CN101178815A - 一种三维图像重建体的精确测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种三维图像重建体的精确测量方法，涉及一种三维图像重建体的测量方法。本发明的目的是能够让用户对所需测量的空间结构的各数据指标做出精确的测量，能够有效而准确的指导用户进行实际操作。本发明是通过旋转三维重建体和平移切割平面相结合对三维重建体进行各个部分和方位的切割后，利用切割缓冲器对其切割后的重建体进行数据存放并精确计算得到三维重建体的数据指标，从而达到对三维重建体的精确测量。本发明主要用于各种图像三维体的各数据指标的测量。

Description

一种三维图像重建体的精确测量方法

技术领域

本发明涉及一种三维图像重建体的测量方法，特别是涉及一种能够精确测量三维重建体各空间数据指标的测量方法。

背景技术

三维测量的关键技术按照操作步骤包括两方面内容：1、三维空间中点的选取，一般使用鼠标作为交互工具；2、度量计算：直线长度、角度和面积的计算，其中面积计算较为复杂，涉及不规则曲面的面积计算，目前未见有相关研究。现有的三维测量方法主要是基于深度缓冲器在三维重建体上完成的。首先利用鼠标拾取屏幕坐标，然后通过深度缓冲器获得空间所在点的世界坐标，最后完成相应的测量计算。由于是通过深度缓冲器得到三维空间的点坐标，所以这种方法只能完成距离视平面最近的空间点定位。对用户而言，虽然是三维测量，但由于无法进行距离视平面较远的空间点定位，导致测量结果与预期的测量目标相差太远，这种测量结果往往会对用户产生误导。所以说，现有的基于深度缓冲器的三维测量实现的仅仅是概念上的三维测量，并不是实用的三维测量，更不是实用的三维精确测量。

发明内容

本发明提供了一种三维图像重建体的精确测量方法，其目的是能够让用户对所需测量的空间结构的各数据指标做出精确的测量，能够有效而准确的指导用户进行实际操作。

本发明的目的是通过下列技术方案实现的：一种三维图像重建体的精确测量方法，包括以下步骤：

I、采用三维重建技术生成虚拟三维重建体：

采用光线追踪算法进行三维重建，该三维重建体的局部坐标系原点与世界坐标系的原点皆为三维重建体的中心，此原点固定；

II、计算机根据该三维重建体生成一个切割平面：

切割平面是一个用于对三维重建体进行实时切割的动态平面，它将覆盖整个三维重建体区域，切割平面的初始位置在三维重建体到视点的方向上，且位于三维重建体外部边缘上，该切割平面为透明的平面，它会将位于平面外即靠近视点方向的三维重建体的部分切割掉；

III、用户选择针对三维重建体或者针对切割平面的操作：对三维重建体和切割平面可分别用键盘和鼠标实现对它们的操作；

IV、选取切割平面：用户在计算机屏幕上单击鼠标右键，对应于选取切割平面的行为，即鼠标右键选取切割平面，在按住鼠标右键的情况下上下移动鼠标，引发切割平面的原点沿着全局固定坐标系的Z轴负方向或者正方向移动；

V、三维重建体的旋转：用户通过键盘控制三维重建体的旋转操作，键盘的上、下、左、右四个方向键分别对应着三维重建体绕X轴正向旋转、绕X轴逆向旋转、绕Y轴正向旋转以及绕Y轴逆向旋转；

VI、引入切割缓冲器：由切割平面对三维重建体进行切割后，系统重绘切割后的三维重建体，并在系统中引入切割缓冲器；绘制过程中，随着物体描述转换为投影坐标，三维重建体上的每个点(X，Y，Z)均对应于观察平面上的投影点(x，y)，在系统中引入一个切割缓冲器，切割缓冲器中的每个单元对应存放位于切割平面上的三维重建体的点信息，主要是空间点的X、Y、Z坐标值；

