CN108280870A - 一种点云模型纹理映射方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种点云模型纹理映射方法与系统，所述方法包括以下步骤：构建三维虚拟球体；建立图片纹理坐标与虚拟球体坐标之间的对应关系；建立虚拟球体坐标与点云重建模型坐标的对应关系；获得图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系，并据此绘制纹理映射。本发明通过构建虚拟球体作为中间层，建立纹理坐标、虚拟球体、点云模型三者之间的数学关系，使图片纹理坐标与点云模型中的点一一对应，将图片的纹理颜色值赋值给点云中的各点，从而完成点云模型的纹理映射，解决当前三维点云模型中难以进行纹理映射、渲染图形粗糙的问题，使得点云模型的纹理更加丰富，从而使三维点云模型渲染出来的效果也更真实。

Description

一种点云模型纹理映射方法与系统
技术领域
本发明涉及点云数据处理领域，特别是一种点云模型纹理映射方法与系统。
背景技术
在当今点云数据处理领域，点云数据三维重建模型的真实感关系着一款虚拟产品的品质好坏，激光雷达扫描仪、3D扫描仪的出现，使得真实物体可以形成点云数据并展现到计算机中，通过点云重建算法将点云数据重建成三维实体，然而点云重建模型曲面较多，特征点寻找困难，如何将图片纹理坐标平滑地映射到三维重建模型上，成为了点云数据处理领域、虚拟现实技术领域以及计算机视觉领域当中一个重要的问题。
传统的点云模型纹理映射方法主要是单一着色法、局部三角网格贴图映射法。单一着色法，通过在点云模型上设置相同的颜色值来为模型表面着色，这样渲染出来的点云模型，颜色单一，图形的真实感较差；构建局部三角网格进行纹理映射法，通过先将点云数据划成三角面片，再按照三角面片逐一进行纹理映射，然而渲染出来的数据模型出现立体效果差、局部出现锯齿失真、渲染速度慢等问题；逐点着色法，通过存储点云数据中点的颜色值来实现点云模型的逐点纹理映射，然而渲染出来的点云模型出现模型粗糙、颜色不能改变等问题。如何将不同样式的纹理保真的映射到三维点云重建模型上，并将其在计算机上快速呈现出来，成为了点云数据处理领域、虚拟现实领域、计算机视觉领域中一个重要的研究方向。
然而三维点云重建模型中点的数量庞大且无序，将所有点组织成网格然后再进行贴图渲染，消耗的时间较多且难以控制，因此，建立点云中的点与图片中的纹理坐标的关系成为了解决问题的关键，解决了这个问题将有效提升三维点云模型产品中模型画面的真实感、沉浸感水平，有助于开发出更多优质的图形虚拟产品。
发明内容
本发明的目的是提供一种点云模型纹理映射方法与系统，旨在解决当前三维点云模型中难以进行纹理映射、渲染图形粗糙的问题，实现点云模型的快速纹理映射，获得更加真实的渲染效果。
为达到上述技术目的，本发明提供了一种点云模型纹理映射方法，包括以下步骤：
S101、构建三维虚拟球体；
S102、建立图片纹理坐标与虚拟球体坐标之间的对应关系；
S103、建立虚拟球体坐标与点云重建模型坐标的对应关系；
S104、获得图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系，并据此绘制纹理映射。
优选地，所述三维虚拟球体以三维重建模型的原点为原点，半径为当虚拟球体能够完全包裹三维重建模型时的半径。
优选地，所述步骤S2具体操作为将纹理图片上的任一圆弧映射到三维球面上的一段纬线上，纹理图片圆弧上的点Q1对应于三维球面的点Q2；
图片纹理坐标Q1(u，v)与虚拟球体坐标Q2(x，y，z)之间的对应关系为：
α为纹理图片中线段OQ1与X轴之间的夹角，θ为三维球面中线段PQ2在水平面上与X轴之间的夹角，K为常数，O为纹理图片的原点，P为三维球面中点Q2在Z轴上的水平投影。
优选地，所述步骤S3具体操作为从三维坐标原点(0,0,0)到点云重建模型中的各点(x1,y1,z1)各引一条线，延长这条线与虚拟球体x2+y2+z2＝r2相交；
虚拟球体坐标与点云重建模型坐标的对应关系为：
m为常数。
优选地，所述步骤S4具体为根据图片纹理坐标与虚拟球体之间的对应关系以及虚拟球体与点云重建模型之间的对应关系获得图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系；
所述图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系为：
