三维信息获取、处理与三维散乱点构型技术研究

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1、华中科技大学博士学位论文三维信息获取、处理与三维散乱点构型技术研究姓名：陈振羽申请学位级别：博士专业：模式识别与智能系统指导教师：李德华2001.1.1华中科技大学博士学位论文摘要随着科学技术的发展，在工业生产自动化、影视、国防和航空航天领域越来越多地应用了景物的三维信息。三维信息获取和三维物体表面重建已成为计算机视觉研究中的热门课题。本文围绕着三维信息获取、处理和三维物体表面重建问题，在以下几个方面进行了深入的研究：(1)接触式多关节三维扫描系统的设计与实现；(2)三维数据的压缩与平滑处理：(3)三维散乱点中的基元提取；(4)三维物体表面的三角划分；(5)三角形

2、网格的优化算法；(6)有遮挡的三维目标识别。仨维信息获取是计算机视觉研究中的关键问题之一，接触式获取方法由于原理简单、使用方便、成本低廉而受到人们的普遍青睐。我们综合应用角度传感器、电子测量、单片机及现代程序设计等技术设计并实现了一套“接触式多关节三维扫描系统”。本文详细地描述了该系统的硬件、软件设汁与研制以及测量原理，研究、分析了系统误差模型，提出了基于遗传算法的系统结构参数的定标方法。三维数据的压缩与平滑对其存储、传输以及在工程中应用有着十分重要的意义。目前，基于轮廓线的三维物体表面重建方法，由于有可利用的结构信息，已应用得相当普遍。实际上，许多物体表面上真正

3、意义上的散乱点也可以通过用一些方法组织成该物体的一组轮廓线。为此，本文对三维物体轮廓线上的数据的压缩和平滑进行了深入的研究。在分析了平面曲线压缩的SpIil：ting方法的基础上，通过对其修正，提出了～种用于空间轮廓线上数据压缩的自适应splining方法，这种方法在3DLCS系统的数据压缩中取得了很好的效果，它既保持了传统的Sp】ming算法具有的高压缩比的优点，叉保持了物体的某些细节；用结构光技术获取的三维物体表面轮廓线，由于物体表面反射特性不均匀、机械振动和量化误差等因素而有些畸变，为平滑这些影响，本文对小波变换作了比较详细的研究，分析了B．样条小波的空间频

4、率特性，利用小波分析具有的局部化特性和多尺度分析的特点以及B．样条函数所具有的分段光滑并在连接处有一定的光滑性的特性，提出了基于B：样条函数的空间轮廓线的平滑的小波分析方法。从一组散乱点中提取基元是基于模型的计算机视觉的一项重要任务。本文对Hough变换和基于“鲁棒”统计学的基元提取方法进行了分析、研究。基于最小子集概念，提出了从散乱数据中产生侯选基元的方法，提出了用遗传算法在候选基元中划分散乱数据，最终提取出基元。并为之殴计了染色体结构、适应值函数、交叉算子和变异算子，所提的方法能同时提取多个基元。目前常用的三维物体的表面重建方法大都需要一些附加信息，譬如，数据

5、的结构信息，重建物体的表面类别以及方向信息等，然而，在有些情况下，获取这些信息是比较困难的。用“接触式多关节三维扫描系统”采集到的物体表面上点的数据便是真正意义上的散乱数据，不含任何结构信息，这给描述带来了困难。为此，本文对密集散乱点的三角形网格描述进行了深入的研究，指出了局部近似切平面对构造三角形网格的意义，给出了≈邻近定义、求散乱点的后邻近快速算法和利用散乱点的々邻近计——————————————1——————————一——华中科技大学博士学位论文算该点局部近似切平面的方法：提出了基于局部近似切平面的三角形网格生成的Delall

6、1ay方法：将测点及其后邻近点

7、投影到局部近似切平面，在此切平面上用DelaⅢ1av方法对这些点进行三角化，通过将此过程沿业已生成的局部网格的边缘扩张．最终完成对整个物体表面上散乱点的三角化。在三角形网格优化方面，本文把优化目标定为较高的逼近精度，较少网格的项点数和较好的三角形形态，并且定义了目标函数，给出了误差计算方法、冗余顶点的删除准则以及尖锐三角形的判断和删除准则；在此基础上提出了基于遗传算法的三角形网格优化策略，并给出了相应的空间多边形交叉算子及空间四边形变异算子。在工业自动化和机器人应用领域，从一幅有遮挡的图象中识别出目标是一个很有意义的工作。当两个物体靠在一起或重叠堆放时就会形成遮挡

8、，它常引起目标的识别和定位困难。本文研究并提出了一种新的有遮挡的三维物体的识别方法：首先定义了用于遮挡目标识别的特征点以及与特征点关联一组特征参数，并提出了目标模型和景物轮廓在某一尺度上的特征参数的简易计算方法；证明了这组特征具有几何变换不变性。通过将目标模型轮廓与景物轮廓上的特征点的可能的对应关系影射到HoDfield神经网络上并作为其输入，并用迭代算法不断更新网络的状态直使网络达到稳定状态，该方法可用于多目标识别。“、jj‘关键词：接触式多关节三丝鱼堂系反’；结构参数定标：3D教琚厘建乌平滑y基元提交：三角化0网格优化y遮挡目标识别y～’+，一。华中科技大学博

9、士学位论文