智能 測量技術(shù)-智能建造技術(shù)專08課件講解

主講人：梁延龍智能測量技術(shù)智能建造技術(shù)專業(yè)資源庫知識(shí)點(diǎn)三維激光點(diǎn)云濾波三維激光點(diǎn)云濾波的內(nèi)容點(diǎn)云濾波的難點(diǎn)點(diǎn)云濾波概念點(diǎn)云濾波方法010203三維激光點(diǎn)云濾波一、點(diǎn)云濾波概念01由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備精度、環(huán)境因素、光照因素、物體表面性質(zhì)等影響，會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云不可避免的出現(xiàn)噪音。濾波過程就是為了解決點(diǎn)云密度不規(guī)則不平滑，離群點(diǎn)，大數(shù)據(jù)降采樣，空洞，噪聲數(shù)據(jù)等問題。02點(diǎn)云濾波作為常見的點(diǎn)云處理算法，一般是點(diǎn)云處理的第一步，對后續(xù)處理有很重要作用。濾波有很多方面也有很多種功能，比如去除噪聲點(diǎn)、離群點(diǎn)、點(diǎn)云平滑以及空洞、數(shù)據(jù)壓縮等。三維激光點(diǎn)云濾波一、點(diǎn)云濾波概念為什么要進(jìn)行點(diǎn)云濾波?原始點(diǎn)云往往包含大量散列點(diǎn)、孤立點(diǎn)，在獲取點(diǎn)云時(shí)，由于設(shè)備精度，操作者經(jīng)驗(yàn)環(huán)境因素帶來的影響，以及電磁波的衍射性，被測物體表面性質(zhì)變化和數(shù)據(jù)拼接配準(zhǔn)操作過程的影響，點(diǎn)云中將不可避免的出現(xiàn)一些噪聲，而且濾波處理作為預(yù)處理的第一步，對后續(xù)的影響比較大，只有在濾波預(yù)處理中將噪聲點(diǎn)，離群點(diǎn)，孔洞，數(shù)據(jù)壓縮等按照后續(xù)處理定制，才能夠更好的進(jìn)行配準(zhǔn)，特征提取，曲面重建，可視化等后續(xù)應(yīng)用處理。二、點(diǎn)云濾波的難點(diǎn)三維激光點(diǎn)云濾波02復(fù)雜建筑物的處理噪聲點(diǎn)包括極高點(diǎn)和極低點(diǎn)，是明顯低于地面的點(diǎn)和明顯高于地表目標(biāo)的點(diǎn)，以及移動(dòng)地物點(diǎn)。在多建筑物場景下，大小不同的建筑物、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物、陡坡上的建筑物等，這些形狀各異的建筑物都是干擾濾波質(zhì)量的關(guān)鍵因素。01噪點(diǎn)聲二、點(diǎn)云濾波的難點(diǎn)三維激光點(diǎn)云濾波04數(shù)據(jù)分布不均勻各種低矮植被，由于離裸露地面很近，所以很難與地面點(diǎn)區(qū)分開。激光點(diǎn)云的密度和分布會(huì)很大程度影響濾波算法的處理結(jié)果。若數(shù)據(jù)點(diǎn)的密度較小，那么較小的地物點(diǎn)相對于點(diǎn)的間距就會(huì)變得不明顯，由于較難識(shí)別而不便區(qū)分。03植被的處理三、點(diǎn)云濾波方法三維激光點(diǎn)云濾波2、遍歷點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn),

判斷該點(diǎn)在指定維度上的取值是否在值域內(nèi)，刪除取值不在值域內(nèi)的點(diǎn)。3、遍歷結(jié)束，留下的點(diǎn)即構(gòu)成濾波后的點(diǎn)云。（一）、直通濾波器

適用于在空間分布有一定空間特征的點(diǎn)云，比如使用線結(jié)構(gòu)光掃描的方式采集點(diǎn)云，沿z向分布較廣，但x,y向的分布處于有限范圍內(nèi)。此時(shí)可使用直通濾波器，確定點(diǎn)云在x或y方向上的范圍，可較快剪除離群點(diǎn)，達(dá)到第一步粗處理的目的。就是在點(diǎn)云的指定維度上設(shè)置一個(gè)閾值范圍，將這個(gè)維度上的數(shù)據(jù)分為在閾值范圍內(nèi)與不在閾值范圍內(nèi)，從而選擇過濾與否。1、指定一個(gè)維度以及該維度下的值域。三、點(diǎn)云濾波方法三維激光點(diǎn)云濾波直通濾波器在實(shí)際應(yīng)用中，由于激光掃描采集的距離較遠(yuǎn)，但是根據(jù)功能需求的不同可能只關(guān)心一定區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，比如低速物流車的運(yùn)營場景，可能在X方向只關(guān)心前后60米，Y方向只關(guān)心左右20米的范圍。此時(shí)就可以利用直通濾波器提取出感興趣區(qū)域，可較快剔除部分點(diǎn)云，達(dá)到第一步粗處理的目的。

