秦始皇陵兵马俑在出土时大多已破碎,碎块数量大,结构和形状各异,大多存在缺损,采用人工方法进行拼接复原是一项周期长且难度大的工作。采用三维扫描设备获取碎块的三维数据模型,并借助计算机技术实现兵马俑碎块的虚拟拼接成为一个研究热点。由于已有的碎块匹配方法对几何特征的完整性要求较高,并且存在特征单一、误差大以及效率低等弊端,因此对兵马俑碎块的匹配效果不佳。本文针对兵马俑碎块的三维数据模型,首先对碎块进行分类并提取断裂面,然后研究基于断裂面上多特征的碎块匹配方法。本文主要工作和贡献如下:(1)提出一种碎块分类和断裂面提取方法碎块分类采用一种基于显著区域和二维形状特征的分类算法实现,首先提取碎块模型的显著区域特征,并采用EMD(earth mover’s distance)算法对区域特征进行匹配,以实现碎块粗分类;然后获取表面特征不明显碎块的二维图像信息并提取其形状特征,再采用SVM(support vector machine)分类器对其进行细分类,由此实现碎块的最终精确分类。断裂面提取则采用一种基于分割线的曲面分割算法实现,该算法通过提取凸脊特征分割线将碎块外表面分割成多张曲面,并根据曲面的粗糙程度识别出断裂面。实验结果表明,该分类算法可以实现兵马俑碎块的准确分类,断裂面提取算法能够在断裂面较原始表面粗糙的情况下有效地完成碎块断裂面提取,为后续碎块断裂面匹配拼接工作提供指导和约束。(2)提出一种基于ISS特征点的断裂面匹配方法首先提取断裂面上邻域半径约束的ISS(intrinsic shape signature)特征点,计算特征点的特征序列,并通过特征序列的匹配实现断裂面粗匹配;然后采用尺度ICP(iterative closest point)算法对断裂面上的特征点集进行进一步精匹配,从而实现断裂面的最终匹配。实验结果表明,该邻域半径约束的ISS特征点较传统ISS特征点的提取精度更高,可以有效解决全局匹配中特征提取耗时长、匹配速度慢等问题,实现碎块断裂面的精确匹配。(3)提出一种特征区域与多参数ICP结合的断裂面匹配方法首先提取断裂面上或凹或凸的特征区域,并通过对特征区域的相似性判断实现断裂面粗匹配;然后通过加入高斯分布模型、角度约束和动态迭代系数等多种参数来改进ICP算法,并采用该多参数ICP算法实现断裂面精匹配。实验结果表明,该匹配方法可以有效地抑制噪声点对匹配结果的影响,解决因旋转角变化过大而引起的匹配失败问题,并且具有较好的算法收敛性和较高的匹配速度。(4)提出一种基于2D图像特征的断裂面匹配方法首先采用一种区域层次上的点云配准算法,通过区域划分和区域匹配将断裂面初步对齐;然后将断裂面的3D点云数据转换成2D的BA(bearing angle image)图像,并采用SURF(speeded up robust features)算法提取其2D图像特征,求解匹配像素点对;最后根据2D匹配点获取相应的3D点云相关点,并计算刚体变换,由此实现断裂面精匹配。实验结果表明,该匹配方法通过区域划分和图像转换可以将大规模点云的全局匹配问题分解为一定数量的规模较小的区域匹配问题,提高了重叠区域在断裂面匹配中的作用,实现了低覆盖率断裂面的匹配。(5)提出一种多特征融合的断裂面匹配方法首先提取断裂面上的轮廓线,并通过对轮廓线的匹配将碎块断裂面粗匹配;然后提取断裂面上的曲率、法向以及点云密度等多种几何特征,并通过特征融合的匹配算法实现断裂面精匹配。实验结果表明,该匹配方法可以通过分析曲率系数、法向以及点云密度等对断裂面匹配结果的影响,融合多种特征实现断裂面的精确匹配,克服单一特征匹配方法中匹配精度不高的问题。本研究得到国家自然科学基金项目(61731015,61672013)的支持,其主要方法已应用于秦始皇陵兵马俑的虚拟复原工程中,并取得了良好的复原效果。