三维测量点云与CAD模型配准算法研究

导读:万方数据中国科学技术大学硕士学位论文三维测量点云与CAD模型配准算法研究作者姓名,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果,论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果,与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明,这一变化促使零件检测从二维到三维技术快速转变,基于三维CAD模型的数字化高精度检测已成为主要发展趋势,其中的关键技术就是点云与CAD模型的配准,三维测量点云和

三维测量点云与CAD模型配准算法研究

万方数据中国科学技术大学硕士学位论文三维测量点云与CAD模型配准算法研究作者姓名:宋鹏飞学科专业:测试计量技术及仪器导师姓名:李为民副教授完成时间:二。一六年五月十六日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationforMaster’SdegreeResearchontheAlgorithmforRegistrationof3DPointCloudandCADModelAuthor’SName:PengfeiSongSpeciality:MeasuringTechnologyandInstrumentSupervisor:Asso.Prof.%iminLiFinishedtime:May16m,2016万方数据中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名:宝碰逢堡签字日期:垫i!i:丝中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权,即:学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。缸公开口保密(——年)作者签名:猛监坠签字日期:导师龆堑斟签字日期:丝!!!鱼:生:训,疋历心万方数据摘要摘要随着社会发展和技术进步,人们对产品工业设计水平的需要日益提高,各种曲面及其组合复杂型面在手机,家电,汽车等产品设计中得到了广泛应用。这一变化促使零件检测从二维到三维技术快速转变。如今,基于三维CAD模型的数字化高精度检测已成为主要发展趋势,其中的关键技术就是点云与CAD模型的配准。一般情况下,三维测量点云和CAD模型不在同一坐标系。为了准确快速评价工件的制造精度,必须对三维测量点云与工件本身的三维CAD模型进行配准——将三维测量点云的测量坐标系与CAD模型所在设计坐标系转换到同一坐标系下。在点云的各类配准算法中,应用较为普遍的是ICP及其种种改进或变体算法。本文经过深入研究分析发现,在点云与CAD模型配准中,该算法依然存在局限性,主要表现在:其一,原始ICP算法是假设原始测量点云的欧式距离最近点为其所对应的点,在CAD模型点云稀疏或不均时会出现寻找对应点耗时及误差大的问题;其次,原始ICP算法迭代步幅小、收敛过程缓慢,特别是当三维测量点云的数量比较多时配准效率会很低。针对以上问题,本文提出了一种基于动态调节因子的ICP配准算法实现了点云与CAD模型的高效与高精度匹配。该算法主要对原始ICP算法进行以下优化。第一步,本文提出了一种基于STL三角网格的对应点的寻找方法。该方法利用STL三角网格自身携带的法向量信息,求取测量点云到对应三角网格的最近点,并将其作为目标对应点,从而有效的解决了原始ICP算法在点云与CAD模型匹配中的对应点的寻找问题。该方法可以有效避免对CAD模型进行大规模采样,有效的提高了配准效率;又因其属于一种点到面的对应点计算方法,求得的对应点相对比较准确,从而有效的提高了配准精度;第二步,在第一步优化的基础上,本文提出了一种动态调节因子一一动态调整刚体变换参数因子,将其添加到原始ICP算法中,使得每次迭代点云刚体变换沿原来的趋势实现超程变换,以便下次迭代时搜索到更多有效对应点,从而使迭代步幅加大,实现ICP算法的快速收敛。实验表明,本文提出的基于动态调节因子的ICP配准算法,可以有效的减少ICP算法的迭代次数,从而提高匹配效率,且同时能提高配准精度。关键词:点云CAD模型配准ICP算法动态调节因子万方数据AbstractABSTRACTWiththedevelopmentofsocietyandtechnology,peopleneedmoreproductswithhigherlevelindustrialdesign.Andvariouscurvedsurfacesandcombinationsofcomplexsurfacesinmobilephones,homeappliances,automobilesandotherproductshavebeenwidelyusedinthedesign.Allthesechangespromptcomponentdetectionrapidtransitionfrom2Dto3Dtechnology.TodaydigitalhighprecisiondetectionbasedonCADmodelhasbecomeamajortrend.OneofthekeytechnologyistheregistrationofpointcloudandCADmodel.Moreoften,thecoordinatesystemofpointcloudandCADmodelaredifferent.Inordertoevaluatetheerrorofworkpiece,wemustachievetheregistrationofpointcloudandCADmodel.Amongthealgorithmsofthepointcloudregistration,theICPandvariantsofICPhavebeenwidelyused.Inthispaper,depthanalysishasfoundthattheICPalgorithmstillhaslimitationintheregistrationofpointcloudandCADmodel.Thelimitationmainlymanifestsinfollowingaspects.Firstly,theoriginalICPalgorithmisbasedonabasicassumptionthattheclosestpointisthecorrespondingpointbyEuclideandistance.TherewouldbetheproblemthatsearchingforcorrespondingpointsaretimeconsumingandcrudewhenthepointcloudofCADmodelareunevenorsparse.Secondly,theiterativestepandprocessoforiginalICPalgorithmareslow.Especiallytheregistrationefficiencyisverylowwhentherearelargenumbersofmeasuringpointscloud.Tosolvetheaboveproblem,weproposedamodifiedICPalgorithmbasedondynamicadjustmentfactortospeedupregistrationofpointcloudandCADmodelwithhighaccuracy.ThealgorithmcarriesoutthefollowingoptimizationsonthebaseoforiginalICEInthefn'ststep,wepresentanovelsolutiontosearchforcorrespondingpointbasedonSTLtriangularmeshintheCADmodel.ThesolutionmakesfulluseoftheadvantagethattheSTLfileitselfconsistsofalistoffacetdataandvectorinformationoftriangularmeshtocalculatethecorrespondingpoint.ThemethodavoidsamplingtheCADmodelSOastoenhancetheregistrationefficiency.Oncemore,themethodisavariantofICPbelongstopoint-to—planetechnique,SOitCanachievehigheraccuracythanoriginalICP.II万方数据

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