掃描線點(diǎn)云數(shù)據(jù)的曲面重構(gòu)技術(shù)研究

慕元軍

摘要：利用激光線結(jié)構(gòu)掃描系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)都是掃描線型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)掃描線點(diǎn)云數(shù)據(jù)自身的拓?fù)潢P(guān)系，提出了一種增量式的三角化算法進(jìn)行曲面重構(gòu)，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理上采用高斯濾波去除噪聲、曲率均勻精簡(jiǎn)法對(duì)數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)壓縮，然后對(duì)相鄰掃描線進(jìn)行網(wǎng)格剖分構(gòu)造初始網(wǎng)格，通過判斷網(wǎng)格中相鄰的三角形法矢方向的一致性，確定掃描線是否交叉，對(duì)于交叉處的網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整。

關(guān)鍵詞：掃描線 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 曲面重構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）06-0000-00

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字圖形學(xué)研究的深入，逆向工程作為一種快速設(shè)計(jì)與制造的技術(shù)，成為了研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、模具等領(lǐng)域。在這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢測(cè)、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)經(jīng)常需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的觀測(cè)掃描的結(jié)果，因此對(duì)曲面重構(gòu)的速率提出了更高要求。

本文提出一種增量式的三角化算法，充分利用掃描線點(diǎn)云的拓?fù)潢P(guān)系，將相鄰的掃描線進(jìn)行重構(gòu)，按重構(gòu)的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整得到最終網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，該方法可以實(shí)現(xiàn)高效、高精度的自由曲面重構(gòu)。

1 掃描線點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

1.1 激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

本文采用的FARO ScanArm激光掃描儀屬于線結(jié)構(gòu)光掃描系統(tǒng)。它利用激光三角法測(cè)量原理，采集物體表面的三維信息。在激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，每次激光投影到物體表面上的光刀，都將在一個(gè)平面內(nèi)，采集到的三維數(shù)據(jù)有一維是不變的，所以一條掃描線上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以看成是在一個(gè)平面上。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

高斯光順是一種線性平滑去噪算法，適用于消除高斯噪聲。在對(duì)一條掃描線進(jìn)行高斯光順的時(shí)候，首先設(shè)定掃描線上每個(gè)點(diǎn)鄰域的大小，鄰域內(nèi)各點(diǎn)的權(quán)重按高斯分布計(jì)算，則該點(diǎn)光順后的值即為鄰域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的數(shù)值的加權(quán)平均。高斯光順法可以在去除噪聲的同時(shí)很好的保持掃描對(duì)象原有的特征。

對(duì)曲面進(jìn)行精簡(jiǎn)時(shí)可以根據(jù)掃描點(diǎn)的曲率進(jìn)行處理，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)中一條掃描線為對(duì)象，將各點(diǎn)存入數(shù)組，分別計(jì)算各點(diǎn)的曲率值，再求出領(lǐng)近兩點(diǎn)的曲率差值，并與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，如果大于閾值說明采樣點(diǎn)處于物體的邊緣上，需要保留；反之，說明采樣點(diǎn)處于物體的平面區(qū)域，可以通過均勻精簡(jiǎn)的方法剔除部分點(diǎn)。這樣得到的數(shù)據(jù)較好地保持了特征。

2曲面重構(gòu)

2.1構(gòu)造初始網(wǎng)格

首先對(duì)相鄰的掃描線進(jìn)行網(wǎng)格剖分，在這里我們采用的是底邊驅(qū)動(dòng)網(wǎng)格策略，如圖1所示。

算法的思路：首先找到底邊的第一個(gè)點(diǎn)A1，然后遍歷頂邊，找到A1最近的點(diǎn)B2，判斷頂邊B2點(diǎn)前面是否還有點(diǎn)，若存在，依次與A1連接構(gòu)成三角面片，然后結(jié)合A2，建立新的三角面片。接著查找A2的最近點(diǎn)，依照上面所述的順序建立三角面片。建立三角形時(shí)，所有頂邊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)選點(diǎn)時(shí)的方向一致向右，而底邊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)方向一致向左。

2.2 網(wǎng)格的調(diào)整

利用相鄰掃描線構(gòu)造出的三角形的方向與其頂點(diǎn)的掃描方向之間的關(guān)系，可以判斷兩條相鄰的掃描線是否存在交叉現(xiàn)象，如圖2所示。

假設(shè)兩條掃描線分別為=和=，為當(dāng)前掃描線。如果從掃描方向看，兩個(gè)分屬于和的兩條掃描線之間構(gòu)造的兩個(gè)相鄰三角形的方向相反，則這兩條掃描線就是交叉的。

在這種情況下，需要將這條線的拓?fù)溥B接關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，重新按底邊驅(qū)動(dòng)策略構(gòu)建三角網(wǎng)格，如圖3所示。

3結(jié)語(yǔ)

本文提出增量式三角化算法，充分的利用掃描線點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，重構(gòu)過程方法簡(jiǎn)單，而且頻率快。是一種有效使用的方法。