一種新的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)方法

喜文飛，方源敏，李 帥，李 健

（昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明650093）

一種新的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)方法

喜文飛，方源敏，李 帥，李 健

（昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明650093）

三維激光掃描技術(shù)是最近幾年在測(cè)量方面發(fā)展起來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。提出利用點(diǎn)云模型中相鄰三角形夾角的大小來對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行直接精簡(jiǎn)的方法，在matlab平臺(tái)下，通過編程實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的壓縮。將精簡(jiǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過編程重新構(gòu)建三角網(wǎng)，最后在Geomagic軟件中建模，通過與原始模型進(jìn)行對(duì)比，新方法的壓縮效果比較理想。關(guān)鍵詞：三維激光掃描；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；matlab；Geomagic

三維激光掃描設(shè)備可以從物體表面獲得大量的掃描點(diǎn)，雖然掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)有著很高的精度，但是同樣也包含了大量的冗余點(diǎn)。這些冗余點(diǎn)會(huì)給計(jì)算機(jī)的建模、繪制、編輯和傳輸帶來巨大的不便，同時(shí)過度密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)也會(huì)影響物體重構(gòu)表面的光滑性，所以，對(duì)這些冗余點(diǎn)的刪除顯得至關(guān)重要。

近年來，國內(nèi)外的許多學(xué)者都致力于點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮的精簡(jiǎn)研究，取得了一定的成就。常用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)方法主要有：包圍盒法［1］、均勻網(wǎng)格法［2］、三角網(wǎng)格法［3］以及曲率采樣法［4］等。三角形網(wǎng)格簡(jiǎn)化是目前研究的一個(gè)熱門話題，它吸引了眾多學(xué)者關(guān)注的目光，并且已經(jīng)取得了一些成功的算法。在國外，Schroeder提出了基于頂點(diǎn)刪除的三角形網(wǎng)格刪除算法［5］，Isler提出了關(guān)于邊折疊和三角形折疊法［6］，Rossignac提出了頂點(diǎn)聚類的簡(jiǎn)化法［7］，國內(nèi)的一些專家學(xué)者在這方面也取得了一些進(jìn)展：例如周昆［8］提出通過將三角形折疊與QEM算法相結(jié)合的簡(jiǎn)化算法；劉春［9］等人提出基于真三維TIN的三維激光掃描數(shù)據(jù)壓縮方法。

1 三角形網(wǎng)格算法

在三角形模型中，三角形的頂點(diǎn)和邊都是相互共享的，這構(gòu)成了三角形與其他三角形鄰接的關(guān)系，可以利用三角形與三角形相鄰的關(guān)系來進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)。三角形與鄰接三角形的夾角決定了該區(qū)域的平滑度，它們之間的夾角越小說明該區(qū)域越平坦。夾角愈大，說明該區(qū)域曲率變化越大，區(qū)域變化越復(fù)雜。正是基于上述思想，本文通過計(jì)算相鄰三角形的夾角，通過夾角的大小直接進(jìn)行三角形的精簡(jiǎn)。該算法大體可分為以下幾步：①三角形法矢量的計(jì)算；②計(jì)算相鄰三角形法矢量的夾角；③設(shè)定閾值，判斷夾角與閾值的大??；④根據(jù)判斷的大小進(jìn)行三角形頂點(diǎn)的刪除；⑤三角網(wǎng)格的重建。

如圖1所示：P、A、B三點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)三角形，它們的坐標(biāo)分別為：P（x，y，z），A（x1，y1，z1），B（x2，y2，z2）。分別計(jì)算PA 與PB 的向量a、b、a＝（x1－x，y1－y，z1－z），b＝（x2－x，y2－y，z2－z），根據(jù)右手定則，定義向量a與b的乘積為

圖1 三角形夾角求解過程

2 新算法壓縮試驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)是以Intel Pentium（R）Dual－core CPU、主頻2．10GHz和內(nèi)存2．0GB為硬件環(huán)境，以Matlab7．0為程序的運(yùn)行平臺(tái)。模型的原始點(diǎn)云是10 113個(gè)點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)首先進(jìn)行了預(yù)處理，采用新算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮的效果如下所示：

