摘 要

随着逆向工程的兴起，点云曲面重建技术也随之成为目前研究方向的一大方向。曲面重建指先在目标物体上进行采点，再通过这些点进行建模，来逼近原始物体表面，达到还原原始物体的目的。本文设计了一种集点云的采集，预处理和重建于一体的系统。该系统首先利用线激光扫描仪对目标物体进行点云采集，再利用条件滤波器和统计滤波器处理原始点云，将噪点和离群点过滤，最后分别采用贪婪三角算法和泊松重建算法，对预处理后的点数据进行三维建模，最后生成模型文件。论文分析了两种重建算法的原理，并通过大量实验，探究了两种重建算法的优缺点，重建模型的表面特性以及建模参数的选取。

关键词：三维重建；点云滤波；贪婪三角算法；泊松重建

Abstract

With the rise of reverse engineering，the technology of point cloud surface reconstruction has become a hot research topic. Surface reconstruction refers to modeling of sampled data points to approximate the original object surface and restore the real object.In this paper, a system including point cloud collection, preprocessing and reconstruction is designed. In this system, firstly, the line laser scanner Gocator2100 is used to collect the point data of the target object, then the conditional filter and the statistical filter are used to process the original point cloud and remove the outliers and noises. Finally, the greedy triangle algorithm and the Poisson reconstruction algorithm are adopted to model the point cloud after preprocessing, and finally the model file is generated. This paper analyzes the principle of the two reconstruction algorithms, and through several experiments, explores the strengths and weaknesses of the two reconstruction algorithms, the surface characteristics of the reconstruction model and the selection of modeling parameters.

Key Words: 3D reconstruction; point cloud filtering; greedy triangle algorithm; Poisson reconstruction

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

第2章 点云采集以及预处理 4

2.1 点云概念 4

2.2 点云采集方式 4

2.3 线激光扫描点云原理 4

2.4 点云的预处理 5

第3章 三维重建 7

3.1 概述 7

3.2 基础概念 7

3.2.1 泊松方程 7

3.2.2 移动立方体算法 8

3.3贪婪三角化算法 9

3.3.1概述 9

3.3.2 搜索最近邻域 9

3.3.3 维度转换 11

3.3.4 贪婪算法 11

3.4泊松曲面重建 12

3.3.1 概述 12

3.3.2 泊松方程的建立 13

3.3.3 定义八叉树 13

3.3.4 设置函数空间 14

3.3.5 创建向量场： 15

3.3.6 求解泊松方程 15

3.3.7提取等值面 16

第4章 实验与仿真 17

4.1环境搭建 17

4.2实验结果及其分析 17

第5章 总结与展望 23

5.1总结 23

5.2 工作展望 23

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

我国是制造业大国，制造业的发展与社会发展和进步息息相关。“中国制造2025”文件^[1]中提出创新驱动，促进制造业向着数字化、网络化、智能化进发。对先进信息技术和装备技术进行融合，由制造业大国向制造业强国转变。随着现代工业制造对精密器件的要求越来越高，对复杂产模型的建立的需求也越来越迫切，三维重建技术应运而生。目前较普遍的三维重建技术是通过测量物体数据，再通过建模软件进行搭建，这种建模方式需要对专业人员进行大量时间的培养，对人力和财力的耗费比较大，而简单的手工建模只适用于简单表面的粗糙建模，不能满足现代工业制造的要求，为解决这类问题，逆向工程应运而生。

逆向工程^[2]是一种产品再现的过程，即采用数字化信息处理技术对目标物体进行逆向研究，演绎出该产品的处理流程，组织结构。既属于工程领域，也是在科学研究中具有重要意义的一大方向。目前大部分逆向工程分为三个步骤：点云获取、点云预处理、点云重建。本文将通过这三方面对点云进行分析处理。

逆向工程涉及多个学科，比如人工智能，计算机科学，模式识别，物理学，图像学等。主要研究如何将点云所存储的物体几何信息重建成模型。基于视觉的三维重建技术作为逆向工程的核心，利用数字摄像设备作为数据采集工具，综合运用计算机技术进行处理，以便对物体外形进行定量的显示，分析和处理。基于此，三维曲面重建被广泛应用于以下方面：

1. 地表模型重建。随着人们对地理空间层认知的增长，在对其分析能力提出更高要求的同时，还希望得到更直观更精确的可视化模型。针对这两点，可以先对地质表面进行采集点云，再进行拟合，重建出一个比较完整、精确的三维地质模型，之后可以帮助工作人员进行地质勘测，地质报警监控等。
2. 医学生物方面。医学图像的三维点云拟合能提供人体或器官的三维影像^[3]，有助于确定人体病变发生的部位以及在周围组织器官的扩散情况，以此来为医生的治疗、诊断、手术提供强大的数据支持，可以大大降低手术的风险，提高治愈率。
3. 虚拟现实。将虚拟现实与三维激光勘察相结合，可以用来重建犯罪现场^[4]，具有非接触性、高精度、时延低、数据易分析等优点，在避免破坏第一犯罪现场的前提下快速记录现场数据；也可以用来重建手术现场，帮助医生完成手术的模拟仿真，提前发现手术风险隐患。
4. 文物保护。最近几年，国家在文物的保护投入了大量精力和人力。三维扫描数据拟合能在非接触的前提下，快速获取高精度的点云数据，并拟合成三维模型，能让人们可以不花时间去现实场景中，转而在计算机或者手机上欣赏真实馆藏文物^[5]。

除此之外，三维重建还在机器人领域，工程测绘，VR游戏，人机交互等方面也有十分普遍的应用。三维重建具有很高的理论以及应用价值，许多学者也纷纷提出了众多三维曲面重建算法。本文的研究思路源于广泛的实际需求以及一些待研究的问题，利用PCL平台，以Gocator2100采集的原始点云为数据基础，深入研究点云预处理和三维重建算法。

1.2 国内外研究现状

从20世纪80年代开始，点云数据处理技术开始出现，众多发达国家的高新技术企业都利用点云数据处理技术的兴起，对3D扫描技术开展了各种研发，并形成了一定的产业规模。反观国内点云技术的发展，由于三维扫描技术涉及到较多学科，并且获取点云数据的设备成本昂贵，严重阻碍了三维扫描技术在各行各业的发展。我国很多研究机构只能侧重于理论研究，没有合适的环境将其应用于实际工程中，这直接导致了我国三维重建技术起步较落后，采用的设备和软件主要依赖进口。为了突破技术封锁，提升我国制造业的研究水平，实现我国自主研发的三维扫描系统显得尤为重要^[6]。

三维重建目前有两大类方向，分别是基于三角的生长算法曲面重建和基于隐函数的曲面拟合算法。