CN104050720B - 点云曲面重建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种点云曲面重建方法，包括如下步骤：提取输入点云的骨架曲线；编辑所述提取的骨架曲线，并指定扫掠路径；沿着所述编辑后的骨架曲线获取点云切片，利用所述点云切片拟合出NURBS闭合曲线；沿着上述指定的扫掠路径，结合拟合出的NURBS闭合曲线，对点云重建得到多个广义圆柱；将上述重建得到的多个广义圆柱合并为一个曲面，并对所述广义圆柱的相交处进行平滑操作重建点云曲面。本发明能够以最少量的交互实现最精确的点云曲面重建，可以处理缺失严重的点云数据，且曲面重建质量高，可控性好。

Description

点云曲面重建方法及系统

技术领域

本发明涉及一种点云曲面重建方法及系统。

背景技术

3D建模技术是制约着游戏、电影、计算机辅助设计等领域的各种图形学应用的主要瓶颈之一。随着3D扫描技术的发展，各种各样的三维点云数据开始变得容易获得。但是，这些点云数据往往有严重的噪声和缺失，传统的点云曲面重建方法很难得到很好的效果。

目前点云曲面重建技术主要集中在自动重建方法上。常见的自动算法有泊松重建、基于径向基函数的方法等。这些方法利用隐式函数的逼近算法来构造空间曲面，虽然在不同程度上广为应用，但是当点云数据具有较大缺失或者拓扑结构不清晰的时候，这些方法的效果都很差。除此之外，已经有一些学者开始尝试使用交互方法来提高点云重建的质量。例如，通过用户定义数据的拓扑结构来克服点云重建后的拓扑错误，或者通过用户在距离函数标定零曲面内外层来约束重建曲面的拓扑结构。

目前的交互式点云曲面重建方法都没有得到很好的效果，原因主要在于四个方面：第一，这些交互重建技术仍然建立在自动重建算法之上，当数据缺失较严重时，引入的交互不足以改善极糟糕的自动重建结果；第二，仍然采用了简单的光滑假设，当数据有尖锐特征时难以得到很好的结果；第三，这些交互方法太复杂，用户难以使用；第四，这些方法都不够成熟可靠，以至于很难被广泛使用。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种点云曲面重建方法及系统。

本发明提供一种点云曲面重建方法，该方法包括如下步骤：a.提取输入点云的骨架曲线；b.编辑所述提取的骨架曲线，并指定扫掠路径；c.沿着所述编辑后的骨架曲线获取点云切片，利用所述点云切片拟合出NURBS闭合曲线；d.沿着上述指定的扫掠路径，结合拟合出的NURBS闭合曲线，对点云重建得到多个广义圆柱；e.将上述重建得到的多个广义圆柱合并为一个曲面，并对所述广义圆柱的相交处进行平滑操作重建点云曲面。

其中，该方法还包括步骤：对上述重建的点云曲面进行交互操作，从而提高所述重建的点云曲面的质量。

所述的编辑包括：切断、连接、修剪、延长、变形。

所述的步骤c包括：采用基于曲率的平方距离极小化方法拟合NURBS闭合曲线，对拟合效果不满意时允许用户对所述NURBS闭合曲线进行修正。

所述的步骤d包括：沿着指定的扫掠路径对获取的点云切片进行扫掠，同时保证获得的新点云切片曲线和输入的点云相匹配；对每个NURBS闭合曲线向外插值，使外插之后的NURBS曲面在边界处相遇，从而检测不同切片曲线的控制点的对应关系；在检测不同切片曲线的控制点的对应关系之后，将所述扫掠路径上拟合的所有NURBS闭合曲线结合到一起。

本发明还提供一种点云曲面重建系统，包括提取模块、编辑模块、拟合模块及重建模块，其中：所述提取模块用于提取输入点云的骨架曲线；所述编辑模块用于编辑所述提取的骨架曲线，并指定扫掠路径；所述拟合模块用于沿着所述编辑后的骨架曲线获取点云切片，利用所述点云切片拟合出NURBS闭合曲线；所述重建模块用于沿着上述指定的扫掠路径，结合拟合出的NURBS闭合曲线，对点云重建得到多个广义圆柱；所述重建模块还用于将上述重建得到的多个广义圆柱合并为一个曲面，并对所述广义圆柱的相交处进行平滑操作重建点云曲面。