本发明还提供了一种点云模型纹理映射系统，包括：
虚拟球体构建模块，用于构建三维虚拟球体；
图片纹理-虚拟球体对应关系模块，用于建立图片纹理坐标与虚拟球体坐标之间的对应关系；
虚拟球体-重建模型对应关系模块，用于建立虚拟球体坐标与点云重建模型坐标的对应关系；
纹理映射模块，用于获得图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系，并据此绘制纹理映射。
优选地，所述三维虚拟球体以三维重建模型的原点为原点，半径为当虚拟球体能够完全包裹三维重建模型时的半径。
优选地，所述图片纹理坐标(u，v)与虚拟球体坐标(x，y，z)之间的对应关系为：
优选地，所述虚拟球体坐标与点云重建模型坐标的对应关系为：
优选地，所述图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系为：
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
与现有技术相比，本发明通过构建虚拟球体作为中间层，建立纹理坐标、虚拟球体、点云模型三者之间的数学关系，使图片纹理坐标与点云模型中的点一一对应，将图片的纹理颜色值赋值给点云中的各点，从而完成点云模型的纹理映射，解决当前三维点云模型中难以进行纹理映射、渲染图形粗糙的问题。由于虚拟球体是可以旋转或者上下移动的，这使得图片纹理可以映射到点云模型的任何位置上，这样使得点云模型的纹理更加丰富，从而使三维点云模型渲染出来的效果也更真实。
附图说明
图1为本发明实施例中所提供的一种点云模型纹理映射方法流程图；
图2为本发明实施例中所提供的一种纹理坐标与虚拟球体的映射图；
图3为本发明实施例中所提供的一种点云模型纹理映射系统结构框图。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
下面结合附图对本发明实施例所提供的一种点云模型纹理映射方法与系统进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例公开了一种点云模型纹理映射方法，包括以下步骤：
S101、构建三维虚拟球体；
在进行雷达扫描获得点云数据后，进行三维重建获得三维重建模型，以三维重建模型的原点为原点构建三维虚拟球体，逐步增大球体的半径r，使得球体能够完全包裹三维点云重建模型，记下此时的r值，r作为虚拟球体的半径，从而建立起中间球体映射层。
S102、建立图片纹理坐标与虚拟球体之间的对应关系；
为了防止纹理图像部分区域的纹理变形扭曲，图像失真、映射效果粗糙等问题出现，使用了极坐标的数学计算方法，将纹理图片上的任一圆弧映射到三维球面上的一段纬线上，如图2所示，根据面积等比约束原理，需要保持一个常数K，公式如下：
S1为纹理图片圆弧内的面积，S2为球体纬线上的截面积，为OQ2与Z轴之间的夹角。
根据纹理球面映射的相关方法，当时，纹理映射的效果较好，为计算方便，将进行计算，(K为一个可根据需要设置的常数)，设图2中点Q1对应到点Q2上，P为点Q2在Z轴上的水平投影，并且α＝θ，图片当中的纹理坐标(u，v)对应到立体球面的对应关系如下：
α为OQ1与X轴之间的夹角，O为纹理图片的原点，θ为PQ2在水平面上与X轴之间的夹角。
这样将图片的纹理坐标对应到三维虚拟球体上，从而使得图片纹理坐标与虚拟球体建立关联。
S103、建立虚拟球体与点云重建模型的对应关系；
从三维坐标原点(0,0,0)到点云重建模型中的各点(x1,y1,z1)各引一条线，延长这条线与虚拟球体x2+y2+z2＝r2相交，公式如下：
m为常数。
这样可以求得k的值,并得到虚拟球体与点云模型的对应关系，如下：
S104、绘制纹理映射。
通过步骤S2获得的图片纹理坐标与虚拟球体之间的对应关系以及步骤S3获得的虚拟球体与点云重建模型建立的对应关系，获取纹理坐标与点云重建模型的对应关系：
因此在点云模型的绘制过程中可以直接通过坐标的对应关系，拾取纹理图片中的纹理坐标，将纹理图片中的纹理颜色的RGB值幅值给点云模型中的对应的各点，从而快速实现点云重建模型的纹理映射。
本发明实施例通过构建虚拟球体作为中间层，建立纹理坐标、虚拟球体、点云模型三者之间的数学关系，使图片纹理坐标与点云模型中的点一一对应，将图片的纹理颜色值赋值给点云中的各点，从而完成点云模型的纹理映射，解决当前三维点云模型中难以进行纹理映射、渲染图形粗糙的问题。由于虚拟球体是可以旋转或者上下移动的，这使得图片纹理可以映射到点云模型的任何位置上，这样使得点云模型的纹理更加丰富，从而使三维点云模型渲染出来的效果也更真实。
