1、模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩1散乱点云采样技术研究散乱点云采样技术研究 机械工程学院硕士研究生毕业答辩机械工程学院硕士研究生毕业答辩 学学 科：科：机械电子工程机械电子工程 日日 期：期：2011 2011 年年 5 5 月月模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩报告主要内容报告主要内容研究方案研究方案研究工作研究工作结论和展望结论和展望课题背景课题背景2模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩1.11.1选题意义选题意义一、课题背景一、课题背景国家国家863863项
2、目项目“大型复杂曲面产品的反求和三维快速检测系统研究大型复杂曲面产品的反求和三维快速检测系统研究”支持。支持。3p在汽车、飞机、大型机械等复杂曲面的逆向设计或质量检测中，三维在汽车、飞机、大型机械等复杂曲面的逆向设计或质量检测中，三维光学面扫描设备获取的光学面扫描设备获取的原始点云数据量大原始点云数据量大（几百万上千万）。（几百万上千万）。p逆向工程：海量数据逆向工程：海量数据严重影响曲面重建效率严重影响曲面重建效率。p在线检测：工业现场对在线检测：工业现场对时效性要求较高时效性要求较高，而海量点云数据需要较长的，而海量点云数据需要较长的处理时间，不能满足在线检测需求。处理时间，不能满足在线检
3、测需求。p因此，因此，在满足精度前提下在满足精度前提下需要对数据进行需要对数据进行快速有效采样快速有效采样。模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩4o 基于网格采样基于网格采样1.21.2国内外发展状况国内外发展状况 对点云建立拓扑网格，合并形对点云建立拓扑网格，合并形状变化小的区域网格。状变化小的区域网格。o 基于点的采样基于点的采样 依据点的空间位置，计算出点依据点的空间位置，计算出点的离散几何信息，根据这些信息对的离散几何信息，根据这些信息对点云进行优化处理。点云进行优化处理。一、课题背景一、课题背景模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所
4、 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩o 基于点的采样（基于点的采样（简单、高效简单、高效）一、课题背景一、课题背景1.21.2国内外发展状况国内外发展状况5 全局聚类采样。全局聚类采样。不足：初始聚类划分对精度影响较大不足：初始聚类划分对精度影响较大。MLSMLS移动最小二乘采样。移动最小二乘采样。不足：涉及非线性最优解计算，效率较低。不足：涉及非线性最优解计算，效率较低。基于相似性的点模型简化。基于相似性的点模型简化。不足：计算过程复杂。不足：计算过程复杂。基于基于K K邻域密度的点云简化邻域密度的点云简化 。不足：丢失特征。不足：丢失特征。模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生
5、毕业答辩硕士生毕业答辩o 系统研究系统研究一、课题背景一、课题背景1.31.3课题组已完成工作课题组已完成工作6o 点云预处理研究点云预处理研究XJTUDPXJTUDP三维摄影测量三维摄影测量XJTUOMXJTUOM三维面扫描系统三维面扫描系统 点云对齐点云对齐数据融合数据融合剔除误差剔除误差点云采样点云采样特征提取特征提取模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩2.1 2.1 研究内容研究内容 基于以上的需求分析和研究现状，本文针对点云采样进行了基于以上的需求分析和研究现状，本文针对点云采样进行了大量研究和实验。主要内容如下：大量研究和实验。主要内容如下
6、：点云采样方案分析。点云采样方案分析。实现层次聚类法点云采样。实现层次聚类法点云采样。改进了改进了移动最小二乘点云采样，移动最小二乘点云采样，提高了效率和精度。提高了效率和精度。提出了基于均值漂移的点云采样，提出了基于均值漂移的点云采样，对各种点云，具有较好精简效果。对各种点云，具有较好精简效果。结合项目，对以上采样算法进行实验分析。结合项目，对以上采样算法进行实验分析。点云采样软件点云采样软件二、研究方案二、研究方案7模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 技术支持技术支持 三维光学面扫描设备三维光学面扫描设备 实验支持实验支持天津汽车模具厂，东风汽轮
7、机厂等进行现场试验。天津汽车模具厂，东风汽轮机厂等进行现场试验。点云预处理软件点云预处理软件二、研究方案二、研究方案2.2 2.2 可行性分析可行性分析8模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩o 关键技术关键技术 曲面变分计算曲面变分计算 邻域构建邻域构建 MLSMLS投射算子投射算子 栅格简化栅格简化二、研究方案二、研究方案2.3 2.3 关键技术及新见解关键技术及新见解9模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩o 新见解新见解二、研究方案二、研究方案2.3 2.3 关键技术及新见解关键技术及新见解10 改进了改进
