航空发动机外形点云的保特征去噪方法
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现去噪,但原始模型的细节特征会失真.
(
３)基于 粒 子 的 去 噪 方 法.这 类 方 法 的 原 理
是从点云中选择 一 部 分 点 成 为 粒 子,通 过 改 变 粒
点,提出了一种基 于 深 度 学 习 的 点 云 保 特 征 去 噪
机匣壳体的尖锐棱边,保留安装边的薄壁结构,并
且从噪声数据中恢复出形状、大小、位置准确的凸
形几何模型的重建精度.为保证在去除噪声的同时不模糊或破坏掉发 动 机 复 杂 的 外 形 几 何 特 征,提 出
了一种基于深度学习的点云保特征去噪方法.将航空发动机外形噪声点云分割成特征数据和非特征数
据之后,分别设计了特征去噪网络和非特征去噪网络,用于预测特征噪声点和非特征噪声点的位置修正
向量,噪声点沿预测向量移动后被投影回模型真实的底层表面上,实现去噪.构建了用于特征去噪学习
第 ３２ 卷 第 ２３ 期
２０２１ 年 １２ 月
中 国 机 械 工 程
CHINA MECHANICALENGINEERING
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３２ No．
２３
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２８６０
pp．
航空发动机外形点云的保特征去噪方法
闫杰琼 周来水 胡少乾 文思扬
南京航空航天大学机电学院,南京,
２１００１６
摘要:三维激光扫描设备可以提供航空发动机外形实测点云,但其中包含的噪声会直接影响后期外
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数据 进 行 去 噪,缺 陷 是 时 间 成 本 较 高. 林 洪 彬
等 [１８Ｇ１９]根据点云的局部分布特性自适应地调整了
图 １ 航空发动机外形结构特征
滤波主方向和各 主 方 向 的 衰 减 速 度,可 以 在 一 定
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模型,这给飞机与 发 动 机 的 装 配 协 调 设 计 带 来 较
机匣壳 体、管 路、凸 台、加 强 筋、成 附 件、卡 箍 等 结
大困难,因此,飞机设计部门对快速重构航空发动
构特征,它们分别起承力、包容、连接、密封和固定
作用.这些结构 特 征 形 状 复 杂,现 有 去 噪 方 法 会
收稿日期:
(
４)基于 特 征 的 去 噪 方 法.前 三 类 方 法 在 不
同特征区域很难 自 适 应 调 整 输 入 参 数,容 易 引 起
特征过 度 光 顺 或 过 度 尖 锐. 基 于 特 征 的 去 噪 方
法 [３,１５Ｇ１７]提出要先对特 征 区 域 与 非 特 征 区 域 进 行
分类识别,然后分 别 采 用 不 同 的 滤 波 方 法 对 点 云
(WLOP)[１２]、各 向 异 性 权 重 局 部 最 优 投 影
[ ]
[ ]
(
AWLOP)１３ 和连续局部最优投影(
CLOP)１４ 可
以在一定程度上 保 持 尖 锐 特 征,但 当 输 入 点 云 的
噪声尺度比较大 时 会 出 现 过 度 尖 锐 的 问 题,输 入
点云相对稀疏时也很难有好的表现.
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岛、半岛、沉槽和螺栓),会直接影响最终发动机外
现有的保特征去噪方法可分为以下五类.
[ ]
(
１)基于双边滤波的去噪方法.这类方法 １Ｇ５
有一定的保特征 效 果,但 双 边 滤 波 因 子 依 赖 于 局
很难确定一组可以在去除噪声和保留特征之间达
NA 等 ２７ 提出 了 直 接 应 用 于 点 云 的 噪 声 点 去 除
航空发动机外形点云的保特征去噪方法———闫杰琼 周来水 胡少乾等
向安装边的薄壁结 构)和 细 节 形 状 特 征 (凸 台、全
噪方法对复杂点 云 进 行 处 理 时,通 过 反 复 试 验 也
形几何模型的重 建 精 度,因 此 需 要 研 究 一 种 点 云
到平衡的输入参数.为了解决过度光顺和反复调
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０ 引言
我国航空发动机的设计制造还不能完全满足
机的外形几何模 型、为 飞 机 设 计 提 供 航 空 发 动 机
的数字化协调样机提出了迫切的需求.