VII、取点：在屏幕上单击鼠标左键，对应于取全局固定坐标系中三维坐标点的操作，此时，取出切割缓冲器中对应该屏幕点的单元值，得到需要的三维点坐标值；

VIII、根据测量需要，用户通过键盘、鼠标操作实现三维重建体的旋转操作以及切割平面的移动操作后，重复步骤VII，直到已经取得足够数量的测量点；

IX、取得测量点后，通过计算完成相应的测量：

三维空间坐标两点间距离公式，记A(x1，y1，z1)，B(x2，y2，z2)，则A、B之间的距离为

$D=\sqrt{{(x1-x2)}^2+{(y1-y2)}^2+{(z1-z2)}^2}$

角度测量的方法，记a、b、c为根据三维空间中两点间距离公式计算出来的边长，A为a边所对的角，那么A可以由余弦定理求得：

cosA＝(b²+c²-a²)/2bc。

本发明的具体工作原理可以描述为：

1、首先，采用三维重建技术生成虚拟三维重建体：

三维重建技术通常采用体绘制技术，体绘制技术分为面绘制和直接体绘制两大类。面绘制技术是把体数据转换成一种逼近面表示，从而可以利用计算机图形学技术和已有的硬件加速技术完成感兴趣信息的提取。由于它借助于面表示这样一个中间转换过程，而不是直接把体数据投向屏幕进行绘制，所以又称之为间接体绘制。面绘制通常采用平面轮廓的三角形算法和Marching Cube算法实现。直接体绘制技术是以某种方式将整个数据场半透明地投影到2D屏幕上，并不借助任何中间几何图形。常用的直接体绘制方法有投影法和光线追踪算法。光线追踪算法是在体数据进行分类后，从像空间的每一个体素出发，根据设定的方法反射一条光线，在其穿过各个切片组成的体域的过程中，等间距地二次采样，由每个二次采样点的8个领域体素用三次线形插值方法得到采样点的颜色和阻光度值，依据光照模型求出各采样点的光亮度值，从而得到三维数据图像。

本发明中采用光线追踪算法进行三维重建，该三维重建体的局部坐标系原点与世界坐标系的原点皆为三维重建体的中心，此原点固定。

2、计算机根据该三维重建体生成一个切割平面：

切割平面是一个用于对三维重建体进行实时切割的动态平面，它将覆盖整个三维重建体区域。切割平面的初始位置在三维重建体到视点的方向上，且位于三维重建体外部边缘上。该切割平面为透明的平面，它会将位于平面外(靠近视点方向)的三维重建体的部分切割掉。如附图1所示：

根据测量需要，对坐标系及切割平面做如下限定：

1)、世界坐标系采用如附图1所示的右手坐标系。

2)、限定切割平面的运动范围。

对三维重建体在世界坐标系中的位置进行分析：以世界坐标系的原点为三维重建体的中心绘制出三维重建体，分析出原点与三维重建体的表面最长边的长度L，以此长度L加上一个固定的数值M，然后将结果乘以2得到数值Range，即为此切割平面在深度上的运动范围。

3)、切割平面的局部坐标原点位于全局固定坐标系的Z轴上，且限定此切割平面垂直于全局固定坐标系的Z轴。即切割平面只能执行拉近与拉远的行为。初始化时，切割面的原点在世界坐标系中的坐标值为(0，0，L+M)。

3、用户选择针对三维重建体或者针对切割平面的操作：

对三维重建体和切割平面我们分别用键盘和鼠标实现对它们的操作。

4、选取切割平面：如附图2和附图3所示，用户在计算机屏幕上单击鼠标右键，对应于选取切割平面的行为。即鼠标右键选取切割平面，在按住鼠标右键的情况下上下移动鼠标，引发切割平面的原点沿着全局坐标系的Z轴负方向或者正方向移动，从而去除如附图3所示的已切割部分。

5、三维重建体的旋转：如附图4所示，用户通过键盘控制三维重建体的旋转操作，键盘的上、下、左、右四个方向键分别对应着三维重建体绕X轴正向旋转、绕X轴逆向旋转、绕Y轴正向旋转以及绕Y轴逆向旋转。

