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1、第三章第三章 数据预处理数据预处理逆向工程逆向工程技术及其应用技术及其应用逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 v教学目标教学目标（1 1）理解：预处理的方法。理解：预处理的方法。（2 2）掌握掌握:数据对齐、数据平滑精简、误差数据对齐、数据平滑精简、误差 点的识别去除及其数据分块方点的识别去除及其数据分块方 法。法。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 v第一节第一节 概述概述v第二节第二节 多视点云对齐多视点云对齐v第三节第三节 数据误差点识别和去除及平滑、精简数据误差点识别和去除及平滑、精简v第四节第四节 数
2、据分块数据分块逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 第一节第一节 概述概述 目前，非接触式测量方法在工业界得到越目前，非接触式测量方法在工业界得到越来越广泛的应用，这种测量方法测得的数据来越广泛的应用，这种测量方法测得的数据量大，散乱分布。点云数据的质量直接影响量大，散乱分布。点云数据的质量直接影响后续的曲面、曲线重构过程。后续的曲面、曲线重构过程。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 点云预处理点云预处理需在对点云数据进行三维数模重建前，对需在对点云数据进行三维数模重建前，对点云进行的一些必要处理。点云进行的一些
3、必要处理。点云预处理点云预处理多视点云的对齐、拼合多视点云的对齐、拼合点云过滤点云过滤 数据精简数据精简点云分块点云分块逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 v数据预处理流程数据预处理流程读入点云读入点云是否存在多视点云是否存在多视点云检查数据检查数据对齐多视对齐多视点云点云过滤、精简过滤、精简点云分块点云分块是是否否逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 第二节第二节 多视点云的对齐多视点云的对齐多视点云多视点云:为了完成整个物体测量，常把物体表面分成多个局为了完成整个物体测量，常把物体表面分成多个局部相互重叠的子
4、区域，从多个角度获取零件不同方部相互重叠的子区域，从多个角度获取零件不同方位的表面信息，从各个视觉分块测量得到多个独立位的表面信息，从各个视觉分块测量得到多个独立的点云。的点云。逆向工程的对齐问题可归结为三维刚体的坐标变换逆向工程的对齐问题可归结为三维刚体的坐标变换问题。问题。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 目前，处理多视对齐的两种方式：目前，处理多视对齐的两种方式：通过专用的测量装置实现测量数据的直接通过专用的测量装置实现测量数据的直接对齐；对齐；自动工件移动转换平台，直接记录工件在测自动工件移动转换平台，直接记录工件在测量过程中的移动量和转动角
5、度。量过程中的移动量和转动角度。事后的数据对齐处理。事后的数据对齐处理。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 CMM CMM 等接触式测量方式等接触式测量方式-通过测量软件直接记录数据点进行运动补偿；通过测量软件直接记录数据点进行运动补偿；激光扫描测量方式激光扫描测量方式-将多视传感器安装在可转动的精密伺服机构上，将多视传感器安装在可转动的精密伺服机构上，按生成的多传感器检测规划，将视觉传感器的测按生成的多传感器检测规划，将视觉传感器的测量姿态准确地调整到预定方位，由精密伺服机构量姿态准确地调整到预定方位，由精密伺服机构提供准确的坐标转换关系。提供准确的
6、坐标转换关系。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 事后的数据对齐处理：事后的数据对齐处理：根据处理先后顺序的不同，事后的处理方法根据处理先后顺序的不同，事后的处理方法可分为以下两种：可分为以下两种：一是先拼合点云，再重构出原型。一是先拼合点云，再重构出原型。二是对各分块点云构造局部几何形体，最后二是对各分块点云构造局部几何形体，最后把这些局部几何形体拼合成完整的数据。把这些局部几何形体拼合成完整的数据。（三基准点对齐方法）（三基准点对齐方法）逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 第三节第三节 数据平滑、精简及误差
