專利名稱：一種單站地面激光掃描點(diǎn)云的構(gòu)網(wǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于逆向工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及利用地面激光掃描技術(shù)進(jìn)行對象 表面重建時，針對單站地面激光掃描點(diǎn)云的構(gòu)網(wǎng)方法。
背景技術(shù)：
地面激光掃描系統(tǒng)采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，具 有掃描速度快、實(shí)時性強(qiáng)、精度高、主動性強(qiáng)、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，是一種高 效的數(shù)據(jù)獲取模式，在逆向工程技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。地面激光掃描儀 內(nèi)部，通過兩個同步反射鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束 激光脈沖依次掃過被測區(qū)域，測量每個激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測物表面再返回儀 器所經(jīng)過的時間(或者相位差)來計算距離，同時掃描控制模塊控制和測量每個
脈沖激光的角度，最后計算出激光點(diǎn)在被測物體上的3維坐標(biāo)。這些激光掃描 點(diǎn)即為對象表面的采樣點(diǎn)， 一般數(shù)量巨大，被總稱為"點(diǎn)云"。
實(shí)際應(yīng)用中由于處理的需要，例如可視化、數(shù)據(jù)簡化等，通常需要對離 散點(diǎn)進(jìn)行三角化構(gòu)成三角網(wǎng)。三維離散點(diǎn)的三角網(wǎng)構(gòu)建算法種類繁多，可分為 直接法和間接法兩大類。
直接法是直接在三維空間中利用點(diǎn)與點(diǎn)之間的關(guān)系對點(diǎn)集構(gòu)網(wǎng)，主要包括
雕刻算法，距離函數(shù)算法和表面生長法等，此類方法的優(yōu)點(diǎn)是用真三維TIN較
真實(shí)的描述對象的表面，但其最大的問題就是在點(diǎn)密度不均勻或存在噪聲的情 況下，難以判斷點(diǎn)與點(diǎn)之間的真正鄰接關(guān)系，以至于容易出現(xiàn)表面空洞、面片重疊、法向不一致等構(gòu)網(wǎng)錯誤，此外，直接法由于涉及到三維空間分析等，在 數(shù)據(jù)量大的情況下會占用較多的系統(tǒng)資源，算法效率較低。
間接法主要指映射法，該類方法算法將局部的鄰近點(diǎn)投影到切平面上進(jìn)行 二維三角化，然后拼接成整體的三維表面模型，該類方法把復(fù)雜的三維問題簡
化為二維問題，具有較高的效率，但是其結(jié)果依賴于^r鄰域大小的選取，而且
將三維點(diǎn)集平行投影到平面上也容易導(dǎo)致點(diǎn)與點(diǎn)之間的鄰接關(guān)系判斷錯誤。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種新的單站地面激光掃描點(diǎn)云的構(gòu)網(wǎng)方法，能夠正確 判斷點(diǎn)之間的鄰接關(guān)系。
本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟
歩驟l，定義投影球面，將單站激光掃描點(diǎn)云以中心投影方式投影到投影球 面，所述投影球面是以激光發(fā)射中心點(diǎn)為球心的球面；
步驟2，構(gòu)建初始三角網(wǎng)，所述初始三角網(wǎng)是采用三維坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與投 影球面的6個交點(diǎn)構(gòu)成的一個封閉的球面Delaunay三角網(wǎng)；
歩驟3，將點(diǎn)云投影后得到的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)依次插入初始三角網(wǎng)，所述插入方 式包括以下三個步驟，
步驟3. 1，搜索包含待插入數(shù)據(jù)點(diǎn)的三角形；
步驟3. 2，局部重構(gòu)三角網(wǎng)，即在步驟3. 1搜索到待插入數(shù)據(jù)點(diǎn)所在的三角 形后，刪除該三角形，并連接該點(diǎn)與該三角形的三邊，形成三個新的三角形； 步驟3. 3，對局部重構(gòu)得到的三角網(wǎng)進(jìn)行球面L0P局部優(yōu)化； 歩驟4，刪除構(gòu)建初始三角網(wǎng)的6個交點(diǎn)，對三角網(wǎng)進(jìn)行局部重構(gòu)并進(jìn)行球 面L0P局部優(yōu)化，得到投影點(diǎn)球面Delaunay三角網(wǎng)；歩驟5，將投影點(diǎn)球面Delaunay三角網(wǎng)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)反投影到原始位置，得 到單站激光掃描點(diǎn)云的目標(biāo)三角網(wǎng)。
而且，在執(zhí)行步驟3.1中采用球面有向搜索策略，即以任意三角形為起點(diǎn) 判斷數(shù)據(jù)點(diǎn)與該三角形三條有向邊的關(guān)系，如果該點(diǎn)在某邊的負(fù)方向上，則以 包含該邊的鄰接三角形為起點(diǎn)繼續(xù)搜索，直到搜索到包含該點(diǎn)的三角形為止。
而且，判斷數(shù)據(jù)點(diǎn)與三角形中有向邊的關(guān)系利用如下公式，
通過F的符號判斷點(diǎn)"(Xa, L, Za)與球面線段S力的位置關(guān)系。
而且，所述球面LOP局部優(yōu)化利ffl如下公式，
『=
Xp —尤.Fp —K Zp-Z.