8、了MLSMLS点云简化算法点云简化算法 使用邻域搜索，提高了算法效率。使用邻域搜索，提高了算法效率。求解求解MLSMLS面时，初始值优化提高了精度。面时，初始值优化提高了精度。对点云进行均值漂移处理对点云进行均值漂移处理 均值漂移处理得到局部模式点取代类。均值漂移处理得到局部模式点取代类。提出了特征保持的点云简化算法提出了特征保持的点云简化算法 快速地精简各类点云，并很好保留特征。快速地精简各类点云，并很好保留特征。模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩二、研究方案二、研究方案2.4 2.4 技术路线技术路线11结论展望结论展望层次聚类法层次聚类法均值漂
9、移均值漂移需求分析需求分析采样方案确定采样方案确定MLSMLS点云采样点云采样试验分析试验分析模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩采样比率采样比率快速实时：快速实时：层次聚类采样算法。层次聚类采样算法。几何精度要求较高：几何精度要求较高：移动最小二乘采样和均值漂移采样。移动最小二乘采样和均值漂移采样。三、研究工作三、研究工作3.1 3.1 采样方案分析采样方案分析12精度精度用途用途分析分析层次聚类层次聚类 移动最小二乘移动最小二乘均值漂移均值漂移速度速度模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩122333iCip
10、 算法原理算法原理点云点云P P划分成大量的子集。划分成大量的子集。每个子集用一个点来取代。每个子集用一个点来取代。形成简化点集。形成简化点集。层次聚类法二维图解层次聚类法二维图解层次聚类法是自上向下划分算法。层次聚类法是自上向下划分算法。三、研究工作三、研究工作3.2 3.2 层次聚类法层次聚类法13模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 关键技术研究关键技术研究ppppppppCnTn11协协方方差差矩矩阵阵质心质心 p)(210lllvvC曲面变分曲面变分曲面变分曲面变分 in0)(p度量较切平面的偏移近似度量较切平面的偏移近似于曲率于曲率 法向对
11、应最小特征向量法向对应最小特征向量分割方向对应最大特征向量分割方向对应最大特征向量三、研究工作三、研究工作3.2 3.2 层次聚类法层次聚类法14模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 应用实例应用实例原始点云（原始点云（22502250万点）万点）不足之处：细节特征丢失，采样比率受限。三、研究工作三、研究工作3.2 3.2 层次聚类法层次聚类法15依曲面变分划分依曲面变分划分均值点取代类均值点取代类简化点云简化点云简化点云（简化点云（2.62.6万点）万点）原始点云原始点云模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩算
12、法依据微分几何，利用移动最小二乘对局部面算法依据微分几何，利用移动最小二乘对局部面用多项式用多项式逼逼近，根据点到近，根据点到MLSMLS面距离，删除次重要点，生成简化点集。面距离，删除次重要点，生成简化点集。三、研究工作三、研究工作 算法原理算法原理3.3 MLS3.3 MLS点云采样点云采样16模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 关键技术研究关键技术研究 KD_TreeKD_Tree邻域搜索邻域搜索多维空间树状搜索索引结构，多维空间树状搜索索引结构，具有快速查找近邻的特性。具有快速查找近邻的特性。其典型应用是求点的其典型应用是求点的K K近邻。近
13、邻。KD_TreeKD_Tree二维图示二维图示三、研究工作三、研究工作3.3 MLS3.3 MLS点云采样点云采样17点云数目点云数目4 4万万1515万万100100万万未使用未使用KD_TreeKD_Tree42.1s42.1s150.4s150.4s 1523.4s1523.4s使用使用KD_TreeKD_Tree后后10.8s10.8s38.7s38.7s251.1s251.1s算法改进效果算法改进效果模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 关键技术研究关键技术研究 if计算点计算点r r对应的参考面对应的参考面H H求出其余点到求出其余点到H
14、 H距离距离计算多项式逼近计算多项式逼近g g投射投射r r到到g g上得上得q q点点点到点到MLSMLS面投射面投射三、研究工作三、研究工作3.3 MLS3.3 MLS点云采样点云采样18模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 算法改进算法改进 点点r r处参考面处参考面H H计算计算N2222xyzii=1L(n,n,n)=(1)ixyznnn(|)iipr多元非线性方程组多元非线性方程组,利用利用NewtonNewton法迭代求解。法迭代求解。平面法矢计算平面法矢计算条件均值，作拉格朗日函数条件均值，作拉格朗日函数012nrNPtrNPt 初始值