国产飞机的生产 需 求,目 前 国 产 飞 机 还 存 在 较 多
通过三维激光扫描设备获取的点云数据受设
[]
问题,鲁棒隐式 移 动 最 小 二 乘 拟 合 法(
RIMLS)９
在投影前先对法 向 量 场 进 行 双 边 滤 波,可 以 在 一
定程度上保持特 征,但 是 该 方 法 容 易 将 特 征 另 一
侧的点当 作 离 群 点 处 理.代 数 点 集 曲 面 (
APSS)
方法
[
１０]
采用代 数 球 面 拟 合 局 部 区 域 进 行 投 影 实
使用外购发动机的情况.我国的飞机设计制造已
备精度、环境光线、被测物体表面材质等因素的影
全面采用三维数 字 化 技 术,而 外 购 发 动 机 只 有 实
响,不可避免 地 带 有 噪 声.航 空 发 动 机 外 形 点 云
物及安装尺寸等 信 息,没 有 发 动 机 的 三 维 数 字 化
可大致分为机匣 装 配 体 和 管 路 系 统 两 部 分,包 含
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和非特征去噪学习的数据集.验证结果表明,在将该方法应用于各种噪声尺度的发动机外形点云时,相
比现有的学习基方法,去噪效果得到提高,且有更好的几何特征保护能 力,可 以 为 后 续 重 建 提 供 高 质 量
点云.
关键词:航空发动机;保特征去噪方法;深度学习;去噪损失函数;迭代去噪
中图分类号:
V２２８．
２８５１
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
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个 尽可能逼近模型真实底层表面的去噪后点云
^,
X 这一过程 中 要 保 护 甚 至 从 噪 声 数 据 中 恢 复 出
发动机结构特征(图 １、图 ２)的 尖 锐 特 征、薄 壁 特
征和细节形状特征.
子的位置,逼近真实的底层表面来达到去噪效果.
[ ]
局部 最 优 投 影 (
LOP)１１ 、权 重 局 部 最 优 投 影
保特征去噪方法,在去除噪声的同时,尽可能保护
参的 问 题,研 究 人 员 将 目 光 转 向 在 图 像 去 噪 [２０Ｇ２３]
上述结构的各种 几 何 特 征,为 后 续 重 建 提 供 高 质
和网格去噪 [２４Ｇ２５]中应用得非常好的基于学习的去
量点云.
[ ]
噪方法.在 Po
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程度上保持原始 模 型 的 尖 锐 特 征,但 依 旧 需 要 用
户指定三个参数,未能实现全自动.
(
５)基于 学 习 的 去 噪 方 法.现 有 的 保 特 征 去
１．
１ 保特征去噪模型
航空发动机 外 形 点 云 的 特 征 分 割 方 法(下 称
“特征分 割 方 法 ”)已 经 将 X′分 为 特 征 噪 声 点 集
２０２１ ０６ ２３
基金项目:国家科技支撑计划(
２０２０YFB２０１０７０２)
２８５０
不同程度 地 模 糊 或 破 坏 掉 这 些 结 构 的 尖 锐 特 征
(加强筋的尖锐棱边)、薄壁特征(前后安装边和纵
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台,有 利 于 后 续 重 建 出 准 确 的 发 动 机 外 形 几 何
模型.
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现去噪,但原始模型的细节特征会失真.
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３)基于 粒 子 的 去 噪 方 法.这 类 方 法 的 原 理
是从点云中选择 一 部 分 点 成 为 粒 子,通 过 改 变 粒
点,提出了一种基 于 深 度 学 习 的 点 云 保 特 征 去 噪
机匣壳体的尖锐棱边,保留安装边的薄壁结构,并
且从噪声数据中恢复出形状、大小、位置准确的凸
形几何模型的重建精度.为保证在去除噪声的同时不模糊或破坏掉发 动 机 复 杂 的 外 形 几 何 特 征,提 出
了一种基于深度学习的点云保特征去噪方法.将航空发动机外形噪声点云分割成特征数据和非特征数
据之后,分别设计了特征去噪网络和非特征去噪网络,用于预测特征噪声点和非特征噪声点的位置修正
向量,噪声点沿预测向量移动后被投影回模型真实的底层表面上,实现去噪.构建了用于特征去噪学习
第 ３２ 卷 第 ２３ 期
２０２１ 年 １２ 月
中 国 机 械 工 程
CHINA MECHANICALENGINEERING
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航空发动机外形点云的保特征去噪方法
闫杰琼 周来水 胡少乾 文思扬
南京航空航天大学机电学院,南京,
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摘要:三维激光扫描设备可以提供航空发动机外形实测点云,但其中包含的噪声会直接影响后期外
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等 [１８Ｇ１９]根据点云的局部分布特性自适应地调整了
图 １ 航空发动机外形结构特征
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模型,这给飞机与 发 动 机 的 装 配 协 调 设 计 带 来 较
机匣壳 体、管 路、凸 台、加 强 筋、成 附 件、卡 箍 等 结
大困难,因此,飞机设计部门对快速重构航空发动
构特征,它们分别起承力、包容、连接、密封和固定
作用.这些结构 特 征 形 状 复 杂,现 有 去 噪 方 法 会
收稿日期:
(
４)基于 特 征 的 去 噪 方 法.前 三 类 方 法 在 不
同特征区域很难 自 适 应 调 整 输 入 参 数,容 易 引 起
特征过 度 光 顺 或 过 度 尖 锐. 基 于 特 征 的 去 噪 方
法 [３,１５Ｇ１７]提出要先对特 征 区 域 与 非 特 征 区 域 进 行
分类识别,然后分 别 采 用 不 同 的 滤 波 方 法 对 点 云
(WLOP)[１２]、各 向 异 性 权 重 局 部 最 优 投 影
[ ]
[ ]
(
AWLOP)１３ 和连续局部最优投影(
CLOP)１４ 可
以在一定程度上 保 持 尖 锐 特 征,但 当 输 入 点 云 的
噪声尺度比较大 时 会 出 现 过 度 尖 锐 的 问 题,输 入
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岛、半岛、沉槽和螺栓),会直接影响最终发动机外
现有的保特征去噪方法可分为以下五类.
