CN106067193A - 一种点云数据的体素化方法和体素的遮挡裁剪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种点云数据的体素化方法，包括：根据所有点云数据在X、Y、Z三个坐标方向上的最小值和最大值，确定包含所有点云数据的最小长方体；根据所述最小长方体的尺寸以及分辨率要求，设定体素的尺寸，并根据所述体素的尺寸将所述最小长方体划分为若干体素；对于点云数据中的每一个点，确定它所处的体素，在遍历点云数据的所有点之后，只对含有点云数据的体素进行显示。本发明还公开了一种体素遮挡裁减方法。本发明对场景不敏感，能用于动态目标监测，且求交速度快。

Description

一种点云数据的体素化方法和体素的遮挡裁剪方法

技术领域

本申请涉及点云数据处理和虚拟现实技术领域，尤其涉及一种点云数据的体素化方法和体素的遮挡裁剪方法。

背景技术

现阶段，点云数据的组织与应用，通常都是通过构建三角网来实现。三角网的构建方法有很多，以区域生长法为例进行说明。区域生长法主要分为两个步骤，一是种子三角形的构建，如图1所示；二是按照区域生长策略进行生长。区域生长策略主要是通过搜索未完成构网的边来指定范围内的候选点，确定最佳候选三角形。

对场景(三维空间中所有三维物体构成一个场景)中所有的点云数据按照上述方法进行组织以后，为了能够在不影响场景显示效果的前提下，加速场景的显示，可以使用遮挡裁剪技术，确定面间的遮挡关系，只对可见面进行显示，提高效率。常用的遮挡裁剪技术有光线跟踪算法、深度缓存算法等。光线跟踪算法是在世界坐标系中，从视点向屏幕像素点作射线，确定在世界坐标系(物体的真实位置)中射线的方向向量，通过射线与每一个三角面进行求交计算，从而确定最终的遮挡关系。

传统点云数据的组织采用基于构建三角网的方法，该方法是一种面向对象的组织方法，这种方法的缺点是对场景的复杂度比较敏感，场景越复杂，构网难度越大，而且场景更新困难，一旦场景变化，需要重新进行组织。

发明内容

为了上述解决现有技术中基于构建三角网组织点云数据存在的不足，本发明提供一种点云数据的体素化方法，包括：

(1)根据所有点云数据在X、Y、Z三个坐标方向上的最小值和最大值，确定包含所有点云数据的最小长方体；(2)根据所述最小长方体的尺寸以及分辨率要求，设定体素的尺寸，并根据所述体素的尺寸将所述最小长方体划分为若干体素；(3)对于点云数据中的每一个点，确定它所处的体素，在遍历点云数据的所有点之后，只对含有点云数据的体素进行显示。

上述步骤3中确定点云数据中的每一个点所处体素的方法为：设点云数据中的每一点的坐标为(x,y,z)，采用下式计算所述每一个点所处体素的位置坐标(i,j,k)：

$\left\{\begin{array}{c}i=floor\left(\frac{x-x_{\min }}{l}\right)\\ j=floor\left(\frac{y-y_{\min }}{l}\right)\\ k=floor\left(\frac{z-z_{\min }}{l}\right)\end{array}\right.$

上式中，l为体素的尺寸，x_min为所有点云数据在X坐标方向的最小值，y_min为所有点云数据在Y坐标方向的最小值，z_min为所有点云数据在Z坐标方向的最小值。

本发明还提供了一种体素的遮挡裁剪方法，以解决在通过构建三角网组织点云数据的传统方法中需要与每个三角面进行求交导致的计算量较大的问题，该方法包括：

a、根据点云数据的分布范围，确定屏幕坐标系下像素坐标的分布范围；

b、从所述像素坐标分布范围内选取一像素点，在世界坐标系中，从视点出发向所述选取的一像素点作射线，并确定所述射线的方向向量；

c、根据所述射线的方向向量，逐层确定所述射线与最小长方体上每层体素的顶面、底面相交的交点，并根据每层体素的所述交点确定所述射线在该层所经过的所有体素；

d、从确定出的、所述射线在各层经过的所有体素中，确定并显示离视点最近的一个包含点云数据的体素，对与所述射线相交的、除所述离视点最近的一个包含点云数据的体素之外的包含点云数据的体素进行遮挡裁剪；

e、返回到步骤b继续执行，从所述像素坐标分布范围内选取下一像素点；直到选取完所述像素坐标分布范围内的所有像素点为止。

上述步骤a具体为：根据所有点云数据在X、Y、Z三个坐标方向上的最小值x_min、y_min、z_min和最大值x_max、y_max、z_max，计算(x_min，y_min，z_min)和(x_max，y_max，z_max)两点在屏幕坐标系下对应的坐标，确定像素坐标的分布范围。