其中，该系统还包括交互模块用于：对上述重建的点云曲面进行交互操作，从而提高所述重建的点云曲面的质量。

所述的编辑包括：切断、连接、修剪、延长、变形。

所述的拟合模块具体用于：采用基于曲率的平方距离极小化方法拟合NURBS闭合曲线，对拟合效果不满意时允许用户对所述NURBS闭合曲线进行修正。

所述的重建模块具体用于：沿着指定的扫掠路径对获取的点云切片进行扫掠，同时保证获得的新点云切片曲线和输入的点云相匹配；对每个NURBS闭合曲线向外插值，使外插之后的NURBS曲面在边界处相遇，从而检测不同切片曲线的控制点的对应关系；在检测不同切片曲线的控制点的对应关系之后，将所述扫掠路径上拟合的所有NURBS闭合曲线结合到一起。

本发明点云曲面重建方法及系统，能够以达到以最少量的交互实现最精确的曲面重建的目的，有益效果如下：1)可以处理缺失严重的点云数据：本发明采用骨架曲线和切向曲线两种曲线作为中间表示，在数据严重缺失时依然精度很高；2)重建质量高：比传统的拟合算法更加高效鲁棒，因此获得的重建精度很高；3)交互简单：本发明在自动计算失败的情况下才需要用户交互，并且只需要对骨架曲线的交互和对切面曲线的交互两种交互；4)可控性好：本发明将三维交互分解为两种相互正交的曲线交互，提供了非常好的可交互性；5)理论重建效果可以达到完美：由于允许用户任意的控制两种相互正交的曲线，因而，理论上只要用户付出足够多的努力，点云曲面重建的精度可以达到完美。

附图说明

图1为本发明点云曲面重建方法的流程图；

图2为本发明对点云的骨架进行编辑的五种基本操作示意图；

图3为本发明点云曲面重建系统的硬件架构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

参阅图1所示，是本发明点云曲面重建方法较佳实施例的作业流程图。

步骤S401，自动提取输入点云的骨架曲线。具体而言，本实施例采用“L1-中值”算法提取所述输入点云的骨架曲线。

步骤S402，交互式地编辑所述提取的骨架曲线，并指定扫掠路径。具体如下：

如图2所示，本实施例采用五种基本操作对所述输入点云的骨架曲线进行编辑。以下对所述五种基本操作进行逐一介绍：

(1)切断：从表示点云的骨架曲线图中删除一条边，以切断骨架曲线的一条分支；或者从表示点云的骨架曲线图中删除一个度数大于2的顶点，从而删除一个结合点。

(2)连接：连接表示点云的骨架曲线图上的两个终端结点，从而将两条分支连接为一条。

(3)修剪：删除点云的骨架曲线图中一个骨架分支的末端部分。

(4)延长：从点云的骨架曲线图中骨架分支的端点处沿着末端切向继续向前生长；

(5)变形：用户通过拖动点云的骨架曲线图中骨架上的一个点，对骨架实施形变。本实施例采用移动最小二乘变形算法实现。

步骤S403，沿着所述编辑后的骨架曲线获取质量较高的点云切片，利用所述点云切片拟合出NURBS闭合曲线，如果拟合效果不好，则允许用户交互式地对所述NURBS闭合曲线进行修正。具体步骤如下：

根据所述编辑后的骨架曲线选取质量较高的点云切片，来拟合NURBS闭合曲线。本实施例采用基于曲率的平方距离极小化方法从二维点云切片中拟合NURBS闭合曲线。

若拟合效果不精确，则允许用户交互式地拖动所述NURBS闭合曲线控制点对其修正。

步骤S404，沿着上述指定的扫掠路径，结合拟合出的NURBS闭合曲线，对点云进行重建得到多个广义圆柱。具体步骤如下：

本实施例沿着用户指定的扫掠路径对上述获取的点云切片进行扫掠，同时保证获得的新点云切片曲线和输入的点云相匹配。

在上述获取的二维点云切片和从二维点云切片拟合的NURBS闭合曲线的基础上，对每个NURBS闭合曲线向外插值，使外插之后的NURBS曲面在边界处相遇，从而可以检测不同切片曲线的控制点的对应关系。通过极小化如下公式来实现外插：

其中，c_i为原始NURBS曲线，c_j为外插得到的一条NURBS曲线，E_d(c_j)表示c_j与相应二维点云切片之间的误差，E_m(c_i，c_j)表示c_i和c_j之间的相对变形程度，α为一个常数参数，本实施例一般取0.1作为α的值。从c_i开始，不断向外，逐个求出相邻的切片曲线。

