开题报告-三维扫描点云中的圆柱体识别技术 研究与实现.doc

南京理工大学毕业设计(论文)开题报告学生姓名:廖宇飞学号：912110690127专业(方向)：智能电网信息工程设计(论文)题目：三维扫描点云中的圆柱体识别技术研究与实现指导教师:苏智勇副教授（自动化学院）2016年3月25日开题报告填写要求1开题报告（含文献综述）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查通过后生效；2“文献综述”应按论文的格式成文，并直接填写在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；3有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2014年3月15日”或“2014-03-15”。毕业设计（论文）开题报告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文献综述一选题背景随着三维扫描技术的快速发展，三维点云数据作为一种新兴的数据形式，已经逐渐地应用到许多领域中，如逆向工程、模式识别、工业检测、自主导航、文物保护、虚拟现实、游戏娱乐等。在化工生产领域，利用三维扫描技术实现化工厂的三维重建，对于化工厂的扩建、改造和维护具有重要的意义。管道通常是化工厂的主要构成部分，主要由圆柱体构成。因此，工厂三维扫描点云模型中圆柱体的检测和识别对于整个化工厂的三维重建具有重要的意义。本课题主要研究如何从大规模化工厂的三维扫描点云模型中，自动检测出相关的圆柱体，并识别圆柱体的参数信息。二.研究现状在计算机视觉和计算机图形学领域，采用激光扫描的虚拟3D场景重建技术越来越热门。先进技术逐步得到应用，如在石化行业中管道设备广泛存在。使用虚拟现实技术的三维数字设备模型在训练、消防演习和灾害模拟中扮演着重要角色13。圆柱体检测方法大致可以分为三类：1）区域生长2）RANSAC和3）Hough变换（随机抽样一致），这些是被广泛接受的圆柱体检测方法2。但由于现在大多数管道不是裸露的，通常用电子层或保温层包裹起来并且它们之间靠的太近，扫描得到的点不准确，有噪声。由于使用RANSAC法，点的方向存在噪声，所以我们无法直接使用点的法向计算圆柱体的参数。平面圆可以由平面上的任意三点唯一确定，但是圆柱体不同。众所周知，在计算几何中很难知道确定中任意的圆柱体需要多少点，所以RANSAC算法不能直接用于本课题。最近有人提出了RANSAC变种的快速版本，使用最优随机RANSAC法15，仅仅使用整个点集的子集来加快假设评估进程。假定如果当前评估的假设和迄今为止最好的假设，保护同样多有效数据的概率小于一个预定义的阈值，那么我们不使用这个假设来评估整个点集。所有这些方法都适用于如下情形：在一个含有噪声的样本点集中只含有一个可能正确的假设，例如，窄基线立体匹配算法中只有一个正确的基本矩阵。但是，在我们的课题中不同的圆柱体对应着不同的子集，所以快速RANSAC方法无法使用。另一种常用的几何基元检测方法是Hough变换10。在给定几何图元的参数表示的条件下，Hough变换是在参数空间利用对偶原理进行作用的。最近，人们提出了一些改进的Hough变换，有的可以更好的定位参数空间的局部极大值6，有的通过对参数空间进行分裂和修剪，加快变换进程11。然而，由于圆柱体有五个参数，那么在给定大量管道基元的大规模点集时，使用Hough变换在5D参数空间搜索满足条件的圆柱体可能会导致非常高的复杂性。简而言之，本课题中我们任务是在大量含有噪声的点集中自动检测管道。传统的方法，如区域生长，RANSAC和Hough变换无法直接用于本课题，因为我们扫描的被噪声干扰了的点的数量级太大，同时管道的尺寸变化很大。于是，我们提出了一个结构检测和分解方法，能够将中的圆柱体求解问题转变为一些简单的的圆的求解问题。当在扫描的点集中识别出管道时，我们就能够检测出通过弯头连接的管道。最后，我们借助于必要的手工装配部件，如阀门、仪表、油箱盖、楼梯、离心机等重建设备模型。2.1设备数据的结构检测通过设备的数据结构检测，可以将管道方向分为：C1.管道与地面垂直C2.管道与地面平行本课题拟采用，在管道点云中使用了一个结构特征量，如果我们将管道上有相同方向的点投影到平面上,若为任意常数，之后我们可以将在空间中求解管道的问题简化为在平面中求解圆的问题。借助于这个结构特征量，我们首先检测C1型管道的方向，然后检测C2型管道的方向。借助于高斯映射9，我们把空间中点的法向映射为空间中的单位圆面，从而求出管道的法向。映射点的法线在单位球面上。之后我们在空间中使用一种高斯球面直方图来检测C2型管道方向。值得注意的是，我们没有直接使用点的法向信息计算管道参数；相反，我们只使用高置信度的点的法向来过滤点以使得之后的投影更加方便。2.2管道的分解与检测在设备的数据结构被检测之后，我们将所有法向满足的点投影到背景面上，基于这样的二维投影图，将垂直于背景面的管道的求解问题化简为投影面中圆的求解问题。为了检测T2型管道，我们删除所有满足和T1型管道相关还有和背景面相关的点。然后把映射到图中并定义一个高斯球面直方图。我们采用如下方式标定，图中只有一个完全极大圆和背景面的法向垂直。在完全极大圆上，我们任意选取一点作为零经度点。横坐标为经度，且取值范围为。任取,我们用中位于相同绝对值经度（例如或）的点数作为的纵坐标。易知的周期为，即。我们使用来描述如下特性：对于任何平行于背景面的管道而言，它的所有点都位于相同的绝对经度。除了管道上的点外，还存在着噪点。我们设计一个计分函数，用它作为的纵坐标。