通過/F的符號判斷點(diǎn)"(Xp, Zp)與三角形Acofe的位置關(guān)系。
本發(fā)明創(chuàng)造性地提出采用球面投影代替平行投影，克服了平行投影時必然 會產(chǎn)生點(diǎn)的重疊、遮擋等問題，構(gòu)建三角網(wǎng)的結(jié)果能夠正確反映掃描點(diǎn)云中點(diǎn)
點(diǎn)之間的關(guān)系。本發(fā)明還提出了球面有向搜索策略和新的球面LOP局部優(yōu)化
方法，解決了構(gòu)建三角網(wǎng)過程中大數(shù)據(jù)量的計算效率問題,


圖]本發(fā)明投影球面和初始三角網(wǎng)示意圖； 圖2本發(fā)明實(shí)施例的球面有向搜索示意圖； 圖3本發(fā)明球面LOP局部優(yōu)化示意圖； 圖4木發(fā)明實(shí)施例的流程圖；圖5本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不意圖。
圖6本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的構(gòu)網(wǎng)效率對比圖。
具體實(shí)施例方式
木發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟-
歩驟l，定義投影球面，將單站激光掃描點(diǎn)云以中心投影方式投影到投影球
面，所述投影球面是以激光發(fā)射中心點(diǎn)為球心的球面；
地面激光掃描儀掃描方式是底座固定，激光脈沖發(fā)射方向隨著掃描頭在垂 直方向上下擺動，同時在水平方向上緩慢轉(zhuǎn)動，通過記錄激光脈沖的方向和經(jīng) 目標(biāo)表面發(fā)射后返回的時間(或相位差)來計算目標(biāo)表面三維坐標(biāo)。當(dāng)掃描視 場較大時，如果將全部掃描點(diǎn)直接通過平行投影的方式投影到一個平面上，必 然會產(chǎn)生點(diǎn)的重疊、遮擋等問題，構(gòu)出的三角網(wǎng)無法正確反映對象表面的情況 和表面點(diǎn)之間的鄰接關(guān)系。但是，掃描點(diǎn)可認(rèn)為是由激光發(fā)射中心出發(fā)的射線 與目標(biāo)表面的交點(diǎn)，所以，點(diǎn)云中所有掃描點(diǎn)對激光發(fā)射中心點(diǎn)都是可視的， 如果將掃描點(diǎn)通過中心投影的方式投影到以激光發(fā)射中心點(diǎn)為球心的球面上則 可避免上述錯誤，能解決需要解決的技術(shù)問題。
本實(shí)施例定義的投影球面可參見附圖1中以0點(diǎn)為球心的球面，激光發(fā)射 中心點(diǎn)就出于0點(diǎn)。球面直徑則可根據(jù)被測物與激光發(fā)射中心點(diǎn)的距離設(shè)定。
步驟2，構(gòu)建初始二角網(wǎng)，所述初始三角網(wǎng)是采用三維坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與投 影球面的6個交點(diǎn)構(gòu)成的一個封閉的球面Delaunay三角網(wǎng)；
本實(shí)施例構(gòu)建的初始三角網(wǎng)可參見附圖1，三維坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸XYZ與投影 球面的6個交點(diǎn)ABCDEF構(gòu)成的一個封閉的球面Delaunay三角網(wǎng)，這個初始二 角網(wǎng)包括8個三角形AABE、 AADE、 ACDE、 ABCE、 AADF、 ACDF、 ABCF、 AABF。步驟3，將點(diǎn)云投影后得到的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)依次插入初始三角網(wǎng)，所述插入方
式包括以下三個步驟3. 1~3.3。每個數(shù)據(jù)點(diǎn)插入時都執(zhí)行這三個步驟，因此在初
始三角網(wǎng)的基礎(chǔ)上，三角網(wǎng)具體構(gòu)成被不斷改變。
步驟3. 1，搜索包含待插入數(shù)據(jù)點(diǎn)的三角形；
本發(fā)明提供了進(jìn)一歩技術(shù)方案，以提高搜索效率在執(zhí)行步驟3. 1中采用 球面有向搜索策略，即以任意三角形為起點(diǎn)判斷數(shù)據(jù)點(diǎn)與該三角形三條有向邊 的關(guān)系，如果該點(diǎn)在某邊的負(fù)方向上，則以包含該邊的鄰接三角形為起點(diǎn)繼續(xù) 搜索，直到搜索到包含該點(diǎn)的三角形為止。
更進(jìn)一歩的技術(shù)方案是判斷數(shù)據(jù)點(diǎn)與三角形中有向邊的關(guān)系利用如下公
式，<formula>formula see original document page 8</formula>
