性指數(shù)據(jù)含有錯(cuò)誤的編碼或點(diǎn)名，不完整性指缺少某些屬性特征值，含有噪聲指包含錯(cuò)誤或孤立點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理在數(shù)據(jù)處理流程中是必不可少的一步，數(shù)據(jù)預(yù)處理是原始數(shù)據(jù)上進(jìn)行深加工，包括數(shù)據(jù)的一致性、完整性及噪聲數(shù)據(jù)檢核。數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)合并和數(shù)據(jù)歸約是數(shù)據(jù)預(yù)處理常用的方法。 獲取實(shí)體掃 描數(shù)據(jù)由于自身遮擋和外界遮擋，一般情況下掃描數(shù)據(jù)是不一致、不完整并且含噪聲，所以數(shù)據(jù)清理是數(shù)據(jù)預(yù)處理階段不可或缺的一步。填充空缺值、識(shí)別或移除孤立點(diǎn)、平滑噪聲和解決數(shù)據(jù)之間不一致性是數(shù)據(jù)清理的目的。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是將不同來(lái)源或不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到特定的可用的范圍內(nèi)?，F(xiàn)階段，不同數(shù)據(jù)源常常結(jié)合在一起使用，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化顯得尤為重要。數(shù)據(jù)合并指將轉(zhuǎn)換后不同源數(shù)據(jù)集合在一起，為數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用做鋪墊。數(shù)據(jù)歸約是在不影響數(shù)據(jù)的一致性和完整性的基礎(chǔ)上，對(duì)相同或相似空間屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析合并，也包括對(duì)數(shù)據(jù)的離散化，數(shù)據(jù)的離散化對(duì)于 大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)而言是非常重要的，同時(shí)也可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降階、降維，以達(dá)到減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的目的，為提高數(shù)據(jù)的后處理速度提供條件。數(shù)據(jù)預(yù)處理示意圖如圖 31 所示，其中 31（ a）為數(shù)據(jù)清理為， 31（ b）為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， 31（ c）為數(shù)據(jù)合并， 31（ d）為數(shù)據(jù)歸約。 使用三維激光掃描儀采集三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)也存在上述的一系列問(wèn)題，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、三維模型重建等方面的應(yīng)用更具有實(shí)效性。 原始數(shù)據(jù) （ a） 清理后數(shù)據(jù) ?????????????????4859100322 ?????????????????1 原始數(shù)據(jù) （ b） 轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù) 16 于明旭 基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維模型重建技術(shù)研究 2020. 5 原始數(shù)據(jù) （ c） 合并后數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù) （ d） 歸約后數(shù)據(jù) 圖 31 數(shù)據(jù)預(yù)處理示意圖 167。 點(diǎn)云預(yù)處理 三維變換是點(diǎn)云預(yù)處理中最基本的方法，通常對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn) 、縮放、平移、濾波、平滑和分割與邊緣檢測(cè)等相應(yīng)處理，這與圖像變換處理本質(zhì)相同。下面介紹三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間變換過(guò)程。 在二維平面變換方法的基礎(chǔ)上，如果將 Z 坐標(biāo)軸考慮到變換中，這就是三維幾何空間變換。由數(shù)學(xué)知識(shí)我們知道三維點(diǎn)云變換中的平移與縮放原理相似且比較簡(jiǎn)單。在給定的三維空間坐標(biāo)系中通過(guò)平移矢量可以使點(diǎn)云數(shù)據(jù)沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向平移，通過(guò)縮放因子可以改變點(diǎn)云數(shù)據(jù)在相應(yīng)坐標(biāo)系中的三維顯示比例。對(duì)于三維空間坐標(biāo)系中的旋轉(zhuǎn)，并不是在二維平面旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的擴(kuò)展。 在二維平面坐標(biāo)系中，旋轉(zhuǎn)僅僅考慮沿著相應(yīng)坐標(biāo)系的兩個(gè)平面軸系旋轉(zhuǎn)。在三維空間坐標(biāo)系中，情況大不相同，可以圍繞任意軸向旋轉(zhuǎn)，因此，可以將三維空間旋轉(zhuǎn)看做是二維平面旋轉(zhuǎn)的復(fù)合，也可認(rèn)為是按指定空間坐標(biāo)系軸向任意次序的旋轉(zhuǎn)變換矩陣合并在一起建立的旋轉(zhuǎn)總矩陣。 在二維平面坐標(biāo)系中，齊次矩陣可用 3? 3 變換矩陣來(lái)表示二維平面幾何變換，可知，在三維空間齊次坐標(biāo)系中用 4? 4 變換矩陣來(lái)表示三維幾何變換。（ x， y， z）是三維空間點(diǎn)，（ xw， yw， zw， w）是三維空間點(diǎn)（ x， y， z）在齊次坐標(biāo)系下的坐標(biāo)， w R? 