點云數(shù)據(jù)去噪光順的基本原理

1、 點云數(shù)據(jù)去噪光順的基本原理近幾年來三維模型獲取的軟硬件技術(shù)正不斷深入，人們可以通過多種數(shù)據(jù)采樣方法來獲取現(xiàn)實物體的計算機表示，并對之進行預(yù)處理，加工，分析和應(yīng)用。在獲取數(shù)據(jù)的過程中，因為人為的擾動或者掃描儀本身的缺陷使得生成三維數(shù)據(jù)往往帶有噪聲，從而使所獲得的測量數(shù)據(jù)與實物存在一定的偏差，因此在對實測三維數(shù)據(jù)進行相關(guān)數(shù)字幾何處理和應(yīng)用之前必須對其進行去噪光順。點云的去噪光順是三維數(shù)據(jù)預(yù)處理和建模的重要環(huán)節(jié)，目的是有效剔除噪聲點、使重建表面模型光順平滑，并保持采樣表面原有的拓撲和幾何特征不變。一、點云的概念和分類點云就是使用各種三維數(shù)據(jù)采集儀采集得到的數(shù)據(jù),它記錄了有限體表面在離散點上的各種物

2、理參量。根據(jù)點云中點的分布特點（如排列方式、密度等）將點云可分為：散亂點云:測量點沒有明顯的幾何分布特征，呈散亂無序狀態(tài)。隨機掃描方式下的CMM、激光點測量等系統(tǒng)的點云呈現(xiàn)散亂狀態(tài)。掃描線點云:點云由一組組掃描線組成，掃描線上的所有點位于掃描平面內(nèi)。CMM、激光點三角測量系統(tǒng)沿直線掃描的測量數(shù)據(jù)和線結(jié)構(gòu)光掃描測量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)該特征。網(wǎng)格化點云:點云中所有點都與參數(shù)域中一個均勻網(wǎng)格的頂點對應(yīng)。將CMM、激光掃描系統(tǒng)、投影光柵測量系統(tǒng)及立體視差法獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)格化插值后得到的點云即為網(wǎng)格化點云。多邊形點云：測量點分布在一系列平行平面內(nèi)，用小線段將同一平面內(nèi)距離最小的若干相鄰點依次連接可形成一組有嵌套

3、的平面多邊形。莫爾等高線測量、工業(yè)CT、層切法、磁共振成像等系統(tǒng)的測量點云呈現(xiàn)多邊形特征。此外,測量點云按點的分布密度可分為高密度和低密度點云。MM的測量點云為低密度點云，通常在幾十到幾千個點。而測量速度及自動化程度較高的光學(xué)法和斷層測量法獲得的測量數(shù)據(jù)為高密度點云，一般可達幾百萬點。二、異常點的剔除在曲面造型中，數(shù)據(jù)中的“跳點”和“壞點”對曲線的光順性影響較大?！疤c”也叫做失真點，通常是由于測量設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)發(fā)生改變和測量環(huán)境突然變化造成的。因此測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理首先是從數(shù)據(jù)點集中找出可能存在的“跳點”。如果在同一截面的數(shù)據(jù)掃描中，存在一個點與其相鄰的點偏距較大，可以認為這樣的點是“跳點”，

4、判斷“跳點”的方法有以下3種。直觀觀察法：通過圖形終端，用肉眼直接將與截面數(shù)據(jù)點集偏離較大的點或存在于屏幕上的孤點剔除。這種方法適合于數(shù)據(jù)的初步檢查，可以從數(shù)據(jù)點集中篩選出一些偏差比較大的異常點。曲線檢查法。通過截面的首末數(shù)據(jù)點，用最小二乘法擬合得到一條樣條曲線，曲線的階次可根據(jù)曲面截面的形狀決定，通常為34階，然后分別計算中間數(shù)據(jù)點P到樣條i曲線的距離HeH,如果He|（為給定的允差），則認為P是壞點，應(yīng)予以剔i除（見圖1）。圖1弦高差方法。連接檢查點的前后2點，計算中間數(shù)據(jù)點P到弦的距離IIeII,如果IIeII三（為給定的允差），則認為P是壞點，應(yīng)予以剔除這種方法適合于測量點均勻且較密集

5、的場合，特別是在曲率變化較大的位置（見圖2）。Pi圖2三、數(shù)據(jù)平滑數(shù)據(jù)平滑通常采用標(biāo)準(zhǔn)（高斯）、平均或中值濾波算法。a.高斯濾波法。該方法以高斯濾波器在指定區(qū)域內(nèi)將高頻的噪聲濾除。高斯濾波法在指定域內(nèi)的權(quán)重為高斯分布，其平均效果較小，在濾波的同時，能較好的保持原數(shù)據(jù)形貌,較常使用（濾波效果見圖3所示）。圖3高斯濾波（虛線部分為原始采集點）b.平均值濾波法。該方法將采樣點的值去濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計平均值來取代原始點，改變點云的位置，使點云平滑（濾波效果見圖4所示）。圖4平均值濾波(虛線部分為原始采集點)C.中值濾波法。該方法將相鄰的三個點取平均值來取代原始點，實現(xiàn)濾波。中值濾波法采樣點的值，

6、取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計中值，故這種方法在消除毛刺方面效果較好。假設(shè)相鄰的3點分別是P0、PP2,通過中值濾波法得到的新點P1P1=(P0+P1+P2)01211012/3,(濾波效果見圖5所示)。實際使用時，可根據(jù)“點云”質(zhì)量和后續(xù)建模要求靈活選擇濾波算法。對點云數(shù)據(jù)的異常點剔除及濾波平滑處理是逆向工程的重要部分,為接下來的點云簡化和模型重建奠定基礎(chǔ)。參考文獻李曉志，李曉久等基于人體掃描線點云的光順去噪J.紡織學(xué)報.2010(03)梁新合,梁晉等.基于自適應(yīng)最優(yōu)鄰域的散亂點云降噪技術(shù)研究J.中國機械工程2010(06)董明曉,鄭康平.一種點云數(shù)據(jù)噪聲點的隨機濾波處理方法J.中國圖象圖形學(xué)報2004(02)劉立國.點云模型的光順去噪研究D.杭州:浙江大學(xué)，2007.何耀華，