散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化探究

摘 要：三維激光掃描儀獲取的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化工作，是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。該文從開發(fā)環(huán)境配置、點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入、點(diǎn)云數(shù)據(jù)顯示等方面詳細(xì)討論了可視化的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，利用VC6 + OpenGL實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云顯示、旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、渲染等功能，為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后續(xù)處理提供了直觀的幫助。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 可視化 OpenGL

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（a）-00-02

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，可以深入到復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中采集大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而滿足精確建模的要求，并能利用采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速重建出原實(shí)體的三維模型，方便用戶從中提取三維點(diǎn)、線、面、體等各種數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于逆向工程、測(cè)繪、虛擬仿真等不同領(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)因?yàn)槠浍@取速度快、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、全數(shù)字化等特點(diǎn)，并且能夠制作形式多樣的數(shù)字產(chǎn)品等突出優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)已逐漸成為各領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?？梢哉f(shuō)三維激光掃描技術(shù)為我們提供了高科技的數(shù)據(jù)獲取工具，其廣闊的應(yīng)用前景需要科技工作者進(jìn)一步探索、發(fā)現(xiàn)。將三維激光掃描儀獲得的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。該文將從開發(fā)環(huán)境配置、點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入、點(diǎn)云數(shù)據(jù)顯示等方面詳細(xì)討論可視化的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

1 開發(fā)環(huán)境配置

該文以VC6為開發(fā)工具，但VC6并不能直接繪制并顯示三維坐標(biāo)點(diǎn)，當(dāng)前常用的處理方法是借助OpenGL來(lái)實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)坐標(biāo)的繪制與顯示工作。為了能在計(jì)算機(jī)上順利地顯示出點(diǎn)云圖像，首先需要對(duì)VC6進(jìn)行OpenGL的安裝與配置。

1.1 OpenGL介紹

OpenGL是一個(gè)開放的三維圖形軟件包，獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以方便地在各種平臺(tái)間移植。OpenGL可以與Visual C++緊密接口，可保證算法的正確性和可靠性。OpenGL使用簡(jiǎn)便，效率高，具有七大功能：提供基本的點(diǎn)、線、多邊形、復(fù)雜的三維物體（球、錐、多面體等）、復(fù)雜曲線和曲面建模功能；提供基本變換和投影變換功能；提供RGBA模式和顏色索引兩種顏色模式；具有光照和材質(zhì)設(shè)置功能；提供紋理映射功能；提供位圖顯示和圖像增強(qiáng)技術(shù)；雙緩存動(dòng)畫技術(shù)。

在三維散亂點(diǎn)云可視化過(guò)程中，首先會(huì)使用OpenGL進(jìn)行三維坐標(biāo)點(diǎn)顯示，其次會(huì)根據(jù)一定的算法提取點(diǎn)云的特征點(diǎn)，利用點(diǎn)云三角格網(wǎng)化[1-3]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的重構(gòu)并借助OpenGL調(diào)整光照、增加紋理，以更加逼真地顯示三維實(shí)體。

1.2 OpenGL庫(kù)配置文件

用戶首先需要從OpenGL官方網(wǎng)站http：//www.opengl.org下載OpenGL庫(kù)文件，下載完成后解壓得到文件包，OpenGL庫(kù)配置用到的文件分為三類：①頭文件：gl.h、glaux.h、glu.h、glut.h；②動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件：glaux.dll、glu32.dll、glut32.dll、opengl32.dll；③靜態(tài)庫(kù)文件：glaux.lib、glu32.lib、glut32.lib、opengl32.lib。

1.3 Windows下配置OpenGL

假設(shè)用戶計(jì)算機(jī)上操作系統(tǒng)（32位）安裝在C盤，VC 6安裝到C：/Program Files/Microsoft Visual Studio目錄下。將1.2中的頭文件，全部拷貝到C：/Program Files/Microsoft Visual Studio/VC98/Include/GL目錄下（如果沒有GL目錄的話，可自行創(chuàng)建）；將1.2中的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，全部拷貝到C：/WINDOWS/system目錄下；將1.2中的靜態(tài)庫(kù)文件，全部拷貝到C：/Program Files/Microsoft Visual Studio/VC98/Lib目錄下。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入

該文點(diǎn)云數(shù)據(jù)由Trimble GX三維激光掃描儀掃描獲得，該掃描儀輸出數(shù)據(jù)源文件格式是pcf，不能直接使用記事本等工具打開。解決的辦法是先使用該三維激光掃描儀自帶的RealWorks軟件將該pcf格式文件轉(zhuǎn)換成asc/txt格式輸出。

輸出時(shí)除了可以輸出坐標(biāo)信息XYZ（3個(gè)字段），還可以選擇輸出灰度值（1個(gè)字段）、RGB顏色（3個(gè)字段）和法線信息（3個(gè)字段）。

