CN117788482A - 一种海量点云数据的快速选择与裁切方法 - Google Patents

一种海量点云数据的快速选择与裁切方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及测绘信息技术领域,且公开了一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,包括如下步骤:在处于选择点云数据区域的界面下,选定待裁切区域,根据实时待裁切区域屏幕二维坐标数据、以及实时三维空间坐标转换屏幕二维坐标的参数数据,将待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的坐标数据进行内外拓扑关系的判断,根据内外拓扑关系的判断结果最终获得裁切区域并实时显示。该海量点云数据的快速选择与裁切方法,具备对海量点云数据进行快速选择与裁切,能够实时、流畅的浏览超大点云处理效果的优点。

Description

一种海量点云数据的快速选择与裁切方法
技术领域
本发明涉及测绘信息技术领域,具体为一种海量点云数据的快速选择与裁切方法。
背景技术
目前三维激光雷达技术在数字城市、资源环境、基础测绘等领域具有广泛的应用,获取的三维激光点云数据包括三维坐标和一定属性信息,数据量往往非常大,有时能达到几GB甚至几十GB,处理这种海量数据具有一定难度。
其中,点云数据的选择与裁切功能是点云数据处理的常用功能之一:选择功能主要是为裁切提供裁切范围,交互式的在屏幕上绘制形状,并以不同的颜色对选择区域内的点云数据进行实时渲染;裁切功能是对选择区域内的点云数据进行显示或不显示,即被裁切掉的点云数据是不可见的,选择与裁切计算过程是类似的;
而对于屏幕上实时显示选择与裁切效果,目前一般有以下几种方法:
(1)内存中的点云数据是抽稀的静态数据,然后逐点判断是否在选择区域内进而显示结果,此方法的显示与浏览可能不会有卡顿(根据内存数据量而定),但是无法看到所有数据的细节;
(2)内存中的点云数据是动态调度的数据,然后逐点判断是否在选择区域内进而显示结果。此方法浏览时能够看到数据的细节,但因内存中数据动态变化后需要重新做一遍选择或裁切过程,若过程较慢则导致浏览不畅,即每次旋转、缩放或移动都会卡顿;
其中,判断点云数据的三维点是否在选择区域内,目前一般做法:将屏幕绘制的多边形二维顶点投射到三维点云数据坐标系中,得到三维顶点组成的区域空间,对点云数据的三维点是否落在该区域空间内进行判断进而显示结果,该方法是在三维空间中的判断,比二维空间计算更为复杂(根据选择区域的形状复杂度而定);
现针对上述存在的问题,提出一种海量点云数据的快速选择与裁切方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,具备对海量点云数据进行快速选择与裁切,能够实时、流畅的浏览超大点云处理效果的优点。
(二)技术方案
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,包括如下步骤:
在处于选择点云数据区域的界面下,选定待裁切区域,根据实时待裁切区域屏幕二维坐标数据、以及实时三维空间坐标转换屏幕二维坐标的参数数据;
将待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的坐标数据进行内外拓扑关系的判断,根据内外拓扑关系的判断结果最终获得裁切区域并实时显示。
进一步,还包括用于存储点云数据的内存模块,所述内存模块与GPU相连用于将存储的点云数据传送至GPU。
进一步,所述待裁切区域屏幕二维坐标数据及实时三维空间坐标转换屏幕二维坐标的参数数据均传送至GPU,在所述选定所述待裁切区域过程及进行内外拓扑关系的判断过程均由GPU执行计算。
进一步,在进行内外拓扑关系的判断过程中,还包括:获取所述待裁切区域的外包矩形区域,判断过程如下:
判断待处理点云数据的坐标数据与外包矩形区域的内外拓扑关系;
再判断待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的内外拓扑关系。
进一步,在选定待裁切区域过程中,还包括:选定所述待裁切区域具有裁切定义;
其中:所述裁切定义包括内裁切或外裁切。
进一步,选定所述待裁切区域的裁切定义为内裁切,判断过程如下:
判断待处理点云数据的坐标数据与外包矩形区域的内外拓扑关系;
若所述待处理点云数据的坐标数据未位于外包矩形区域的坐标数据范围内,则不显示该点数据;
若所述待处理点云数据的坐标数据位于外包矩形区域的坐标数据范围内,则进行下一步;
再判断待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的内外拓扑关系;
若所述待处理点云数据的坐标数据未位于待裁切区域各顶点的坐标数据范围内,则不显示该点数据;
若所述待处理点云数据的坐标数据位于待裁切区域各顶点的坐标数据范围内,则预保留该点云数据获得裁切区域。
进一步,选定所述待裁切区域的裁切定义为外裁切,判断过程如下:
判断待处理点云数据的坐标数据与外包矩形区域的内外拓扑关系;
若所述待处理点云数据的坐标数据位于外包矩形区域的坐标数据范围内,则进行下一步;
若所述待处理点云数据的坐标数据未位于外包矩形区域的坐标数据范围内,则预保留该点数据并进行下一个待裁切区域的判断;
再判断待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的内外拓扑关系;
若所述待处理点云数据的坐标数据位于待裁切区域各顶点的坐标数据范围内,则不显示该点数据;
若所述待处理点云数据的坐标数据未位于待裁切区域各顶点的坐标数据范围内,则预保留该点云数据获得裁切区域。
进一步,所述待裁切区域形状包括多边形、圆形、矩形、套索和球体。
进一步,选定所述待裁切区域的数量不少于一个。
本发明的有益效果是:
本发明的选择与裁切过程采用将三维点投射到二维屏幕,对二维坐标点与二维选择区域进行内外拓扑关系的判断,较传统方式在三维空间中计算更为简单、计算复杂度低且速度快。