6、由切割平面对三维重建体进行切割后，系统重绘切割后的三维重建体，并在系统中引入切割缓冲器：三维重建体绘制步骤如图5所示，绘制过程中，随着物体描述转换为投影坐标，三维重建体上的每个点(X，Y，Z)均对应于观察平面上的投影点(x，y)。如附图6所示，在系统中引入一个切割缓冲器，切割缓冲器中的每个单元对应存放位于切割平面上的三维重建体的点信息，主要是空间点的X、Y、Z坐标值。

完成上述步骤之后，即刷新了切割缓冲器。此时，如果切割缓冲器中某单元为空值，则代表在全局坐标中，在三维重建体切割平面所在深度，没有点与观察平面的单元相对应。如果切割缓冲器中某单元不为空，则代表在切割平面所在深度，三维重建体有一个点能够对应到观察平面的单元位置，且此时，切割缓冲器中的值即为此点在全局坐标系中的X，Y，Z值。

7、取点：在屏幕上单击鼠标左键，对应于取全局坐标系中三维坐标点的操作。此时，取出切割缓冲器中对应该屏幕点的单元值，若为空，则放弃此次取点操作(因为在全局坐标中，在三维重建体切割平面所在深度，没有点与观察平面的单元相对应)，若不为空，则取出切割缓冲器中的值，则得到需要的三维点坐标值。

8、根据测量需要，用户通过键盘、鼠标操作实现三维重建体的旋转操作以及切割平面的移动操作后，重复步骤7，直到已经取得足够数量的测量点，例如对体数据进行距离测量只需要取起点和终点两个点；对于体数据的角度测量则需要取三个点。

9、取得测量点后，通过计算完成相应的测量：

三维空间坐标两点间距离公式，记A(x1，y1，z1)，B(x2，y2，z2)，则A、B之间的距离为

$D=\sqrt{{(x1-x2)}^2+{(y1-y2)}^2+{(z1-z2)}^2}$

角度测量的方法，记a、b、c为根据三维空间中两点间距离公式计算出来的边长，A为a边所对的角，那么A可以由余弦定理求得：

cosA＝(b²+c²-a²)/2bc

10、总体工作流程如图7所示。

附图说明

图1为本发明的世界坐标系与切割平面示意图

图2为本发明的切割平面的移动示意图

图3为本发明的基于切割平面的三维重建体切割示意图

图4为本发明的旋转三维重建体而改变切割区域的示意图

图5为本发明的三维重建体绘制步骤示意框图

图6为本发明的切割缓冲器示意图

图7为本发明的总体工作过程示意框图

其中附图标记：1是切割平面  2是已切割部分  3是三维重建体

              4是切割缓冲器  5是观察平面

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

优选实施例

本发明的一种三维图像重建体的精确测量方法，包括以下步骤：

1、首先，采用三维重建技术生成虚拟三维重建体：

三维重建技术通常采用体绘制技术，体绘制技术分为面绘制和直接体绘制两大类。面绘制技术是把体数据转换成一种逼近面表示，从而可以利用计算机图形学技术和已有的硬件加速技术完成感兴趣信息的提取。由于它借助于面表示这样一个中间转换过程，而不是直接把体数据投向屏幕进行绘制，所以又称之为间接体绘制。面绘制通常采用平面轮廓的三角形算法和Marching Cube算法实现。直接体绘制技术是以某种方式将整个数据场半透明地投影到2D屏幕上，并不借助任何中间几何图形。常用的直接体绘制方法有投影法和光线追踪算法。光线追踪算法是在体数据进行分类后，从像空间的每一个体素出发，根据设定的方法反射一条光线，在其穿过各个切片组成的体域的过程中，等间距地二次采样，由每个二次采样点的8个领域体素用三次线形插值方法得到采样点的颜色和阻光度值，依据光照模型求出各采样点的光亮度值，从而得到三维数据图像。