且 w? 0， xw=xw，yw=yw， zw=zw，通常，我們 令 w=1，則（ x， y， z）的齊次坐標(biāo)是（ xw， yw， zw， 1）。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文 17 變換矩陣 假設(shè)三維空間圖像上的點(diǎn)（ x， y， z）在經(jīng)過(guò)幾何變換后產(chǎn)生了定義在新坐標(biāo)系下的圖像上的點(diǎn) (x/， y/， z/)，這個(gè)變換可以表示為：（ x， y， z） =T3D(x/， y/， z/)。其中： T3D=????????????smmmptttpttpttt321333323122322211131211，從功能上可將 T3D 劃分為幾個(gè)不同的三維基本變化矩陣模塊，其中??????????333231232221131211ttttttttt 表示變換矩陣的旋轉(zhuǎn)、比例、或者剪切一些基本的變換功能，? ?321 mmm 表示變換矩陣中的平移功能，??????????321ppp 控制投影變換， [s]控制全局比例變換。 平移 為了使點(diǎn)云在屏幕的最佳位置顯示或找到有利于觀察點(diǎn)云的視點(diǎn)或者在屏幕上顯示沒(méi)顯示出的點(diǎn)云，我們需要平移點(diǎn)云，平移點(diǎn)云的目的是 使點(diǎn)云達(dá)到最佳的顯示效果。平移點(diǎn)云是平移三維圖像變換的應(yīng)用，假設(shè)三維空間圖像上的任意點(diǎn) q（ x， y， z）經(jīng)過(guò)平移后得到 q/（ x/， y/， z/），可做如下表示： （ x/ y/ z/ 1） =（ x y z 1） ???????????????1010000100001zyx mmm (31) 其中，沿 x、 y、 z 坐標(biāo)軸方向移動(dòng)的距離分別用 mx、 my、 mz 表示，對(duì)矩陣進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，可得到以下三個(gè)方程： ???????????zyxmzzmyymxx/// （ 32） 在三維空間中，平移物體的實(shí)質(zhì)是平移物體的三維空間采樣點(diǎn)。對(duì)于點(diǎn)云而言，通過(guò)平移點(diǎn)云中的每一個(gè)點(diǎn)，平移后，在新位置繪制該點(diǎn)云。 18 于明旭 基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維模型重建技術(shù)研究 2020. 5 旋轉(zhuǎn) 為了從不同的視角觀察點(diǎn)云的形狀、密度，更好 地 顯示點(diǎn)云數(shù)據(jù)不同的局部表面特征，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)有整體的把握，可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)施旋轉(zhuǎn)變換。三維空間的旋轉(zhuǎn)相比二維平面復(fù)雜得多，二維旋轉(zhuǎn)是在平面上進(jìn)行的，三維空間旋轉(zhuǎn)則不同，可以圍繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，也可能以空間中的某條直線為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，無(wú) 論那種旋轉(zhuǎn)方式，原理相同。相對(duì)而言，相對(duì)原點(diǎn)繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)是最簡(jiǎn)單的，其他形式的旋轉(zhuǎn)可以由這種方式復(fù)合表示。繞某坐標(biāo)軸的逆向旋轉(zhuǎn)角為正，反之為負(fù)。旋轉(zhuǎn)前的點(diǎn)云坐標(biāo)為 （ x， y， z），其齊次形式為（ x， y， z， 1） 。 變換后的點(diǎn)云坐標(biāo)為 （ x/， y/， z/），其齊次形式為（ x/， y/， z/， 1） 這里首先介紹右手坐標(biāo)系下相對(duì)坐標(biāo) zyx , 坐標(biāo)軸分別旋轉(zhuǎn) ??? , 角的變換： 繞 X 軸旋轉(zhuǎn) ? 角度，繞 X 軸旋轉(zhuǎn)矩 陣為 )(?xR ，如 式（ 33）所示： ?????????????????c o ss in0s inc o s0001)(xR （ 33） 變換后的點(diǎn)云坐標(biāo) 如 式（ 35）所示： （ x/ y/ z/ 1） =（ x y z 1）?????????????10000c oss in00s inc os00001???? =（ x ycos? zsin ? ysin? +zcos? 1） （ 34） 繞 Y 軸旋轉(zhuǎn) ? 角度：繞 Y 軸旋轉(zhuǎn)矩陣為 )(?yR ，如 式（ 35）所示： ?????????? ???????c o s0s in010s in0c o s)(yR （ 35） 變換后的點(diǎn)云坐標(biāo) 如 式（ 36）所示： （ x/ y/ z/ 1） =（ x y z 1）???????????? ?10000c os0s in00100s in0c os???? =（ x ycos? zsin? ysin? +zcos? 1） （ 36） 繞 Z 軸旋轉(zhuǎn) ? 角度：繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)矩陣為 )(?zR ，如 式（ 37）所示： 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文 19 ????????????1000c o ss in0s inc o s)( ?????zR （ 37） 變換后的點(diǎn)云坐標(biāo) 如 式（ 38）所示： （ x/ y/ z/ 1） =（ x y z 1）?????????????1000010000c oss in00s inc os???? =（ x ycos? zsin? ysin? +zcos? 1） （ 38） 由繞 zyx , 軸旋轉(zhuǎn)的總矩陣為 ),( ???R = )(?xR )(?yR )(?zR 可得 ?????????? ???????