本课题所采用的方法和我们将点分解为子集的方法相比，关键区别在于，对于每一个圆柱体的方向而言，我们同时考虑了所有平行于背景面的圆柱体方向，管道的结构。因此计算更快，更稳定。我们的结构检测方法将设备大数量级的点数据分解为对应于管道类型为T1和T2的子集。我们将每个子集投影到法向用或表示的平面，平面的法向可以解出。为了同时检测出投影面中的多个圆，我们改进15中的松散的评估方案，从而拓展新的RANSAC算法来获得我们所需要的圆柱体。参考文献1朱德海.点云库PCL学习教程M.北京:北京航空航天大学出版社,2012.2金涛,童水光.逆向工程技术M.北京:机械工业出版社,2003.3吴守春.逆向工程中特征提取及形状识别研究D.杭州:浙江大学,20114DonaldHearn,MPaulineBaker.计算机图形学(第三版)M.北京:电子工业出版社,2005.5RechardSzeliski.艾海舟.计算机视觉算法与应用M.北京:清华大学出版社,2012.6杨化斌.OpenSceneGraph3.0三维视景仿真技术开发详解M.北京:国防工业出版社,2012.7安毅.三维点云数据的几何特性估算与特征识别D.大连:大连理工大学,2011.8伍龙华,黄惠.点云驱动的计算机图形学综述J.计算机辅助设计与图形学学报.2015,27(8):1341-13539M.P.doCarmo,DifferentialGeometryofCurvesandSurfaces.Prentice-Hall,Inc.,1976.10D.H.Ballard,GeneralizingtheHoughTransformtoDetectArbitraryShapes,PatternRecognition,vol.13,no.2,pp.111-122,1981.11Trung-ThienTran,Van-ToanCao,andDenisLaurendeau.ExtractionofcylindersandestimationoftheirparametersfrompointcloudsJ.Computers&Graphics.2015,46(6):345-35712RongqiQiu,Qian-YiZhou,andUlrichNeumann.Pipe-RunExtractionandReconstructionfromPointCloudsJ.EuropeanConferenceonComputerVision,2014,:17-3013HainanCui,ShuhanShen,WeiGao,andZhanyiHu.EfficientLarge-ScaleStructureFromMotionbyFusingAuxiliaryImagingInformationJ.IEEETRANSACTIONSONIMAGEPROCESSING,2015,24(11):3561-357314HuR,LiH,Zhang,H,andCohen-OrD.ApproximatepyramidalshapedecompositionJ.ACMTransactionsonGraphics,2014,33(6):213:1213:12.15J.MatasandO.Chum,“OptimalRandomizedRANSAC,”IEEETrans.PatternAnalysisandMachineIntelligence,vol.30,no.8,pp.1472-1481,Aug.2008.16L.Nan,A.Sharf,H.Zhang,D.Cohen-Or,andB.Ch16YangZhou,KangxueYin,HuiHuang,HaoZhang,MinglunGong,andDanielCohen-Or.GeneralizedCylinderDecompositionJ.ACMTransactionsonGraphics,2015,34(6):171:1-171:1417L.Nan,A.Sharf,H.Zhang,D.Cohen-Or,andB.Chen,“SmartBoxesforInteractiveUrbanReconstruction,”ACMTrans.Graphics,vol.29,no.4,Article93,2010毕业设计（论文）开题报告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1.课题要研究解决的问题本课题主要研究在大量含有噪声的点云中重构管道（直管道）的问题。其中主要内容有：研究和实现设备数据的结构检测研究和实现管道的分解与检测2.拟采用的研究手段本文的主要研究思路如下：先定义一个置信水平，是一个很小的常数，防止分母接近零。设定阈值后，我们可以通过滤掉不可靠的法向。在子集的连通性上，给定点集的任何子集，我们通过将图中的点和图关联起来。采用图扫描算法，可以在线性时间内确定的连通分量。将管道上有相同方向的点投影到平面上,将在空间中求解管道的问题简化为在平面中求解圆的问题。投影面圆检测，我们设计一个算法，在投影中只探测一个高密度圆，这个圆就是我们所需要的数据。最后根据完成结果完成论文的撰写工作。毕业设计（论文）开题报告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：该同学通过较认真查找和阅读相关的文献资料，对点云数据中圆柱体识别的相关技术的研究现状进行了全面的概述，并对现有研究存在的一些难点和问题进行了适当总结，比较准确地理解了课题所要完成的任务。文献综述写作认真，论述清楚，条理清晰，符合规范。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设