上述步骤b中确定所得到射线方向向量的方法为：设视点O_c在世界坐标系下的坐标为(x_c,y_c,z_c)，像素坐标分布范围内所选取的像素点p在屏幕坐标系下的坐标为(x_p,y_p)，(x_p,y_p)转换到世界坐标系下的坐标为(x_q,y_q,z_q)，则从视点O_c出发向所述像素点p所作射线的方向向量为：

$\stackrel{\→}{n}=(x_c-x_q,y_c-y_q,z_c-z_q)/sum$

$sum=\sqrt[2]{(x_c-x_q)*(x_c-x_q)+(y_c-y_q)*(y_c-y_q)+(z_c-z_q)*(z_c-z_q)}$

上述步骤c具体为：逐层计算最小长方体上每层体素的顶面、底面分别与所述射线相交得到的两个交点Ⅰ；对于所述最小长方体上的每一层t，将该层t的所述两个交点Ⅰ向下正投影到最底层体素的底面所在的平面上得到对应的两个投影点，由于各层体素在所述平面的正投影构成同一个矩形网格，确定所述射线在所述矩形网格上的投影与矩形网格相交的各交点Ⅱ，所述各交点Ⅱ位于所述两个投影点之间，根据两个交点Ⅰ的三维坐标以及各交点Ⅱ的二维坐标和该层t在垂直方向上的坐标，确定两个交点Ⅰ所处的体素以及各交点Ⅱ对应于所述射线上的点在该层t上所处的体素，从而得到所述射线在该层t所经过的所有体素。

本发明能够达到以下有益效果：由于对场景中所有点云数据进行了体素化，无需构造三角面，场景显示难度大大降低，只需通过对包含点云数据的体素进行显示，不显示不包含点云数据的体素，因而无论场景多复杂或场景如何变化，都可快速显示出构成场景的各三维物体，从而可对目标进行快速动态监测，对空间大数据建设具有比较大的优势。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中种子三角形的构建流程图。

图2为本发明的点云数据的体素化方法流程图。

图3为本发明的体素遮挡裁减方法流程图。

图4为本发明的从视点向一像素点所作的射线与包含点云数据的最小立方体各层相交的示意图。

图5为本发明的从视点向一像素点所作的射线在XOY平面上的投影与体素在XOY平面投影形成的矩形网格相交的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

实施例1

结合图2，本发明实施例1提供一种点云数据的体素化方法，包括：

步骤S101：根据所有点云数据在X、Y、Z三个坐标方向上的最小值和最大值，确定点云数据的分布范围，即包含所有点云数据的最小长方体；

可通过比较法确定所有点云数据在X、Y、Z三个坐标方向上的最小值和最大值，即x_min和x_max，y_min和y_max，z_min和z_max，其中x_min、x_max分别为所有点云数据在X坐标方向的最小值、最大值，y_min、y_max分别为所有点云数据在Y坐标方向的最小值、最大值，z_min、z_max分别为所有点云数据在Z坐标方向的最小值、最大值。

包含点云数据的最小长方体的尺寸(即长、宽、高)可以通过所有点云数据分别在X、Y、Z三个坐标方向上的最大值减去最小值得到。

步骤S102：根据所述最小长方体的尺寸以及分辨率要求设定体素的尺寸，并根据所述体素的尺寸将所述最小长方体划分为若干体素；所述体素指的是长、宽、高均相同的立方体单元，设定每个体素的尺寸为l，即体素的长宽高均为l。

上述分辨率要求是指：执行步骤S103后，对点云数据体素化后显示出的场景与真实场景的相似程度的要求，若要求分辨率高，则体素尺寸应尽可能小，体素化后显示的场景与实际场景越相似。所述场景的显示是通过包含点云数据的体素来实现的。