15、优化选取初始值优化选取初始值未优化初始值未优化三、研究工作三、研究工作3.3 MLS3.3 MLS点云采样点云采样19模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 应用实例应用实例原始点云原始点云计算点到计算点到MLSMLS面距离面距离迭代删除迭代删除不足之处：计算复杂容易出错，效率较低不足之处：计算复杂容易出错，效率较低。三、研究工作三、研究工作3.3 MLS3.3 MLS点云采样点云采样20排气管模型（排气管模型（332.6332.6万点万点 1 1：3 3采样）采样）计算各点参考面计算各点参考面模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业
16、答辩硕士生毕业答辩 算法原理算法原理点云进行栅格划分，保留点作为类中心；聚类，对每个类点云进行栅格划分，保留点作为类中心；聚类，对每个类细分；对各类进行均值漂移处理。细分；对各类进行均值漂移处理。三、研究工作三、研究工作3.4 3.4 基于均值漂移点云采样基于均值漂移点云采样21模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 关键技术研究关键技术研究 初始类中心选取初始类中心选取计算点云包围盒计算点云包围盒 估算立方体栅格边长估算立方体栅格边长 按距离简化划分点云选按距离简化划分点云选取栅格代表点取栅格代表点 形成初始类中心形成初始类中心栅格划分栅格划分初始类中
17、心初始类中心三、研究工作三、研究工作3.4 3.4 均值漂移点云采样均值漂移点云采样22模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 关键技术研究关键技术研究 聚类划分聚类划分对初始类中心建立对初始类中心建立KD_TreeKD_Tree其他点归入距离最近类中心其他点归入距离最近类中心遍历各类判断是否满足带宽遍历各类判断是否满足带宽 约束约束不满足约束则对该类细分不满足约束则对该类细分|rrrijpph三、研究工作三、研究工作3.4 3.4 均值漂移点云采样均值漂移点云采样23模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 关键技
18、术研究关键技术研究 均值漂移处理均值漂移处理11(|)()()(|)krriijijjiikrriijjgpqqMpM pgpq均值漂移处理即为顶点到采样均值点的累进移动过程。它从顶均值漂移处理即为顶点到采样均值点的累进移动过程。它从顶点沿着最大密度梯度的方向移动，反复运行该过程每个一般点点沿着最大密度梯度的方向移动，反复运行该过程每个一般点都将收敛为一个局部稳定的点。都将收敛为一个局部稳定的点。三、研究工作三、研究工作3.4 3.4 均值漂移点云采样均值漂移点云采样24模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 应用实例应用实例原始点云原始点云三、研究工作
19、三、研究工作3.4 3.4 均值漂移点云采样均值漂移点云采样251:51:5采样采样1:101:10采样采样1:301:30采样采样叶轮模型（叶轮模型（2424万点）万点）不同采样比率下，不同采样比率下，特征部分仍得到很好保持。特征部分仍得到很好保持。模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 误差评价误差评价 三、研究工作三、研究工作3.5 3.5 试验分析试验分析26max(,)max(,)q QS Sd q S1(,)(,)avgq QS Sd q SQ最大偏差最大偏差：平均偏差平均偏差：采样点云误差计算采样点云误差计算评价标准：评价标准：模具与先进成
20、形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 算法效果算法效果 原始原始点云点云层次层次聚类聚类MLS MLS 采样采样均值均值漂移漂移麻花钻模型（麻花钻模型（3.43.4万点）万点）层次聚类采样层次聚类采样保留点较均匀保留点较均匀MLS MLS 均值漂移采样均值漂移采样较好地反映特征较好地反映特征三、研究工作三、研究工作3.5 3.5 试验分析试验分析271 1：2525采样采样模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 算法效果算法效果 壳体（原始点云壳体（原始点云546.5546.5万万1 1：2727采样）采样）层次聚类层次聚类
21、MLSMLS采样采样原始点云原始点云均值漂移均值漂移三、研究工作三、研究工作3.5 3.5 试验分析试验分析28模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 算法效果算法效果 排气管（原始点云排气管（原始点云764764万万1 1：5050采样）采样）三、研究工作三、研究工作3.5 3.5 试验分析试验分析29层次聚类层次聚类MLSMLS采样采样原始点云原始点云均值漂移均值漂移模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 算法效果算法效果 车门（原始点云车门（原始点云235.3235.3万万1 1：5050采样）采样）三、研究