7、点识别和去除数据平滑、精简及误差点识别和去除实际中常用的是扫描线点云、散乱点云。实际中常用的是扫描线点云、散乱点云。（1 1）数据点云的误差点识别和去除）数据点云的误差点识别和去除扫描线点云：扫描线点云：根据被测对象的几何形状，锁定一个坐标轴进行数据扫描根据被测对象的几何形状，锁定一个坐标轴进行数据扫描得到的，是一个平面数据点集。得到的，是一个平面数据点集。跳点（失真点）跳点（失真点）：由测量设备的标定参数发生改变和测：由测量设备的标定参数发生改变和测量环境突然变化造成。量环境突然变化造成。判断方法：在同一个截面的数据扫描中，存在一个点与判断方法：在同一个截面的数据扫描中，存在一个点与其相邻的
8、点偏距较大，可以认为这样的点是其相邻的点偏距较大，可以认为这样的点是“跳点跳点”。坏点坏点散乱点云：误差点，借助三角面片散乱点云：误差点，借助三角面片逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理（2 2）数据点云的平滑处理）数据点云的平滑处理对齐处理后的完整点云，包含数以百万记得点。对齐处理后的完整点云，包含数以百万记得点。噪声点噪声点：由于测量过程中受到各种人为和随机因素：由于测量过程中受到各种人为和随机因素的影响而产生的，影响后续的模型重建及生成的的影响而产生的，影响后续的模型重建及生成的模型质量的点。模型质量的点。需要进行点云的平滑滤波，以得到精确的模型和
9、需要进行点云的平滑滤波，以得到精确的模型和高质量的特征提取效果。高质量的特征提取效果。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理（3 3）数据点云的精简）数据点云的精简 如何处理大批量的数据点云如何处理大批量的数据点云-激光扫描测量造激光扫描测量造型的主要问题。型的主要问题。*在保证一定精度的前提下，减少数据量。在保证一定精度的前提下，减少数据量。v散乱点云散乱点云-随机采样随机采样v扫描点云和多边形点云扫描点云和多边形点云-等间距缩减、倍率缩减、等间距缩减、倍率缩减、等量缩减等等量缩减等v数据的精简操作只简单的进行原始点云的删减，数据的精简操作只简单的进行原
10、始点云的删减，不产生新点。不产生新点。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 第四节第四节 数据分块数据分块数据分割（数据分割（Data Segmentation Data Segmentation）根据组成实物外形曲面的子曲面类型，将属于同一根据组成实物外形曲面的子曲面类型，将属于同一子曲面类型的数据成组，将全部数据将划分成代表子曲面类型的数据成组，将全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域，后续的曲面模型重建时，不同曲面类型的数据域，后续的曲面模型重建时，先分别拟合单个曲面片，再通过曲面的过渡、相先分别拟合单个曲面片，再通过曲面的过渡、相交、裁减、倒圆
11、将多个曲面交、裁减、倒圆将多个曲面“缝合缝合”成一个整体，成一个整体，即重建模型。即重建模型。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 数据分割方法：数据分割方法：基于测量的分割基于测量的分割 在测量过程中，测量人员根据实物的外形特征，在测量过程中，测量人员根据实物的外形特征，将外形曲面划分为不同的子曲面，并对曲面的轮将外形曲面划分为不同的子曲面，并对曲面的轮廓、孔、槽边界等特征进行标记。廓、孔、槽边界等特征进行标记。在此基础上，进行测量路径的规划，将不同的曲在此基础上，进行测量路径的规划，将不同的曲面特征数据保存在不同的文件中，输出面特征数据保存在不同的文