本发明中采用光线追踪算法进行三维重建，该三维重建体3的局部坐标系原点与世界坐标系的原点皆为三维重建体3的中心，此原点固定。

2、计算机根据该三维重建体3生成一个切割平面1：

切割平面1是一个用于对三维重建体3进行实时切割的动态平面，它将覆盖整个三维重建体3区域。切割平面1的初始位置在三维重建体3到视点的方向上，且位于三维重建体3外部边缘上。该切割平面1为透明的平面，它会将位于平面外(靠近视点方向)的三维重建体3的部分切割掉。如附图1所示：

根据测量需要，对坐标系及切割平面1做如下限定：

1)、世界坐标系采用如附图1所示的右手坐标系。

2)、限定切割平面1的运动范围。

对三维重建体3在世界坐标系中的位置进行分析：以世界坐标系的原点为三维重建体3的中心绘制出三维重建体3，分析出原点与三维重建体3的表面最长边的长度L，以此长度L加上一个固定的数值M，然后将结果乘以2得到数值Range，即为此切割平面1在深度上的运动范围。

3)、切割平面1的局部坐标原点位于全局固定坐标系的Z轴上，且限定此切割平面1垂直于全局固定坐标系的Z轴。即切割平面1只能执行拉近与拉远的行为。初始化时，切割平面1的原点在世界坐标系中的坐标值为(0，0，L+M)。

3、用户选择针对三维重建体3或者针对切割平面1的操作：

对三维重建体3和切割平面1我们分别用键盘和鼠标实现对它们的操作。

4、选取切割平面1：如附图2和附图3所示，用户在计算机屏幕上单击鼠标右键，对应于选取切割平面1的行为。即鼠标右键选取切割平面1，在按住鼠标右键的情况下上下移动鼠标，引发切割平面1的原点沿着全局坐标系的Z轴负方向或者正方向移动，从而去除如附图3所示的已切割部分2。

5、三维重建体的旋转：如附图4所示，用户通过键盘控制三维重建体3的旋转操作，键盘的上、下、左、右四个方向键分别对应着三维重建体3绕X轴正向旋转、绕X轴逆向旋转、绕Y轴正向旋转以及绕Y轴逆向旋转。

6、由切割平面1对三维重建体3进行切割后，系统重绘切割后的三维重建体3，并在系统中引入切割缓冲器4：三维重建体3绘制步骤如图5所示，绘制过程中，随着物体描述转换为投影坐标，三维重建体3上的每个点(X，Y，Z)均对应于观察平面5上的投影点(x，y)。如附图6所示，在系统中引入一个切割缓冲器4，切割缓冲器4中的每个单元对应存放位于切割平面1上的三维重建体3的点信息，主要是空间点的X、Y、Z坐标值。

完成上述步骤之后，即刷新了切割缓冲器4。此时，如果切割缓冲器4中某单元为空值，则代表在全局坐标中，在三维重建体3的切割平面1所在深度，没有点与观察平面5的单元相对应。如果切割缓冲器4中某单元不为空，则代表在切割平面1所在深度，三维重建体3有一个点能够对应到观察平面5的单元位置，且此时，切割缓冲器4中的值即为此点在全局坐标系中的X，Y，Z值。

7、取点：在屏幕上单击鼠标左键，对应于取全局坐标系中三维坐标点的操作。此时，取出切割缓冲器4中对应该屏幕点的单元值，若为空，则放弃此次取点操作(因为在全局坐标中，在三维重建体3的切割平面1所在深度，没有点与观察平面5的单元相对应)，若不为空，则取出切割缓冲器4中的值，则得到需要的三维点坐标值。

8、根据测量需要，用户通过键盘、鼠标操作实现三维重建体3的旋转操作以及切割平面1的移动操作后，重复步骤7，直到已经取得足够数量的测量点，例如对体数据进行距离测量只需要取起点和终点两个点；对于体数据的角度测量则需要取三个点。

