基于Open CASCADE下的點云數(shù)據(jù)的研究與實現(xiàn)

丁 偉，馮 飛，吳維勇

DING Wei, FENG Fei, WU Wei-yong

（九江學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，九江 332005）

基于Open CASCADE下的點云數(shù)據(jù)的研究與實現(xiàn)

The research and realization of cloud data based on Open CASCAD

丁 偉，馮 飛，吳維勇

DING Wei, FENG Fei, WU Wei-yong

（九江學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，九江 332005）

研究了基于幾何內(nèi)核Open CASCADE的三維建模平臺的研究，通過Open CASCADE類庫的建模、布爾操作、可視化系統(tǒng)的特性以及與Visual C++的有效結(jié)合，針對點云數(shù)據(jù)的加載進(jìn)行圖形的空間變換，從而實現(xiàn)圖形的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)。

Open CASCADE；空間變換；點云數(shù)據(jù)

0 引言

Open CASCADE是一套開放原始碼的CAD/CAM/CAE幾何模型核心，源自于法國的Matra Datavision公司，Open CASCADE是一個功能強(qiáng)大的三維建模工具，提供了點、線、面、體和復(fù)雜形體的顯示和交互操作，經(jīng)過深度開發(fā)后可實現(xiàn)紋理、光照、圖元填充、渲染等圖形操作和放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、漫游、模擬飛行、模擬穿越等動態(tài)操作。

OpenCascade提供二維和三維幾何體的生成、顯示和分析。Open CASCADE的基礎(chǔ)類提供各種通用服務(wù)，如自動動態(tài)內(nèi)存管理（操縱物體的處理）、收藏、例外處理、泛型的向下轉(zhuǎn)型和插件創(chuàng)造。Open CASCADE是面向?qū)ο蟮腃++類庫，這些類庫被分成了六個類庫模塊(最小類庫模塊是基礎(chǔ)類庫模塊，最大的類庫模塊是建模運(yùn)算類庫模塊)，這些類庫模塊及其內(nèi)容如下：

1）基礎(chǔ)類庫模塊(Foundation Classes)：內(nèi)核類（Kernel Classes），數(shù)學(xué)工具類（Math Utilities）；

2）建模數(shù)據(jù)類模塊（Modeling Data）：二維幾何體（2D Geometry），三維幾何體（3D Geometry），幾何體工具（Geometry Utilities），拓?fù)洌═opology）；

3）建模運(yùn)算類模塊（Modeling Algorithms）：基本體結(jié)構(gòu)（Construction of Primitives），布爾操作（Boolean Operations），倒角圓角（Fillets and Chamfers），（Offsets,Drafts Sewing and Sweeps），特征（Features），消除隱藏線（Hidden Line Removal），幾何工具（Geometric Tools），拓?fù)涔ぞ撸═opological Tools）；

4）可視化類模塊（Visualization）：二維三維通用服務(wù)（Services Common to 2D and 3D），二維可視化類（2D Visualization），三維可視化類（3D Visualization）；

5）數(shù)據(jù)交換類模塊（Data Exchange）：基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范(IGES),產(chǎn)品型號數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（STEP），AP203，AP214，數(shù)據(jù)擴(kuò)展（Extended data），exchange (XDE)；

6）應(yīng)用程序框架（Application Framework）：數(shù)據(jù)框架(Data Framework),數(shù)據(jù)存儲（Data Storage），應(yīng)用程序界面(Application Desktop)。

本文以點云數(shù)據(jù)的的加載為例，利用Open CASCADE強(qiáng)大的圖形處理功能以及Visual C++的良好數(shù)據(jù)處理能力，開發(fā)了實現(xiàn)行圖形的空間變換，從而實現(xiàn)圖形的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)。

1 Open CASCADE應(yīng)用程序框架

Open CASCADE提供了一個應(yīng)用程序開發(fā)的框架OCAF（Open CASCADE Application Frame）,可幫助開發(fā)人員快速的利用Open CASCADE進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。

OCAF提供了應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)，開發(fā)者的主要任務(wù)就是建立應(yīng)用程序所需要的數(shù)據(jù)和程序接口。OCAF的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)組織方式和其他的CAD不同，在OCAF中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不是由形體驅(qū)動的，而是由參數(shù)驅(qū)動。

用戶通過Open CASCADE 提供的OCAF的生成向?qū)Э煽焖俚脑赩isual C++中生成基于MFC的多文檔OCAF框架。生成向?qū)У牟襟E如下：

1）Open CASCADE應(yīng)用程序框架在Visual C++中的目錄選項卡中添加Open CASCADE下的inc及l(fā)ib目錄；

2）將Open CASCADE下的acafappwizard.awx及usertype.dat復(fù)制到Visual C++下的Template及Bin文件夾下；

3）在Visual C++中的Option對話框format選項卡中進(jìn)行字體格式設(shè)置，在Color項目區(qū)選擇User Defined Keywords。