直通濾波器特點(diǎn)：根據(jù)人工設(shè)定的先驗(yàn)范圍約束或者借助外部約束，直觀的縮小關(guān)注的空間范圍，減少后續(xù)計(jì)算量。三、點(diǎn)云濾波方法三維激光點(diǎn)云濾波體素濾波器可以去除一定程度的噪音點(diǎn)及離群點(diǎn)。主要功能是用來進(jìn)行降采樣。（二）、體素濾波器（下采樣）它的原理是根據(jù)輸入的點(diǎn)云，首先計(jì)算一個(gè)能夠剛好包裹住該點(diǎn)云的立方體，然后根據(jù)設(shè)定的分辨率，將該大立方體分割成不同的小立方體。對于每一個(gè)小立方體內(nèi)的點(diǎn)，計(jì)算他們的質(zhì)心，并用該質(zhì)心的坐標(biāo)來近似該立方體內(nèi)的若干點(diǎn)。三、點(diǎn)云濾波方法體素濾波器特點(diǎn)：可以達(dá)到向下采樣同時(shí)不破壞點(diǎn)云本身幾何結(jié)構(gòu)的功能。點(diǎn)云幾何結(jié)構(gòu)不僅是宏觀的幾何外形，也包括其微觀的排列方式，比如橫向相似的尺寸，縱向相同的距離。隨機(jī)下采樣雖然效率比體素網(wǎng)格濾波器高，但會(huì)破壞點(diǎn)云微觀結(jié)構(gòu)。如下圖所示：經(jīng)過體素網(wǎng)格下采樣后的行人，點(diǎn)云會(huì)變得更稀疏。主要是針對線束比較高的激光雷達(dá)或者多個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)疊加時(shí)，平滑點(diǎn)云間隔的情況使用。三維激光點(diǎn)云濾波三、點(diǎn)云濾波方法三維激光點(diǎn)云濾波（三）、統(tǒng)計(jì)濾波器原理：對每個(gè)點(diǎn)的鄰域進(jìn)行一個(gè)統(tǒng)計(jì)分析，并修剪掉那些不符合一定標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)。我們的稀疏離群點(diǎn)移除方法基于在輸入數(shù)據(jù)中對點(diǎn)到臨近點(diǎn)的距離分布的計(jì)算。具體方法如下：

計(jì)算每個(gè)點(diǎn)到其最近的k個(gè)點(diǎn)平均距離，（假設(shè)得到的結(jié)果是一個(gè)高斯分布，其形狀是由均值和標(biāo)準(zhǔn)差決定），那么平均距離在標(biāo)準(zhǔn)范圍之外的點(diǎn)，可以被定義為離群點(diǎn)并從數(shù)據(jù)中去除。特點(diǎn)：主要是根據(jù)密度去除離群點(diǎn)，對密度差異較大的離群點(diǎn)去除效果較好。三、點(diǎn)云濾波方法三維激光點(diǎn)云濾波（四）、半徑濾波器原理：與統(tǒng)計(jì)濾波器類似，只是操作更加暴力直觀，根據(jù)空間點(diǎn)半徑范圍臨近點(diǎn)數(shù)量來濾波。具體方法如下：

在點(diǎn)云中以某點(diǎn)為中心畫一個(gè)圓計(jì)算落在該圓中點(diǎn)的數(shù)量，當(dāng)數(shù)量大于給定值時(shí)，則保留該點(diǎn)，數(shù)量小于給定值則剔除該點(diǎn)。此算法運(yùn)行速度快，依序迭代留下的點(diǎn)一定是最密集的，但是圓的半徑和圓內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目都需要人工指定。特點(diǎn)：用于去除離群點(diǎn)，在一定程度上可以用來篩選邊緣點(diǎn)。三、點(diǎn)云濾波方法如下圖所示：采用統(tǒng)計(jì)濾波器和半徑濾波器兩種方法可以剔除掉零星的點(diǎn)集。三維激光點(diǎn)云濾波三、點(diǎn)云濾波方法三維激光點(diǎn)云濾波濾波器主要是通過局部計(jì)算的方式，獲得一個(gè)響應(yīng)值，然后根據(jù)響應(yīng)值調(diào)整點(diǎn)云，比如位置調(diào)整，保留或刪除某點(diǎn)。當(dāng)一種濾波無法完整達(dá)到預(yù)處理要求時(shí)，可以通過組裝多個(gè)濾波器達(dá)到更復(fù)雜的