如图3所示，本发明实施例还公开了一种点云模型纹理映射系统，包括：
虚拟球体构建模块，用于构建三维虚拟球体；所述三维虚拟球体以三维重建模型的原点为原点，半径为当虚拟球体能够完全包裹三维重建模型时的半径。
图片纹理-虚拟球体对应关系模块，用于建立图片纹理坐标与虚拟球体坐标之间的对应关系；所述图片纹理坐标(u，v)与虚拟球体坐标(x，y，z)之间的对应关系为：
K为常数。
虚拟球体-重建模型对应关系模块，用于建立虚拟球体坐标与点云重建模型坐标的对应关系；所述虚拟球体坐标与点云重建模型坐标的对应关系为：
纹理映射模块，用于获得图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系，并据此绘制纹理映射；
所述图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系为：
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种点云模型纹理映射方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建三维虚拟球体；
S2、建立图片纹理坐标与虚拟球体坐标之间的对应关系；
S3、建立虚拟球体坐标与点云重建模型坐标的对应关系；
S4、获得图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系，并据此绘制纹理映射。
2.根据权利要求1所述的一种点云模型纹理映射方法，其特征在于，所述三维虚拟球体以三维重建模型的原点为原点，半径为当虚拟球体能够完全包裹三维重建模型时的半径。
3.根据权利要求1所述的一种点云模型纹理映射方法，其特征在于，所述步骤S2具体操作为将纹理图片上的任一圆弧映射到三维球面上的一段纬线上，纹理图片圆弧上的点Q1对应于三维球面的点Q2；
图片纹理坐标Q1(u，v)与虚拟球体坐标Q2(x，y，z)之间的对应关系为：
α为纹理图片中线段OQ1与X轴之间的夹角，θ为三维球面中线段PQ2在水平面上与X轴之间的夹角，K为常数，O为纹理图片的原点，P为三维球面中点Q2在Z轴上的水平投影。
4.根据权利要求1所述的一种点云模型纹理映射方法，其特征在于，所述步骤S3具体操作为从三维坐标原点(0,0,0)到点云重建模型中的各点(x1,y1,z1)各引一条线，延长这条线与虚拟球体x2+y2+z2＝r2相交；
虚拟球体坐标与点云重建模型坐标的对应关系为：
m为常数。
5.根据权利要求1所述的一种点云模型纹理映射方法，其特征在于，所述步骤S4具体为根据图片纹理坐标与虚拟球体之间的对应关系以及虚拟球体与点云重建模型之间的对应关系获得图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系；
所述图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系为：
6.一种点云模型纹理映射系统，其特征在于，包括：
虚拟球体构建模块，用于构建三维虚拟球体；
图片纹理-虚拟球体对应关系模块，用于建立图片纹理坐标与虚拟球体坐标之间的对应关系；
虚拟球体-重建模型对应关系模块，用于建立虚拟球体坐标与点云重建模型坐标的对应关系；
纹理映射模块，用于获得图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系，并据此绘制纹理映射。
7.根据权利要求6所述的一种点云模型纹理映射系统，其特征在于，所述三维虚拟球体以三维重建模型的原点为原点，半径为当虚拟球体能够完全包裹三维重建模型时的半径。
8.根据权利要求6所述的一种点云模型纹理映射系统，其特征在于，所述图片纹理坐标(u，v)与虚拟球体坐标(x，y，z)之间的对应关系为：
9.根据权利要求6所述的一种点云模型纹理映射系统，其特征在于，所述虚拟球体坐标与点云重建模型坐标的对应关系为：
10.根据权利要求6所述的一种点云模型纹理映射系统，其特征在于，所述图片纹理坐标与点云重建模型坐标之间的对应关系为：
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