12、件中，输出CAD软软件时，可以实现不同数据类型的分层处理及显示，件时，可以实现不同数据类型的分层处理及显示，为造型形成极大的方便。为造型形成极大的方便。这种方法这种方法适合于曲面特征比较明显的实物外形和适合于曲面特征比较明显的实物外形和接触式测量，当然操作者的水平和经验将对结果接触式测量，当然操作者的水平和经验将对结果产生直接影响。产生直接影响。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 自动分割自动分割v基于边的方法：基于边的方法：数据点集中数据点集中根据组成曲面片的边界轮廓特征、根据组成曲面片的边界轮廓特征、二个曲面片之间的相交、过渡特征，以及形状表二个曲
13、面片之间的相交、过渡特征，以及形状表面曲面片之间存在的棱线特征，确定出相同曲面面曲面片之间存在的棱线特征，确定出相同曲面类型的曲面片的边界点，连接边界点形成边界环，类型的曲面片的边界点，连接边界点形成边界环，判断点在环内还是环外，实现数据分割。判断点在环内还是环外，实现数据分割。基于面的方法：基于面的方法：v尝试推断出具有相同曲面性质的点，然后进一步尝试推断出具有相同曲面性质的点，然后进一步决定所属的曲面，最后由相邻的曲面决定曲面间决定所属的曲面，最后由相邻的曲面决定曲面间的边界。的边界。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 v通常的数据处理包括：通常的
14、数据处理包括：v（1 1）补偿点产生）补偿点产生 对于接触式扫描，需要恢复这些初始表面上的点，因为从对于接触式扫描，需要恢复这些初始表面上的点，因为从接触式方法获得的坐标值并不真正代表接触点的坐标，接触式方法获得的坐标值并不真正代表接触点的坐标，而反映的是探头的中心或顶部的值。因此有必要对这些而反映的是探头的中心或顶部的值。因此有必要对这些坐标值进行补偿转换，从测量数据生成补偿点。坐标值进行补偿转换，从测量数据生成补偿点。v（2 2）噪声点删除）噪声点删除 由于受测量设备的精度、操作者经验和被测实物表面质量由于受测量设备的精度、操作者经验和被测实物表面质量等诸多因素的影响，会造成测量数据误差点
15、的产生，对等诸多因素的影响，会造成测量数据误差点的产生，对这类误差点，习惯上被称为噪声点。这类误差点，习惯上被称为噪声点。因此，需要删除这些噪声点，以减少误差点对后序相邻区因此，需要删除这些噪声点，以减少误差点对后序相邻区域平滑或细化等处理步骤不可预见的干扰和影响。域平滑或细化等处理步骤不可预见的干扰和影响。通常删除噪声点的方法是首先通过图形交互显示，判别明通常删除噪声点的方法是首先通过图形交互显示，判别明显瑕疵点，可以采用手工删除或通过角度判断法进行去显瑕疵点，可以采用手工删除或通过角度判断法进行去除噪声点处理。除噪声点处理。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预
16、预处处理理 v（3 3）数据点精简）数据点精简v（4 4）坐标转换）坐标转换 由于在单次测量时，数据点的三维坐标是建立在测由于在单次测量时，数据点的三维坐标是建立在测量台的局部坐标上的，因此需要对不同次的测量量台的局部坐标上的，因此需要对不同次的测量结果需要进行坐标转换。结果需要进行坐标转换。对逆向工程中的测量数据，通常有四种类型的坐标对逆向工程中的测量数据，通常有四种类型的坐标转换：平移、旋转、缩放和镜面对称。转换：平移、旋转、缩放和镜面对称。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 v（5 5）数据点加密）数据点加密 表面上与数据点精简相矛盾，但实际上由
17、于各种测表面上与数据点精简相矛盾，但实际上由于各种测量设备以及测量方式的不同，造成测量数据点分量设备以及测量方式的不同，造成测量数据点分布结果不同。布结果不同。通常测量仪器所采集的数据在较平缓的区域采集到通常测量仪器所采集的数据在较平缓的区域采集到的数据点较少，甚至没有，这会造成曲线拟合时的数据点较少，甚至没有，这会造成曲线拟合时会出现失真现象。因此在重构曲面时，需要插值会出现失真现象。因此在重构曲面时，需要插值加密。对于某些局部的数据不足，可以用自动和加密。对于某些局部的数据不足，可以用自动和交互两种方法进行数据点加密和补充。交互两种方法进行数据点加密和补充。逆逆向向工工程程技技术术及及其其应应用用-第第三三章章 数数据据预预处处理理 v作业：作业：1、点云的预处理过程包括哪些内容？、点云的预处理过程包括哪些内容？2、画出点云的预处理流程图。、画出点云的预处理流程图。3、什么是跳点、噪声点？、什么是跳点、噪声点？