假設(shè)，僅輸出XYZ坐標(biāo)3個(gè)字段，輸出格式為asc?？梢酝ㄟ^(guò)兩種方式讀入坐標(biāo)點(diǎn)信息：①利用MFC封裝的CStdioFile類ReadString方法先將數(shù)據(jù)按行讀入，再對(duì)每行字符串進(jìn)行解析，分離出每個(gè)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)。②直接使用C語(yǔ)言提供的fscan函數(shù)將每行數(shù)據(jù)讀入對(duì)應(yīng)的字段。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)顯示

首先創(chuàng)建一個(gè)基于單文檔的OpenGL應(yīng)用程序，并在頭文件中添加必要的OpenGL庫(kù)文件和消息響應(yīng)函數(shù)，最后在源文件的相應(yīng)函數(shù)中添加代碼實(shí)現(xiàn)。殷福忠等[4-6]做了較為詳細(xì)的介紹，效果如圖1。

圖1 石頭城點(diǎn)云圖像

讀入點(diǎn)云數(shù)據(jù)并顯示之后，有時(shí)需要對(duì)點(diǎn)云圖像作進(jìn)一步處理，因此需要實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)點(diǎn)云圖像的簡(jiǎn)單交互功能，比如點(diǎn)云圖像的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放和渲染等功能。

3.1 點(diǎn)云圖像旋轉(zhuǎn)

點(diǎn)云的旋轉(zhuǎn)是為了實(shí)現(xiàn)用戶以不同的視角查看點(diǎn)云圖像。在OpenGL中一般通過(guò)glRotatef（GLdouble angle，GLdouble x，GLdouble y，GLdouble z）函數(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云圖像的旋轉(zhuǎn)，參數(shù)angle是旋轉(zhuǎn)的角度，（x，y，z）構(gòu)成了一個(gè)從OpenGL坐標(biāo)原點(diǎn)到（x，y，z）點(diǎn)的向量，是圖像旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)軸，點(diǎn)云圖像旋轉(zhuǎn)的主要算法如下：

Angle_X + =（point.y - m_LastMousePointDown.y）/ 3.6；

Angle_Y + =（point.x - m_LastMousePointDown.x）/ 3.6；

Angle_X、Angle_Y是點(diǎn)云圖像繞X、Y軸旋轉(zhuǎn)的角度；Point、m_LastMousePointDown分別為當(dāng)前鼠標(biāo)按下時(shí)的位置和上次鼠標(biāo)按下時(shí)的位置。效果如圖2。

3.2 點(diǎn)云圖像平移

點(diǎn)云的平移是為了方便了用戶查看點(diǎn)云圖像的不同部分。在OpenGL中一般通過(guò)glTranslatef（GLfloat x，GLfloat y，GLfloat z）函數(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云圖像的平移，其中x、y、z分別表示沿x、y、z軸方向的平移長(zhǎng)度。

3.3 點(diǎn)云圖像縮放

點(diǎn)云的縮放是方便了用戶以不同的比例查看點(diǎn)云圖像。glScaled（GLdouble x，GLdouble y，GLdouble z），參數(shù)x、y、z分別指的是沿x、y、z軸的縮放因子。若x=y=z，此時(shí)圖像在xyz軸實(shí)現(xiàn)等比例縮放。為了保證圖像不失真，在實(shí)際操作中一般我們令x=y=z，以實(shí)現(xiàn)三個(gè)坐標(biāo)軸方向上等比例縮放，效果如圖3。

圖2 點(diǎn)云圖像旋轉(zhuǎn)

圖3 點(diǎn)云圖像縮放

3.4 點(diǎn)云圖像渲染

點(diǎn)云數(shù)據(jù)中除坐標(biāo)信息XYZ外，還包括顏色等其他信息，單純地根據(jù)坐標(biāo)信息有時(shí)難以識(shí)別地物，因此需要顏色信息輔助用戶判讀圖像中的地物或者通過(guò)把圖像渲染成特定的顏色來(lái)增加視覺效果以方便處理。glColor3f（GLfloat red，GLfloat green，GLfloat blue）函數(shù)提供了設(shè)置點(diǎn)云顏色的功能，參數(shù)red、green、blue分別代表顏色信息RGB的分量。值得注意的是，由于OpenGL中使用的是齊次坐標(biāo)，因此如果參數(shù)red、green、blue的值大于1，要分別除以255。原始顏色渲染的圖像效果如圖4，自定義顏色渲染的圖像效果如圖5。

圖4 點(diǎn)云圖像原始顏色渲染

圖5 點(diǎn)云圖像自定義顏色渲染

4 結(jié)語(yǔ)

基于VC6開放的接口功能與OpenGL高效的圖形處理能力，該文將VC6與OpenGL緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的顯示、縮放、平移、旋轉(zhuǎn)和渲染等可視化及簡(jiǎn)單的用戶操作功能。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可視化的測(cè)試，表明MFC單文檔和 OpenGL在點(diǎn)云可視化與編輯方面有著強(qiáng)大的功能，具有一定的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用

價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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