2 點云數(shù)據(jù)的顯示

本文主要針對規(guī)則的兔子點云和牛點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其數(shù)據(jù)采樣方法為按行掃描。由于得到的物體的點云數(shù)據(jù)通常是海量的，而且有的物體表面曲率變化較大，形狀不規(guī)則，所以在做一片點云數(shù)據(jù)曲面顯示的時候，如果點取的太稀疏，不能反映局部曲面曲率變化的大小，如果點取的太密集，那么將給曲面擬合帶來很大的計算量。因此，將一片點云數(shù)據(jù)分割成若干小片，對每個小片分別進(jìn)行擬合顯示，最后把所有小片進(jìn)行光滑拼接，以達(dá)到良好的顯示效果。

當(dāng)節(jié)點向量區(qū)間分的很小的時候，簡捷顯示方法能夠達(dá)到較好的擬合效果。相關(guān)理論依據(jù)和證明如下：

由上可知，當(dāng)節(jié)點向量區(qū)間分的很小的時候，簡捷顯示方法能夠達(dá)到較好的擬合效果。處理后的數(shù)據(jù)通過導(dǎo)入系統(tǒng)，可顯示效果。主要代碼如下：

Handle(Prs3d_Point Aspect) aPointAspect=new

Prs3d_PointAspect(Aspect_TOM_POINT,Quantity_Color(1,0,0,Quantity_TOC_RGB),2);

Handle(AIS_Drawer) anDrawer=new AIS_Drawer;

anDrawer->SetPointAspect(aPointAspect);

anAISCompound->SetAttributes(anDrawer);

3 點云數(shù)據(jù)的實現(xiàn)

通過數(shù)據(jù)處理后，其中牛點云數(shù)據(jù)中有2904個頂點及5848個面，兔子點云數(shù)據(jù)中有53921個頂點及104167個面。

3.1 點云數(shù)據(jù)的空間變換

空間變換，也稱幾何變換或幾何運(yùn)算, 包括圖形的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等.幾何運(yùn)算可改變圖形中各物體之間的空間關(guān)系,這種運(yùn)算可以被看成是將物體在圖形內(nèi)移動。

空間變換可如下表示.設(shè)（u,v）為源圖形上的點，（x, y）為目標(biāo)圖形上的點，則幾何變換將源圖形上（u,v）處的顏色值與目標(biāo)圖形上（x, y）處的顏色值對應(yīng)起來（u,v） <—> （x,y）并具有以下關(guān)系：

或

其中X(u,v)、 Y(u,v)或U(x,y)、 V(x,y)均為變換.由(1)對應(yīng)的變換稱作向前映射法，而由(2) 對應(yīng)的變換稱作向后映射法[3]。

一個空間變換需要兩個獨(dú)立的算法。首先，需要一個算法來定義幾何變換本身， 用來描述每個像素如何從其初始位置“移動”到終止位置，即每個像素的運(yùn)動。同時，還需要一個用于灰度插值的算法。

Open CASCADE在View類中（V3d_VIew)中有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換函數(shù)，可以把當(dāng)前點轉(zhuǎn)換到3D視圖中的對應(yīng)與重合與屏幕平面上。

在實現(xiàn)的系統(tǒng)中可通過Ctrl+鼠標(biāo)中間按鍵(或鼠標(biāo)中間的小圓球)可實現(xiàn)圖形的平移、Ctrl+鼠標(biāo)左按鍵可實現(xiàn)圖形的縮放、Ctrl+鼠標(biāo)右按鍵可實現(xiàn)圖形的旋轉(zhuǎn)。

3.2 點云數(shù)據(jù)的刪除與更新

點云數(shù)據(jù)的刪除與更新是前期數(shù)據(jù)處理的核心。因為無論哪種激光掃描系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)都含有大量的冗余信息,對所有點云數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化,并選擇刪除那些明顯是多余信息的數(shù)據(jù),既直觀也給后續(xù)處理減少了工作量,最重要的是可以減小后續(xù)處理出錯的可能性。代碼如下：

3.3 程序運(yùn)行界面及效果圖

程序主界面包括幾個區(qū)域：菜單欄，圖形工具欄，主顯示區(qū)，三視圖顯示區(qū)，建?？刂茀^(qū)。數(shù)據(jù)加載后顯示效果圖如圖1、圖2所示。在圖中可執(zhí)行相關(guān)操作。

圖1 牛點云顯示效果

圖2 兔子點云顯示效果

4 結(jié)束語

在本文中,我們給出了一種簡單實用的點云數(shù)據(jù)的前期可視化操作與管理的方法。針對初始的僅具有的三維空間坐標(biāo)的點云數(shù)據(jù),實現(xiàn)了模型的空間變換操作,并支持點云的動態(tài)刪除與更新。采用了 Open CASCADE幾何內(nèi)核，由OpenCASCADE提供的數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)了復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理功能。為圖形中的數(shù)據(jù)點云操作提供了廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 0bject libraries application framework uses guide[EB/OL].WWW.0penCASCAD E-org.2006.

[2] 施法中.計算機(jī)輔助幾何設(shè)計與非均勻有理B樣條[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1994:17-25.

[3] 崔錦泰,程正興.小波分析導(dǎo)引[M].西安交通大學(xué)出版社,1995:102-105.

TP241

A

1009-0134(2010)11(下)-0216-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).73

2010-09-13

國家自然基金資助項目（60863012）；江西省自然科學(xué)基金資助項目（0611063）；江西省教育廳科技項目（GJJ08435，GJJ09346）

丁偉（1978 -），講師，碩士，研究方向為圖形圖像處理及數(shù)據(jù)庫。