9、取得测量点后，通过计算完成相应的测量：

三维空间坐标两点间距离公式，记A(x1，y1，z1)，B(x2，y2，z2)，则A、B之间的距离为

$D=\sqrt{{(x1-x2)}^2+{(y1-y2)}^2+{(z1-z2)}^2}$

角度测量的方法，记a、b、c为根据三维空间中两点间距离公式计算出来的边长，A为a边所对的角，那么A可以由余弦定理求得：

cosA＝(b²+c²-a²)/2bc

10、总体工作流程如图7所示。

从本发明的各步骤的特征可以看出，本发明的优点在于通过切割平面的平移与所测三维重建体的旋转相结合，再通过引入切割缓冲器，用户得到了直观的三维重建体，然后再通过简单的鼠标、键盘操作，由三维实时切割精确定位三维空间坐标，从而实现了无限制的三维精确精确测量。

Claims (1)

1.一种三维图像重建体的精确测量方法，其特征在于包括以下步骤：

I、采用三维重建技术生成虚拟三维重建体(3)：

采用光线追踪算法进行三维重建，该三维重建体(3)的局部坐标系原点与世界坐标系的原点皆为三维重建体(3)的中心，此原点固定；

II、计算机根据该三维重建体(3)生成一个切割平面(1)：

切割平面(1)是一个用于对三维重建体(3)进行实时切割的动态平面，它将覆盖整个三维重建体(3)区域，切割平面(1)的初始位置在三维重建体(3)到视点的方向上，且位于三维重建体(3)外部边缘上，该切割平面(1)为透明的平面，它会将位于平面外即靠近视点方向的三维重建体(3)的部分切割掉；

III、用户选择针对三维重建体(3)或者针对切割平面(1)的操作：

对三维重建体(3)和切割平面(1)可分别用键盘和鼠标实现对它们的操作；

IV、选取切割平面：

用户在计算机屏幕上单击鼠标右键，对应于选取切割平面(1)的行为，即鼠标右键选取切割平面(1)，在按住鼠标右键的情况下上下移动鼠标，引发切割平面(1)的原点沿着全局固定坐标系的Z轴负方向或者正方向移动，并去除已切割部分(2)；

V、三维重建体的旋转：

用户通过键盘控制三维重建体(3)的旋转操作，键盘的上、下、左、右四个方向键分别对应着三维重建体(3)绕X轴正向旋转、绕X轴逆向旋转、绕Y轴正向旋转以及绕Y轴逆向旋转；

VI、引入切割缓冲器：

由切割平面(1)对三维重建体(3)进行切割后，系统重绘切割后的三维重建体(3)，并在系统中引入切割缓冲器(4)；绘制过程中，随着物体描述转换为投影坐标，三维重建体(3)上的每个点均对应于观察平面(5)上的投影点，在系统中引入一个切割缓冲器(4)，切割缓冲器(4)中的每个单元对应存放位于切割平面(1)上的三维重建体(3)的点信息，主要是空间点的X、Y、Z坐标值；

VII、取点：

在屏幕上单击鼠标左键，对应于取全局固定坐标系中三维坐标点的操作，此时，取出切割缓冲器(4)中对应该屏幕点的单元值，得到需要的三维点坐标值；

VIII、根据测量需要，用户通过键盘、鼠标操作实现三维重建体(3)的旋转操作以及切割平面(1)的移动操作后，重复步骤VII，直到已经取得足够数量的测量点；

IX、取得测量点后，通过计算完成相应的测量：

三维空间坐标两点间距离公式，记A(x1，y1，z1)，B(x2，y2，z2)，则A、B之间的距离为

$D=\sqrt{{(x1-x2)}^2+{(y1-y2)}^2+{(z1-z2)}^2}$

角度测量的方法，记a、b、c为根据三维空间中两点间距离公式计算出来的边长，A为a边所对的角，那么A可以由余弦定理求得：

cosA＝(b²+c²-a²)/2bc。

Images