22、工作三、研究工作3.5 3.5 试验分析试验分析30层次聚类层次聚类MLSMLS采样采样原始点云原始点云均值漂移均值漂移模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 简化的精度分析简化的精度分析均值漂移采均值漂移采样算法精度样算法精度优于优于层次聚层次聚类类MLSMLS采样采样算法。算法。麻麻花花钻钻模模型型精精度度比比较较三、研究工作三、研究工作3.5 3.5 试验分析试验分析31模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 简化的效率分析简化的效率分析均值漂移采样层次聚类采样均值漂移采样层次聚类采样 计算效率较高计算效率较
23、高,MLSMLS采样采样耗时最长耗时最长三、研究工作三、研究工作3.5 3.5 试验分析试验分析32模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 大型飞机建模大型飞机建模三、研究工作三、研究工作3.6 3.6 实际应用实际应用33项目：某型飞机机翼外形测量项目：某型飞机机翼外形测量来源：某飞机设计研究所、某飞机制造公司（军工保密）来源：某飞机设计研究所、某飞机制造公司（军工保密）简介：飞机尺寸：简介：飞机尺寸：3030多米长多米长 原始点云数目：约六千万原始点云数目：约六千万采样效果：使用均值漂移采样，精简后点云约八百万，平均偏差采样效果：使用均值漂移采样，精
24、简后点云约八百万，平均偏差0.4mm0.4mm，达到用户的精度要求。，达到用户的精度要求。大型飞机示意图大型飞机示意图标志点示意图标志点示意图飞机建模示意图飞机建模示意图模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 汽车模具在线检测汽车模具在线检测三、研究工作三、研究工作3.6 3.6 实际应用实际应用34项目：汽车模具专用三维光学检测项目：汽车模具专用三维光学检测来源：天津汽车模具厂来源：天津汽车模具厂简介：汽车覆盖件简介：汽车覆盖件 原始点云数目：二千万原始点云数目：二千万采样效果：使用层次聚类法，精简后点云二十万，满足检测要求。采样效果：使用层次聚类法，
25、精简后点云二十万，满足检测要求。工业现场工业现场原始点云原始点云简化点云简化点云检测结果检测结果模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩 叶片质量检测叶片质量检测三、研究工作三、研究工作3.6 3.6 实际应用实际应用35项目：大型叶片的数字化检测项目：大型叶片的数字化检测来源：东风汽轮机厂来源：东风汽轮机厂简介：水轮机叶片简介：水轮机叶片 原始点云数目原始点云数目22502250万万采样效果：采样效果：使用层次聚类法，使用层次聚类法，精简后点云约精简后点云约2.62.6万，满足检测要求。万，满足检测要求。工业现场工业现场原始点云原始点云简化点云简化点云检
26、测结果检测结果指导加工指导加工模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩四、结论和展望四、结论和展望 实验平台实验平台o 主要结论主要结论 三维点云预处理软件。三维点云预处理软件。改进改进MLSMLS采样采样算法，提高了计算法，提高了计 算效率和精度。算效率和精度。提出基于均值漂移的采样算法，提出基于均值漂移的采样算法，实例表明效果较好。实例表明效果较好。对算法试验分析和现场应用。对算法试验分析和现场应用。36模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩o 展望展望点云采样只是点云处理中一个步骤，工程中还要进行后处理。点云采
27、样只是点云处理中一个步骤，工程中还要进行后处理。点云边界特征提取点云边界特征提取 边界特征提取和点云采样有较多相似地方。边界特征提取和点云采样有较多相似地方。有效提取点云边界对曲面重建质量影响很大。有效提取点云边界对曲面重建质量影响很大。曲面重建曲面重建 数据处理中关键步骤，具有重要的理论和实际价值。数据处理中关键步骤，具有重要的理论和实际价值。四、结论和展望四、结论和展望37模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩o 发表论文发表论文 特征保持的点云精简技术研究特征保持的点云精简技术研究 2010 2010 年年1111月月 西安交通大学学报西安交通大学学报 Digital Photogrammetry Applying to Reverse EngineeringSopo 2010 IEEE 会议会议 研究成果研究成果38模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 硕士生毕业答辩硕士生毕业答辩答辩完毕答辩完毕39欢迎各位老师提出宝贵意见！欢迎各位老师提出宝贵意见！