包含点云数据的最小长方体，按体素尺寸划分后被均分为多层，每层又均分为若干行若干列，行列交叉处对应一个立方体单元(即体素)，每个体素中仅可包含一个点云。

步骤S103：对于点云数据中的每一个点(x,y,z)，均根据式(1)：

$\left\{\begin{array}{c}i=floor\left(\frac{x-x_{\min }}{l}\right)\\ j=floor\left(\frac{y-y_{\min }}{l}\right)\\ k=floor\left(\frac{z-z_{\min }}{l}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

计算它所处体素的位置坐标(i,j,k)，从而确定每一个点所处在的体素。式(1)中，floor()函数代表向下取整。在遍历点云数据的所有点之后，只对含有点云数据的体素进行显示，这就实现了点云的体素化。

包含点云数据的体素通过设置体素的显示属性进行显示，若该显示设置为1则显示，若为0则不显示；也可以通过设置体素的颜色属性区分显示，如包含场景中三维物体A对应点云数据的体素显示为红色；包含场景中三维物体B对应点云数据的体素显示为蓝色；等等。

本实施例基于点云数据，使用体素来实现三维场景的组织与表达，对场景复杂度不敏感，无需构造三角网，无论场景多复杂或场景如何变化，都可快速显示出构成场景的各三维物体，能够满足空间大数据的需求。

实施例2

结合图3、图4和图5，本发明实施例2提供一种基于实施例1所述的体素化方法的体素遮挡裁减方法，包括：

步骤S201：根据点云数据的分布范围(即依据所有点云数据在X、Y、Z三个坐标方向上的最小值x_min、y_min、z_min和最大值x_max、y_max、z_max得到的包含点云数据的最小长方体)，计算(x_min，y_min，z_min)和(x_max，y_max，z_max)两点在屏幕坐标系下对应的坐标，确定像素坐标的分布范围，从而减少通过从视点向像素坐标分布范围内的像素点所作射线的数量，减少射线与体素面几何求交的计算量。

步骤S202：从所述像素坐标分布范围内选取一像素点，在世界坐标系中，从视点出发向所述选取的一像素点作射线，并确定所述射线的方向向量；

确定所述射线方向向量的方法为：设视点O_c在世界坐标系下的坐标为(x_c,y_c,z_c)，像素坐标分布范围内所选取的像素点p在屏幕坐标系下的坐标为(x_p,y_p)，(x_p,y_p)转换到世界坐标系下的坐标为(x_q,y_q,z_q)，则从视点O_c出发向像素点p所作射线的方向向量通过式(2)和式(3)可得：

$\stackrel{\→}{n}=(x_c-x_q,y_c-y_q,z_c-z_q)/sum---\left(2\right)$

$sum=\sqrt[2]{(x_c-x_q)*(x_c-x_q)+(y_c-y_q)*(y_c-y_q)+(z_c-z_q)*(z_c-z_q)}---\left(3\right)$

步骤S203：根据所述射线的方向向量，逐层确定所述射线与最小长方体上每层体素的顶面、底面相交的交点，并根据每层体素的所述交点确定所述射线在该层所经过的所有体素；

设所述射线用v表示，由步骤S202可计算得到射线v的方向向量，用表示，根据体素规则化的特点(即素体的长宽高相等，所述最小长方体在长宽高上分别被体素的尺寸等分)，可以自上而下逐层计算最小长方体每层体素的顶面、底面分别与射线v相交得到的两个交点Ⅰ，每个交点Ⅰ的坐标设为(x_i,y_i,z_i)。如图4所示的最上层体素，其中一个体素的顶面与射线v相交于p1点，与其相邻的一个体素的底面与射线v相交于p2点。假设以最底层体素的底面所在平面为XOY平面，垂直方向为Z轴，射线v与最小长方体各层的交点Ⅰ的坐标可以通过式(4)-(7)依次得到：

z_i＝z_max-i*l (4)

k＝(z_i-z_q)/c (5)

x_i＝x_q+k*a (6)

y_i＝y_q+k*b (7)

式(4)中l表示体素的尺寸，即体素的长、宽、高；i依次取0，1，2，…，直到满足z_i<z_min为止。利用式(1)，由每层得到的两个交点Ⅰ的坐标(x_i,y_i,z_i)，可求得射线v在垂直方向经过的体素，也即每层第一个与射线v相交的体素，基于每层第一个与射线v相交的体素，可以求得射线v在每层所经过的其他体素，可以转换为二维平面上来做，从而得到射线v在各层经过的所有体素。

