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三维几何模型已成为继声音、图像和视频之后的一种重要的数字媒体,点云模型是以离散采样点为基元的三维几何模型。点云模型数据结构简单、存储空间紧凑,具有表达复杂表面细节的能力。本文以点云模型为研究对象,主要设计并实现了点云场景分割软件,该软件主要包含点云数据显示、点云数据网格化、点云数据脊谷特征提取和点云数据分割这四个主要模块。
(1)点云数据显示模块,包括对点云数据场景任意角度的旋转观察,放大缩小等基本功能,该模块主要利用了OpenGL相关机制来完成的。
(2)点云数据网格化模块,该部分主要实现了将点云数据进行三角网格化的操作。本软件应用了Ohtake等人的圆球相交法实现点云数据三角网格化。其通过计算点的法矢信息和构造2次误差函数进行拟合的方法来迭代进行降噪和网格化。该方法得到的三角网格曲面中大多数三角形的高宽比接近最优,能够较好的逼近原始点云数据。
(3)网格模型上脊谷特征提取模块,该模块主要实现了在第二步网格曲面上进行脊、谷信息提取的功能。要获取脊谷特征,必须进行曲率计算,本文采用的是经典离散微分几何方法来计算网格顶点曲率。在计算出网格顶点曲率之后,通过设置曲率阈值,筛选出脊点和谷点。然后根据脊点之间的拓扑关系,将脊点连接成脊线。同理,将谷点连接成谷线。
(4)点云数据分割模块,利用上面计算的脊谷点,将其作为种子点,结合区域增长思想进行网格分割,然后将网格分割结果映射到点云数据上,就得到点云分割结果。
本软件所采用的网格化算法、脊谷特征提取算法和点云数据分割算法中都有需要用户设置的参数,用户可根据需求进行灵活设置,来产生不同分辨率的网格化模型,不同尺度的脊谷特征和多分辨率的分割结果。