(l)
按照空間坐標(biāo)軸標(biāo)注的一般原則，點(diǎn)"的坐標(biāo)軸位置標(biāo)注為(x" r" z。)，球面 線段^的端點(diǎn)坐標(biāo)軸位置為U, K,， z。)和U" i z*)，通過公式計算結(jié)果r的
符號判斷點(diǎn)〃 (A'吣L, Za)與球面線段sA的位置關(guān)系。這種方案簡單巧妙，用 于判斷位置關(guān)系具有很高效率。
參見附圖2的實(shí)施例，尋找包括P點(diǎn)的三角形，從AKLJ開始搜索，將P點(diǎn) 坐標(biāo)和球面線段KJ帶入公式(1)，根據(jù)V值符號判斷出P點(diǎn)在KJ負(fù)方向，因 此繼續(xù)以同樣的方法搜索到AKJM、 AJGM、 AMGI、 AIGH，直到判斷出P點(diǎn)處于AIGH 內(nèi)。
步驟3. 2，局部重構(gòu)三角網(wǎng)，即在步驟3. 1搜索到待插入數(shù)據(jù)點(diǎn)所在的三角 形后，刪除該三角形，并連接該點(diǎn)與該三角形的三邊，形成三個新的三角形；以附圖2的實(shí)施例來看，就是構(gòu)成APIG、 APGH、 APHI，原來的AIGH刪去。 當(dāng)然，在幾何意義上，I、 G、 H三點(diǎn)仍夠成三角形，但在三角構(gòu)網(wǎng)屮不予考慮。
步驟3. 3，對局部重構(gòu)得到的三角網(wǎng)進(jìn)行球面LOP局部優(yōu)化；
上一歩驟3.2中為三角網(wǎng)中加入了三個新的三角形，這些三角形與其相鄰 二角形構(gòu)成的三角網(wǎng)不一定符合球面Delaunay準(zhǔn)則。所謂球面Delaunay準(zhǔn)則 為以三角網(wǎng)內(nèi)任何一個三角形的外接圓為底的較小球冠上不包含第四點(diǎn)，若 出現(xiàn)四點(diǎn)共圓的情況，則連接該凸四邊形的較短的對角線形成2個新二角形。因 此需要進(jìn)行球面L0P優(yōu)化，以便實(shí)現(xiàn)插入數(shù)據(jù)點(diǎn)后仍滿足球面Delaimay準(zhǔn)則。
現(xiàn)有技術(shù)中已有球面L0P局部優(yōu)化解決方案，為了便于實(shí)施，本發(fā)明提供 了一種新的球面L0P局部優(yōu)化方案，所述球面L0P局部優(yōu)化利用如下公式，
<formula>formula see original document page 9</formula>
(2)
間坐標(biāo)軸標(biāo)注的一般原則，點(diǎn)"的坐標(biāo)軸位置為(A,1^Z,0， AcA的 各端點(diǎn)坐標(biāo)軸位置為U， Z)和(U,, Z,)、 (X, K.,Z.)，通過公式計算結(jié) 果/f的符號判斷點(diǎn)"(為，Zp)與三角形Acofe的位置關(guān)系。
參見附圖3實(shí)施例，點(diǎn)T插入三角網(wǎng)后，與相鄰ASQR之間的位置關(guān)系通過 代入公式(2)進(jìn)行判斷。在附圖3的(a)部分，由于點(diǎn)T處在ASQR的正方向 上，而圓心O處在ASQR的負(fù)方向上，因此，ASQR和ASTQ不符合球面Delaunay 準(zhǔn)則(b)部分展現(xiàn)了優(yōu)化后的形態(tài)，交換了四邊形STQR的對角線后得到了AQRT 和ASTR，點(diǎn)Q與圓心0都位于ASTR的負(fù)方向，同時，點(diǎn)S與圓心 也都位于AQRT 的負(fù)方向，因此，這兩個三角形符合球面Delaunay準(zhǔn)則。
歩驟4，刪除構(gòu)建初始二角網(wǎng)的6個交點(diǎn)，對三角網(wǎng)進(jìn)行局部重構(gòu)并進(jìn)行球面LOP局部優(yōu)化，得到投影點(diǎn)球面Delaunay三角網(wǎng)；執(zhí)行完步驟3，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)插入三角網(wǎng)后，將步驟2中構(gòu)建初始三角網(wǎng)的6 個交點(diǎn)ABCDEP'從當(dāng)前三角網(wǎng)中刪除，對刪除后留下的空洞局部重構(gòu)三角網(wǎng)并進(jìn) 行球面L0P局部優(yōu)化，局部優(yōu)化方法與步驟3. 3相同。此時的三角網(wǎng)是能夠完 整反映數(shù)據(jù)點(diǎn)位置關(guān)系的成果，本發(fā)明稱之為投影點(diǎn)球面Delaunay 二角網(wǎng)。步驟5，將投影點(diǎn)球面Delaunay三角網(wǎng)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)反投影到原始位置，得 到單站激光掃描點(diǎn)云的目標(biāo)三角網(wǎng)。