通過與原始點(diǎn)云（見圖2）模型進(jìn)行比較，當(dāng)精簡(jiǎn)角度為15°時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮后保留了特征點(diǎn)，模型的面部特征點(diǎn)沒有被大量的刪減掉，原始點(diǎn)云的數(shù)量為10 113個(gè)，精簡(jiǎn)了2 327個(gè)點(diǎn)云，精簡(jiǎn)比為23．01%，如圖3所示。根據(jù)壓縮后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過編程構(gòu)建空間三角網(wǎng)，為了便于比較，選取模型的面部三角網(wǎng)進(jìn)行分析說明，空間三角網(wǎng)圖形如圖4所示。

將壓縮后構(gòu)建的點(diǎn)云三角網(wǎng)與原始點(diǎn)云構(gòu)建的三角網(wǎng)做對(duì)比如圖5所示。原始的三角網(wǎng)構(gòu)建的三角形為19 908個(gè)，壓縮后構(gòu)建的三角形為15 294個(gè)，三角形的精簡(jiǎn)比為23．18%，在特征點(diǎn)方面，壓縮后的三角網(wǎng)構(gòu)建的比較好，將精簡(jiǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，下面是建模的圖形如圖6所示。

圖6是在Geomagic軟件中建模得到的，通過建模，將壓縮后構(gòu)建的模型與原始模型作對(duì)比如圖7所示，在特征點(diǎn)保留方面，壓縮后構(gòu)建的模型是比較理想的，這說明新的方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)還是可行的。

3 結(jié)束語

介紹了點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的一些常用方法，分析了三角網(wǎng)格精簡(jiǎn)方法的現(xiàn)狀，以及已有的一些精簡(jiǎn)算法，提出了用角度法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的新算法，通過計(jì)算三角網(wǎng)格中相鄰三角形之間的夾角，設(shè)定閾值來進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)，通過構(gòu)建三角網(wǎng)與原始模型進(jìn)行比較，新方法在點(diǎn)云壓縮方面是可行的。

［1］Weir D J，Milroy M，Bradley C，et al．Reverse engineering physical models employing wrap—aroud B—spline surfaces and quadrics［J］．Proc Introduction Mech Engrs—Part BIC J．1996，210（B2）：147－157．

［2］Martin R R，Stroud I A，Marshall A D．Data reduction for reverse engineering［J］．RECCAD，Deliverable Document 1 COPERNICUS Project．1996，1068，101－113．

［3］Chen Y H，Neg C．T，Wang Y．Z．Data reduction in integrated reverse engineering and rapid prototyping［J］．International Journal of Computer Integrated Manufacturing，1999，12（2）：97－103．

［4］Saux E，Daniel M．Data reduction of polygonal curves u sin g B—splines［J］．Computer－Aided Design，1999，31（8）：507－515．

［5］Schroeder W J，Zarge J A．Decimation of triangle meshes［J］．Computer Graphics，1992，26（2）：65－70．

［6］Isler V，Lau R W H，Green Mark．Real－time multi－resolution modeling for complex virtual environments［A］．Proc of VRST’96［C］．Hong Kong，1996．11－19．

［7］Rossignac J，Borrel P．Multi－resolution 3D approximation for rendering complex scenes ［A］．Falcidieno B，Kunii Teds．Geometric Modeling in Computer Graphics［C］．New York：Spring Verlag，1993．455－465．

［8］周昆，潘志庚，石教英．基于三角形折疊的網(wǎng)格算法［J］．計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，1998，21（6）：506－513．

［9］劉春，吳杭彬．基于真三維TIN的三維激光掃描數(shù)據(jù)壓縮方法［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2006，31（10）：908－911．

A new research on data compression and simplify technology based on laser scanning point cloud

XI Wen－fei，F(xiàn)ANG Yuan－min，LI Shuai，LI Jian
（Faculty of Land Resources and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

P208

A

1006－7949（2012）04－0038－03Abstract：With the development of the measurement technology，the 3 dimension laser scanning technology appeared．It is a high－tech technology and also is the focus of recent survey development．The paper referred to simplify the cloud with the size of point cloud model adjacent triangle’s angles．In the matlab platform，through the programming we get a cloud data compression and refer new method to reconstruct the triangle net using simplified cloud data through programming．Finally we make modeling in Geomagic．Through the comparison with the original model，the new method of the compression effect is more ideal．Key words：3D Laser Scanner System；cloud data；matlab；Geomagic

2011－09－04

喜文飛（1984－），男，碩士研究生．

［責(zé)任編輯張德福］