[ ]
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１)基于双边滤波的去噪方法.这类方法 １Ｇ５
有一定的保特征 效 果,但 双 边 滤 波 因 子 依 赖 于 局
很难确定一组可以在去除噪声和保留特征之间达
NA 等 ２７ 提出 了 直 接 应 用 于 点 云 的 噪 声 点 去 除
航空发动机外形点云的保特征去噪方法———闫杰琼 周来水 胡少乾等
向安装边的薄壁结 构)和 细 节 形 状 特 征 (凸 台、全
噪方法对复杂点 云 进 行 处 理 时,通 过 反 复 试 验 也
形几何模型的重 建 精 度,因 此 需 要 研 究 一 种 点 云
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我国航空发动机的设计制造还不能完全满足
机的外形几何模 型、为 飞 机 设 计 提 供 航 空 发 动 机
的数字化协调样机提出了迫切的需求.
国产飞机的生产 需 求,目 前 国 产 飞 机 还 存 在 较 多
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在投影前先对法 向 量 场 进 行 双 边 滤 波,可 以 在 一
定程度上保持特 征,但 是 该 方 法 容 易 将 特 征 另 一
侧的点当 作 离 群 点 处 理.代 数 点 集 曲 面 (
APSS)
方法
[
１０]
采用代 数 球 面 拟 合 局 部 区 域 进 行 投 影 实
使用外购发动机的情况.我国的飞机设计制造已
备精度、环境光线、被测物体表面材质等因素的影
全面采用三维数 字 化 技 术,而 外 购 发 动 机 只 有 实
响,不可避免 地 带 有 噪 声.航 空 发 动 机 外 形 点 云
物及安装尺寸等 信 息,没 有 发 动 机 的 三 维 数 字 化
可大致分为机匣 装 配 体 和 管 路 系 统 两 部 分,包 含
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和非特征去噪学习的数据集.验证结果表明,在将该方法应用于各种噪声尺度的发动机外形点云时,相
比现有的学习基方法,去噪效果得到提高,且有更好的几何特征保护能 力,可 以 为 后 续 重 建 提 供 高 质 量
点云.
关键词:航空发动机;保特征去噪方法;深度学习;去噪损失函数;迭代去噪
中图分类号:
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个 尽可能逼近模型真实底层表面的去噪后点云
^,
X 这一过程 中 要 保 护 甚 至 从 噪 声 数 据 中 恢 复 出
发动机结构特征(图 １、图 ２)的 尖 锐 特 征、薄 壁 特
征和细节形状特征.
子的位置,逼近真实的底层表面来达到去噪效果.
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局部 最 优 投 影 (
LOP)１１ 、权 重 局 部 最 优 投 影
保特征去噪方法,在去除噪声的同时,尽可能保护
参的 问 题,研 究 人 员 将 目 光 转 向 在 图 像 去 噪 [２０Ｇ２３]
上述结构的各种 几 何 特 征,为 后 续 重 建 提 供 高 质
和网格去噪 [２４Ｇ２５]中应用得非常好的基于学习的去
量点云.
[ ]
噪方法.在 Po
i
n
tNe
t２６ 基 础 上,
i
l
e
g．
程度上保持原始 模 型 的 尖 锐 特 征,但 依 旧 需 要 用
户指定三个参数,未能实现全自动.
(
５)基于 学 习 的 去 噪 方 法.现 有 的 保 特 征 去
１．
１ 保特征去噪模型
航空发动机 外 形 点 云 的 特 征 分 割 方 法(下 称
“特征分 割 方 法 ”)已 经 将 X′分 为 特 征 噪 声 点 集
２０２１ ０６ ２３
基金项目:国家科技支撑计划(
２０２０YFB２０１０７０２)
２８５０
不同程度 地 模 糊 或 破 坏 掉 这 些 结 构 的 尖 锐 特 征
(加强筋的尖锐棱边)、薄壁特征(前后安装边和纵
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台,有 利 于 后 续 重 建 出 准 确 的 发 动 机 外 形 几 何
模型.