基于三维激光扫描仪的点云配准

论文摘要

随着现代信息技术的飞速发展及图形图像应用领域的扩大,如何快速、准确的对现实世界中的三维实体进行数字化已成为急待解决的问题。而三维扫描技术的出现为该问题的解决提供了新的技术手段。该技术能快速、精确、无接触地获取复杂物体表面的三维信息（点云）,进而完成实体三维重建。由于该技术的自身特点,要获得实体完整的点云数据,必须进行多视点数据采集。因而,多视点点云的配准成为基于三维扫描三维重建的一项关键技术,对模型重建的精度有重要影响。本文针对点云配准问题进行了研究,主要工作包括以下几方面:（1）从实验室现有设备及其功能出发,提出了基于反射体配准技术路线的数据采集流程,利用反射体进行了点云的配准,并结合实际工作中遇到的问题分析了基于反射体配准的缺点及局限性,明确了点云配准算法研究的重要性。（2）通过对三维激光扫描仪的配套软件Riscan Pro的数据组织结构及所存储参数的分析,阐明了Riscan Pro参数解析工作对于点云配准及三维重建的重要性。鉴于RiscanPro的工程文件project.rsp是符合W3C标准的XML文档,本文概述了XML文档的语法基础,并利用SAX解析技术对Riscan Pro文档进行解析及参数获取。（3）分析了ICP算法的优缺点及其改进算法的实现思路,提出了基于近邻搜索的多分辨率ICP改进算法,并结合Riscan Pro软件提供的手动配准功能,提出了一种改进的点云配准流程。上述算法均在VC++平台下进行了实现,并以本实验室的三维激光扫描设备采集实验数据,对算法进行了实验,验证了上述算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文内容
• 1.4 论文结构安排
• 2 点云获取及基于反射体的点云配准
• 2.1 点云的获取
• 2.1.1 三维激光扫描仪工作原理
• 2.1.2 本文采用的软硬件设备
• 2.2 基于Riscan Pro的点云配准
• 2.3 本章小结
• 3 Riscan Pro中重要参数的解析
• 3.1 参数解析的意义与目标
• 3.1.1 参数解析的意义
• 3.1.2 参数解析的目标
• 3.2 基于XML的参数解析基础
• 3.2.1 XML产生及发展背景
• 3.2.2 XML文档语法基础
• 3.2.3 文档类型定义（Document Type Definition, DTD）
• 3.3 参数解析原理与实现
• 3.3.1 解析技术与解析器
• 3.3.2 基于SAX的XML解析
• 3.4 本章小结
• 4 点云图像配准
• 4.1 点云配准的数学基础
• 4.1.1 刚体变换
• 4.1.2 旋转矩阵
• 4.1.3 刚体变换与四元数组
• 4.2 基于ICP算法的点云配准
• 4.2.1 ICP算法原理
• 4.2.2 算法改进的策略
• 4.3 基于近邻搜索的多分辨率ICP改进算法
• 4.3.1 最近邻搜索算法
• 4.3.2 近邻搜索算法在点云配准中的应用
• 4.3.3 多分辨率算法
• 4.3.4 改进算法分析
• 4.4 本章小结
• 5 算法实现与实验结果分析
• 5.1 自动配准算法的实现
• 5.1.1 算法实现流程
• 5.1.2 Riscan Pro参数提取解析器
• 5.1.3 点云配准软件开发包
• 5.2 实验结果分析
• 5.2.1 反射体配准
• 5.2.2 手动配准
• 5.2.3 自动配准
• 5.3 本章总结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献