在检测到不同切片曲线的控制点的对应关系之后，将所述扫掠路径上上一步拟合的所有NURBS闭合曲线结合到一起。通过极小化如下公式，求解出一个既能极小化相邻切片的相对形变又能保证拟合点云数据的广义圆柱。

在该公式中，将扫掠路径上的所有NURBS切片曲线{c_i}都放到一起求解，其中：E_d和E_m与外插公式中一致；E_s为光滑项，用来保证相邻三个NURBS切片曲线的控制点连接成的夹角尽可能小；β为一个常数参数，本实施例一般取0.01作为β的值。

步骤S405，将上述重建得到的多个广义圆柱合并为一个曲面，并对所述广义圆柱的相交处进行平滑操作，从而重建点云曲面。

本实施例将沿用户指定的扫掠路径计算得到的广义圆柱转换为距离场，使用CSG并操作将所述距离场合并到一起，然后根据该距离场生成曲面，再用拉普拉斯平滑操作对不同广义圆柱的接合处进行平滑操作，从而得到一个最终的曲面。

步骤S406，对上述重建的点云曲面进行交互操作，从而提高所述重建的点云曲面的质量。所述的交互操作主要包括：指定尖锐特征及修改重建曲面。具体如下：

指定尖锐特征：允许用户在二维屏幕上画一笔，然后求出广义圆柱上与之相交的NURBS曲线，通过修改NURBS控制点的权重使重建出的曲面具有与用户要求一致的尖锐特征。

修改重建曲面：有时自动计算出的点云曲面不一定符合用户要求，此时，用户可以选中广义圆柱上的任意一条NURBS曲线，通过编辑其控制点对最终曲面进行修改。

参阅图3所示，是本发明点云曲面重建系统的硬件架构图。该系统包括提取模块、编辑模块、拟合模块、重建模块及交互模块。

所述提取模块用于自动提取输入点云的骨架曲线。具体而言，本实施例采用“L1-中值”算法提取所述输入点云的骨架曲线。

所述编辑模块用于交互式地编辑所述提取的骨架曲线，并指定扫掠路径。具体如下：

如图2所示，本实施例采用五种基本操作对所述输入点云的骨架曲线进行编辑。以下对所述五种基本操作进行逐一介绍：

(1)切断：从表示点云的骨架曲线图中删除一条边，以切断骨架曲线的一条分支；或者从表示点云的骨架曲线图中删除一个度数大于2的顶点，从而删除一个结合点。

(2)连接：连接表示点云的骨架曲线图上的两个终端结点，从而将两条分支连接为一条。

(3)修剪：删除点云的骨架曲线图中一个骨架分支的末端部分。

(4)延长：从点云的骨架曲线图中骨架分支的端点处沿着末端切向继续向前生长；

(5)变形：用户通过拖动点云的骨架曲线图中骨架上的一个点，对骨架实施形变。本实施例采用移动最小二乘变形算法实现。

所述拟合模块用于沿着所述编辑后的骨架曲线获取质量较高的点云切片，利用所述点云切片拟合出NURBS闭合曲线，如果拟合效果不好，则允许用户交互式地对所述NURBS闭合曲线进行修正。具体步骤如下：

根据所述编辑后的骨架曲线选取质量较高的点云切片，来拟合NURBS闭合曲线。本实施例采用基于曲率的平方距离极小化方法从二维点云切片中拟合NURBS闭合曲线。

若拟合效果不精确，则允许用户交互式地拖动所述NURBS闭合曲线控制点对其修正。

所述重建模块用于沿着上述指定的扫掠路径，结合拟合出的NURBS闭合曲线，对点云进行重建得到多个广义圆柱。具体如下：

本实施例沿着用户指定的扫掠路径对上述获取的点云切片进行扫掠，同时保证获得的新点云切片曲线和输入的点云相匹配。

在上述获取的二维点云切片和从二维点云切片拟合的NURBS闭合曲线的基础上，对每个NURBS闭合曲线向外插值，使外插之后的NURBS曲面在边界处相遇，从而可以检测不同切片曲线的控制点的对应关系。通过极小化如下公式来实现外插：

其中，c_i为原始NURBS曲线，c_j为外插得到的一条NURBS曲线，E_d(c_j)表示c_j与相应二维点云切片之间的误差，E_m(c_i，c_j)表示c_i和c_j之间的相对变形程度，α为一个常数参数，本实施例一般取0.1作为α的值。从c_i开始，不断向外，逐个求出相邻的切片曲线。