由于投影點(diǎn)球面Delaunay 二角網(wǎng)中的數(shù)據(jù) 點(diǎn)來自掃描點(diǎn)云的投影，因此在最后進(jìn)行反投影變換，得到反映待測物真實(shí)位 置信息的目標(biāo)三角網(wǎng)。為了便于實(shí)施，本發(fā)明提供了實(shí)施例的具體工作流程，可供實(shí)現(xiàn)自動化處 理。參見附圖4:首先單站激光掃描點(diǎn)云；然后定義投影球面并將掃描點(diǎn)投影到 該球面構(gòu)建初始三角網(wǎng)；將投影到球面的數(shù)據(jù)點(diǎn)逐點(diǎn)插入三角網(wǎng)，插入方法 為球面有向搜索插入點(diǎn)所在的三角形，在插入的數(shù)據(jù)點(diǎn)與所包含的三角形處局部重構(gòu)三角網(wǎng)，球面LOP局部優(yōu)化三角網(wǎng)；得到插入數(shù)據(jù)點(diǎn)后的三角網(wǎng)；判斷 是否處理完所有插入的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以便通過判斷循環(huán)執(zhí)行插入直到滿足條件；刪 除初始三角網(wǎng)并局部修補(bǔ)，即刪除6個交點(diǎn)；得到投影點(diǎn)球面Delaimay三角網(wǎng)； 保持球面構(gòu)網(wǎng)關(guān)系將插入的數(shù)據(jù)點(diǎn)反投影到原始位置，通過反投影得到的點(diǎn)構(gòu) 建三角網(wǎng)結(jié)果，即滿足對象表面重建需要的目標(biāo)三角網(wǎng)。為了便于實(shí)施，本發(fā)明還提供了實(shí)施例的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，參見附圖5:在球面 Delaunay三角網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SD-TIN中包含頂點(diǎn)數(shù)組Vertex Array,用于保存 全部點(diǎn)；三角形數(shù)組Triangle Array,用于保存全部三角形。描述頂點(diǎn)的數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)標(biāo)記為VERTEX股，/ff為頂點(diǎn)序號1，2，3，4，…)，其中包含有掃描點(diǎn)原始坐標(biāo)X、 Y、 Z ，掃描點(diǎn)投影到球面后的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)ProjectedX、 ProjectedY、 ProjectedZ。描述三角形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)記為TRIANGLE y :，"為三 角形的序號(/ 二 1，2，3,4，…)，其中包含有第/個頂點(diǎn)Vertex 7，i為頂 點(diǎn)序號(/=1，2，3);第j'個鄰接三角形Neighbor 7'， J為鄰接三角形序號(戶 1， 2， 3)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的構(gòu)網(wǎng)效率與效果更佳。附圖5中，展示了將本 發(fā)明與目前最普及的逆向工程商業(yè)軟件Geomagic Studio 9的構(gòu)網(wǎng)效果與效率 進(jìn)行對比的結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)為掃描點(diǎn)數(shù)量，單位為萬點(diǎn)；縱坐標(biāo)為構(gòu)網(wǎng)時間， 單位為秒。從數(shù)據(jù)中可知，本發(fā)明的構(gòu)網(wǎng)效率要優(yōu)于Geomagic Studio 9的效 率，而且當(dāng)掃描點(diǎn)數(shù)量大于400萬時，Geomagic Studio 9就會因?yàn)閮?nèi)存不足而 中斷，而本發(fā)明可以有效的對數(shù)千萬的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)。而且，在點(diǎn)密度不均 勻或曲率較大時，用Geomagic Studio 9構(gòu)出的三角網(wǎng)會出現(xiàn)空洞，而本發(fā)明 的方法可以避免此類問題。
權(quán)利要求