以z轴方向(垂直方向)为基准，根据体素规则分布的特点，各层体素的顶面等距，故每层体素的顶面或底面在Z轴的坐标位置是确定的，通过式(4)-(7)逐层计算射线v与沿Z轴方向上每层体素的顶面、底面的两个交点Ⅰ，记为(x₁’,y₁’,z₁’)和(x₂’,y₂’,z₂’)。对于上述最小长方体上的每一层t，将该层t的所述两个交点Ⅰ向下正投影到最底层体素的底面所在的XOY平面上得到对应的两个投影点，如图5中的点q1和点q2，投影点二维坐标分别为(x₁’,y₁’)和(x₂’,y₂’)，由于各层体素在XOY平面的正投影构成同一个矩形网格，确定射线v在所述矩形网格上的投影与矩形网格相交的各交点Ⅱ，所述各交点Ⅱ位于所述两个投影点之间，根据各交点Ⅱ的二维坐标和该层t在垂直方向(z方向)上固定的坐标位置(每层的体素对应一个固定z值)，利用式(1)，可确定各交点Ⅱ对应于射线v上的点在该层t上所处的体素。各交点Ⅱ实际上是各交点Ⅱ对应于射线v上的点在XOY平面的投影点。

上述确定各交点Ⅱ对应于射线v上的点在该层t上所处的体素的过程如下：

如图5所示，射线v与该层t体素的顶面、底面相交得到的两个交点Ⅰ在XOY平面的投影点分别为q1和q2，射线v在XOY面上的投影的方向向量是(a，b)，以Y轴方向为例，Y轴方向的矩形网格值构成等差数列，利用式(8)和式(9)可以求得射线v在两个投影点q1和q2之间的投影与矩形网格相交的所有交点Ⅱ：

y_k＝k*l+y_min (8)

x_k＝a*(y_k-y_l’)/b+x₁’ (9)

式(8)中，k依次取0，1，2，…，直到x_k大于x₂’，y_k小于y₂’为止。求得位于q1和q2之间的所有交点Ⅱ的坐标(x_k,y_k)后，根据点(x_k,y_k)及该层t的z值，该点(x_k,y_k)对应于射线v上的点的三维坐标，通过式(1)即可以求得该点(x_k,y_k)对应于射线v上的点在该层t上所处的体素。

由于此时已经确定该层t的两个交点Ⅰ所处的体素以及各交点Ⅱ对应三维点在该层t所处的体素，所以可确定射线v在该层t经过的各体素，同时判断射线v在该层t经过的体素是否包含点云数据；通过改变z值，即改变射线v与体素相交的层，同理确定射线v在每一层经过的所有体素，从而最终得到射线v在最小长方体中各层经过的所有体素。

步骤S204：从确定出的、所述射线v在各层经过的所有体素中，确定并显示离视点最近的一个包含点云数据的体素，对与所述射线v相交的、除所述离视点最近的一个包含点云数据的体素之外的包含点云数据的体素进行遮挡裁剪。

上述遮挡裁剪是指不进行绘制和显示。因为沿着任何一根射线，实际上视点只能看到离它最近的包含点云数据的体素，而射线所经过的、除离视点最近的一个包含点云数据的体素之外的包含点云数据的体素，视点是看不到的，因此需要遮挡裁剪掉，不再绘制显示，从而再现真实场景，同时减少计算量。

步骤S205：返回到步骤S202继续执行，从所述像素坐标分布范围内选取下一像素点；直到选取完所述像素坐标分布范围内的所有像素点为止。

本实施例中，由于每个体素长宽高相同，包含所有云点数据的最小长方体在长宽高上分别被体素的尺寸等分，因而最小长方体中体素是规则分布的，采用的遮挡裁剪方法就是基于这种体素规则性的特点提出的，通过从视点向像素点所作的射线与体素求交，来得到离视点最近的包含点云数据的体素，从而判断体素间的遮挡关系；利用体素的规则性，可以直接求取射线与每层体素顶面、底面的交点，计算量小，求交速度较快，能够加快体素场景的显示。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种点云数据的体素化方法，其特征在于，包括：(1)根据所有点云数据在X、Y、Z三个坐标方向上的最小值和最大值，确定包含所有点云数据的最小长方体；(2)根据所述最小长方体的尺寸以及分辨率要求，设定体素的尺寸，并根据所述体素的尺寸将所述最小长方体划分为若干体素；(3)对于点云数据中的每一个点，确定它所处的体素，在遍历点云数据的所有点之后，只对含有点云数据的体素进行显示。