在检测到不同切片曲线的控制点的对应关系之后，将所述扫掠路径上上一步拟合的所有NURBS闭合曲线结合到一起。通过极小化如下公式，求解出一个既能极小化相邻切片的相对形变又能保证拟合点云数据的广义圆柱。

在该公式中，将扫掠路径上的所有NURBS切片曲线{c_i}都放到一起求解，其中：E_d和E_m与外插公式中一致；E_s为光滑项，用来保证相邻三个NURBS切片曲线的控制点连接成的夹角尽可能小；β为一个常数参数，本实施例一般取0.01作为β的值。

所述重建模块还用于将上述重建得到的多个广义圆柱合并为一个曲面，并对所述广义圆柱的相交处进行平滑操作，从而重建点云曲面。

本实施例将沿用户指定的扫掠路径计算得到的广义圆柱转换为距离场，使用CSG并操作将所述距离场合并到一起，然后根据该距离场生成曲面，再用拉普拉斯平滑操作对不同广义圆柱的接合处进行平滑操作，从而得到一个最终的曲面。

所述交互模块用于对上述重建的点云曲面进行交互操作，从而提高所述重建的点云曲面的质量。所述的交互操作主要包括：指定尖锐特征及修改重建曲面。具体如下：

指定尖锐特征：允许用户在二维屏幕上画一笔，然后求出广义圆柱上与之相交的NURBS曲线，通过修改NURBS控制点的权重使重建出的曲面具有与用户要求一致的尖锐特征。

修改重建曲面：有时自动计算出的点云曲面不一定符合用户要求，此时，用户可以选中广义圆柱上的任意一条NURBS曲线，通过编辑其控制点对最终曲面进行修改。

虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种点云曲面重建方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

a.提取输入点云的骨架曲线；

b.编辑所述提取的骨架曲线，并指定扫掠路径；

c.沿着所述编辑后的骨架曲线获取点云切片，利用所述点云切片拟合出NURBS闭合曲线；

d.沿着上述指定的扫掠路径，结合拟合出的NURBS闭合曲线，对点云重建得到多个广义圆柱；

e.将上述重建得到的多个广义圆柱合并为一个曲面，并对所述广义圆柱的相交处进行平滑操作重建点云曲面；

其中，所述的步骤d包括：沿着指定的扫掠路径对获取的点云切片进行扫掠，同时保证获得的新点云切片曲线和输入的点云相匹配；对每个NURBS闭合曲线向外插值，使外插之后的NURBS曲面在边界处相遇，从而检测不同切片曲线的控制点的对应关系；及在检测不同切片曲线的控制点的对应关系之后，将所述扫掠路径上拟合的所有NURBS闭合曲线结合到一起。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

对上述重建的点云曲面进行交互操作，从而提高所述重建的点云曲面的质量。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的编辑包括：切断、连接、修剪、延长、变形。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤c包括：

采用基于曲率的平方距离极小化方法拟合NURBS闭合曲线，对拟合效果不满意时允许用户对所述NURBS闭合曲线进行修正。

5.一种点云曲面重建系统，其特征在于，该系统包括提取模块、编辑模块、拟合模块及重建模块，其中：

所述提取模块用于提取输入点云的骨架曲线；

所述编辑模块用于编辑所述提取的骨架曲线，并指定扫掠路径；

所述拟合模块用于沿着所述编辑后的骨架曲线获取点云切片，利用所述点云切片拟合出NURBS闭合曲线；

所述重建模块用于沿着上述指定的扫掠路径，结合拟合出的NURBS闭合曲线，对点云重建得到多个广义圆柱；

所述重建模块还用于将上述重建得到的多个广义圆柱合并为一个曲面，并对所述广义圆柱的相交处进行平滑操作重建点云曲面；

其中：所述的重建模块具体用于：沿着指定的扫掠路径对获取的点云切片进行扫掠，同时保证获得的新点云切片曲线和输入的点云相匹配；对每个NURBS闭合曲线向外插值，使外插之后的NURBS曲面在边界处相遇，从而检测不同切片曲线的控制点的对应关系；及在检测不同切片曲线的控制点的对应关系之后，将所述扫掠路径上拟合的所有NURBS闭合曲线结合到一起。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，该系统还包括交互模块用于：

对上述重建的点云曲面进行交互操作，从而提高所述重建的点云曲面的质量。

7.如权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述的编辑包括：切断、连接、修剪、延长、变形。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的拟合模块具体用于：

采用基于曲率的平方距离极小化方法拟合NURBS闭合曲线，对拟合效果不满意时允许用户对所述NURBS闭合曲线进行修正。