1. 一種單站地面激光掃描點(diǎn)云的構(gòu)網(wǎng)方法，其特征在于采用球面投影方式實(shí)現(xiàn)單站激光掃描點(diǎn)云的構(gòu)網(wǎng)，具體包括以下步驟，步驟1，定義投影球面，將單站激光掃描點(diǎn)云以中心投影方式投影到投影球面，所述投影球面是以激光發(fā)射中心點(diǎn)為球心的球面；步驟2，構(gòu)建初始三角網(wǎng)，所述初始三角網(wǎng)是采用三維坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與投影球面的6個交點(diǎn)構(gòu)成的一個封閉的球面Delaunay三角網(wǎng)；步驟3，將點(diǎn)云投影后得到的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)依次插入初始三角網(wǎng)，所述插入方式包括以下三個步驟，步驟3.1，搜索包含待插入數(shù)據(jù)點(diǎn)的三角形；步驟3.2，局部重構(gòu)三角網(wǎng)，即在步驟3.1搜索到待插入數(shù)據(jù)點(diǎn)所在的三角形后，刪除該三角形，并連接該點(diǎn)與該三角形的三邊，形成三個新的三角形；步驟3.3，對局部重構(gòu)得到的三角網(wǎng)進(jìn)行球面LOP局部優(yōu)化；步驟4，刪除構(gòu)建初始三角網(wǎng)的6個交點(diǎn)，對三角網(wǎng)進(jìn)行局部重構(gòu)并進(jìn)行球面LOP局部優(yōu)化，得到投影點(diǎn)球面Delaunay三角網(wǎng)；步驟5，將投影點(diǎn)球面Delaunay三角網(wǎng)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)反投影到原始位置，得到單站激光掃描點(diǎn)云的目標(biāo)三角網(wǎng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)網(wǎng)方法，其特征在于在執(zhí)行步驟3. 1中采用球面 有向搜索策略，即以任意三角形為起點(diǎn)判斷數(shù)據(jù)點(diǎn)與該三角形三條有向邊的關(guān) 系，如果該點(diǎn)在某邊的負(fù)方向上，則以包含該邊的鄰接三角形為起點(diǎn)繼續(xù)搜索， 直到搜索到包含該點(diǎn)的三角形為止。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的構(gòu)網(wǎng)方法，其特征在于判斷數(shù)據(jù)點(diǎn)與三角形中有向 邊的關(guān)系利用如下公式，通過K的符號判斷點(diǎn)"U吣Za)與球面線段i的位置關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的構(gòu)網(wǎng)方法，其特征在于所述球面LOP局部優(yōu)化利用如下公式，砂'=<formula>formula see original document page 3</formula>通過r的符號判斷點(diǎn)/ Up, IV Zp)與三角形Acofe的位置關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明涉及單站地面激光掃描點(diǎn)云的構(gòu)網(wǎng)方法，包括以下步驟定義投影球面，將單站激光掃描點(diǎn)云投影到投影球面；構(gòu)建初始三角網(wǎng)；將點(diǎn)云投影后得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)依次插入初始三角網(wǎng)，所述插入方式包括三個步驟，搜索包含待插入數(shù)據(jù)點(diǎn)的三角形；局部重構(gòu)三角網(wǎng)，即在搜索到待插入數(shù)據(jù)點(diǎn)所在的三角形后，連接該點(diǎn)與該三角形的三邊形成三個新的三角形；對局部重構(gòu)得到的三角網(wǎng)進(jìn)行球面LOP局部優(yōu)化；刪除構(gòu)建初始三角網(wǎng)的6個交點(diǎn)，得到投影點(diǎn)球面Delaunay三角網(wǎng)；將投影點(diǎn)球面Delaunay三角網(wǎng)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)反投影到原始位置，得到單站激光掃描點(diǎn)云的目標(biāo)三角網(wǎng)。本發(fā)明提供的技術(shù)方案在逆向工程技術(shù)領(lǐng)域具有重大意義，能夠大幅提高地面激光掃描技術(shù)進(jìn)行對象表面重建的效率。
文檔編號G06T17/30GK101266694SQ200810047480
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月28日
發(fā)明者帆 張, 黃先鋒 申請人:武漢大學(xué)