2.根据权利要求1所述的点云数据的体素化方法，其特征在于，步骤(3)中确定点云数据中的每一个点所处体素的方法为：设点云数据中的每一个点的坐标为(x,y,z)，采用下式计算所述每一个点所处体素的位置坐标(i,j,k)：

$\left\{\begin{array}{c}i=floor\left(\frac{x-x_{\min }}{l}\right)\\ j=floor\left(\frac{y-y_{\min }}{l}\right)\\ k=floor\left(\frac{z-z_{\min }}{l}\right)\end{array}\right.$

上式中，l为体素的尺寸，x_min为所有点云数据在X坐标方向的最小值，y_min为所有点云数据在Y坐标方向的最小值，z_min为所有点云数据在Z坐标方向的最小值。

3.一种基于权利要求1或2所述体素化方法的体素遮挡裁减方法，其特征在于，包括：(a)根据点云数据的分布范围，确定屏幕坐标系下像素坐标的分布范围；(b)从所述像素坐标分布范围内选取一像素点，在世界坐标系中，从视点出发向所述选取的一像素点作射线，并确定所述射线的方向向量；(c)根据所述射线的方向向量，逐层确定所述射线与最小长方体上每层体素的顶面、底面相交的交点，并根据每层体素的所述交点确定所述射线在该层所经过的所有体素；(d)从确定出的、所述射线在各层经过的所有体素中，确定并显示离视点最近的一个包含点云数据的体素，对与所述射线相交的、除所述离视点最近的一个包含点云数据的体素之外的包含点云数据的体素进行遮挡裁剪；(e)返回到步骤b继续执行，从所述像素坐标分布范围内选取下一像素点；直到选取完所述像素坐标分布范围内的所有像素点为止。

4.根据权利要求3所述的体素遮挡裁减方法，其特征在于，步骤(a)具体为：根据所有点云数据在X、Y、Z三个坐标方向上的最小值x_min、y_min、z_min和最大值x_max、y_max、z_max，计算(x_min，y_min，z_min)和(x_max，y_max，z_max)两点在屏幕坐标系下对应的坐标，确定像素坐标的分布范围。

5.根据权利要求3所述的体素遮挡裁减方法，其特征在于，步骤(b)中确定所得到射线方向向量的方法为：设视点O_c在世界坐标系下的坐标为(x_c,y_c,z_c)，像素坐标分布范围内所选取的像素点p在屏幕坐标系下的坐标为(x_p,y_p)，(x_p,y_p)转换到世界坐标系下的坐标为(x_q,y_q,z_q)，则从视点O_c出发向所述像素点p所作射线的方向向量为：

$\begin{array}{c}\stackrel{\&RightArrow;}{n}=(x_c-x_q,y_c-y_q,z_c-z_q)/sum\\ sum=\sqrt[2]{(x_c-x_q)*(x_c-x_q)+(y_c-y_q)*(y_c-y_q)+(z_c-z_q)*(z_c-z_q)}.\end{array}$

6.根据权利要求5所述的体素遮挡裁减方法，其特征在于，步骤(c)具体为：逐层计算最小长方体上每层体素的顶面、底面分别与所述射线相交得到的两个交点Ⅰ；对于所述最小长方体上的每一层t，将该层t的所述两个交点Ⅰ向下正投影到最底层体素的底面所在的平面上得到对应的两个投影点，由于各层体素在所述平面的正投影构成同一个矩形网格，确定所述射线在所述矩形网格上的投影与矩形网格相交的各交点Ⅱ，所述各交点Ⅱ位于所述两个投影点之间，根据两个交点Ⅰ的三维坐标以及各交点Ⅱ的二维坐标和该层t在垂直方向上的坐标，确定两个交点Ⅰ所处的体素以及各交点Ⅱ对应于所述射线上的点在该层t上所处的体素，从而得到所述射线在该层t所经过的所有体素。