附图说明
图1为本发明点云数据选择与裁切处理的流程图;
图2为本发明GPU中单个三维点进行裁切处理的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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,都属于本发明保护的范围。
由图1和图2给出一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,包括如下步骤:
在处于选择点云数据区域的界面下,选定待裁切区域,根据实时待裁切区域屏幕二维坐标数据、以及实时三维空间坐标转换屏幕二维坐标的参数数据;
将待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的坐标数据进行内外拓扑关系的判断,根据内外拓扑关系的判断结果最终获得裁切区域并实时显示,为方便理解,将上述方案称为点正算的选择与裁切计算,附图1中该步骤也以点正算进行表示;
对比常用的选择与裁切方法(可称之为点反算方法),即将选择多边形或其它形状的顶点转换至点云数据所在的三维坐标系中,方便在三维空间中对点是否在选择区域内进行判断,因仅涉及少量点的转换计算被常用。而本发明中使用的点正算方法,是将点云数据的三维点坐标转换成屏幕二维坐标,用转换后的点与屏幕绘制的选择区域多边形或其它形状进行内外拓扑判断,进而判断是否选择或裁切该点。此方法比点反算方法更简单且更高效,虽然每个点都要做一次坐标转换(若串行处理确实耗时长),但是利用GPU并行计算便能极快的完成。
进一步,待裁切区域形状包括多边形、圆形、矩形、套索和球体等任意形状;
进一步,选定待裁切区域的数量不少于一个;
其中,选择不限于增加选择,也可以减少选择,可以多次选择,也可以在上一次的结果上操作,选择与裁切都可以多次操作,也可以交替进行,可以在上一次的选择与裁切结果上再选择或裁切,本方案是实时动态调用该快速选择与裁切方法达到浏览叠加效果;
进一步,在进行内外拓扑关系的判断过程中,还包括:获取待裁切区域的外包矩形区域,判断过程如下:
判断待处理点云数据的坐标数据与外包矩形区域的内外拓扑关系,优选的,判断次数为四次,可保证速度快和判断精确度;
再判断待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的内外拓扑关系;
基于海量点云数据在浏览过程中是实时动态调度的,内存中的点云数据是随时变化的,上述选择与裁切方法是基于该动态调度机制的;其次,选择与裁切可以交替进行,也可以是多次的叠加,该方法的极速特性是与实时刷新显示配合运用的,能够保证任何时候的任意一次选择或裁切效果的准确性和实时性;
其中,对于选择点云数据区域的界面下,在判断后属于待裁切区域内的点用不同的颜色渲染显示以示区分,所有点都是可见的;对于裁切区域,对判断后应裁切掉的点是不进行渲染显示的,是不可见的。
进一步,在选定待裁切区域过程中,还包括:选定待裁切区域具有裁切定义;
其中:裁切定义包括内裁切或外裁切。
进一步,选定待裁切区域的裁切定义为内裁切,判断过程如下:
判断待处理点云数据的坐标数据与外包矩形区域的内外拓扑关系;
若待处理点云数据的坐标数据未位于外包矩形区域的坐标数据范围内,则不显示该点数据;
若待处理点云数据的坐标数据位于外包矩形区域的坐标数据范围内,则进行下一步;
再判断待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的内外拓扑关系;
若待处理点云数据的坐标数据未位于待裁切区域各顶点的坐标数据范围内,则不显示该点数据;
若待处理点云数据的坐标数据位于待裁切区域各顶点的坐标数据范围内,则预保留该点云数据获得裁切区域。
进一步,选定待裁切区域的裁切定义为外裁切,判断过程如下:
判断待处理点云数据的坐标数据与外包矩形区域的内外拓扑关系;
若待处理点云数据的坐标数据位于外包矩形区域的坐标数据范围内,则进行下一步;
若待处理点云数据的坐标数据未位于外包矩形区域的坐标数据范围内,则预保留该点云数据;
再判断待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的内外拓扑关系;
若待处理点云数据的坐标数据位于待裁切区域各顶点的坐标数据范围内,则不显示该点数据;
若待处理点云数据的坐标数据未位于待裁切区域各顶点的坐标数据范围内,则预保留该点云数据获得裁切区域。
由图1给出,根据海量点云数据,鉴于有限的内存及无损显示的要求,因此海量点云数据在内存中是动态调度的,故每次对数据的浏览(放大、缩小、平移、旋转等操作)都伴随着内存数据的变化,动态加载的数据(从点云数据文件而来)必然会将已选择或裁切后显示的数据替换掉,因此,必须在每次刷新时重新做一遍选择或裁切过程并显示效果,这必然要求选择与裁切过程极快,最好瞬间完成,只有这样才能保证实时浏览的流畅性;
进一步,还包括用于存储点云数据的内存模块,内存模块与GPU相连用于将存储的点云数据传送至GPU,由每个GPU并行处理单元独立处理一个三维点或一批点,因此各点或一批点同步处理完成,而非所有点依次串行处理,故能达到极速选择与裁切的效果;
相较于CPU计算的方式,由于CPU是逐点串行计算,其达不到极速的要求,必然会出现卡顿的情况,因此,本发明利用GPU具有众多并行处理单元,具备强大的并行处理能力,且吞吐量大,由GPU并行处理点云数据,达到极速选择与裁切的目的,并达到实时刷新达到流畅浏览的效果。
进一步,待裁切区域屏幕二维坐标数据及实时三维空间坐标转换屏幕二维坐标的参数数据均传送至GPU,在选定待裁切区域过程及进行内外拓扑关系的判断过程均由GPU执行计算;
具体的,通过编程语言实现每个点的选择与裁切计算代码,并提交至GPU执行,实现CPU与GPU之间的指令沟通;
根据上述方案描述,现提供以一个三维点为例进行多次选择裁切的实施例,如图2所示,具体步骤如下:
首先,获取待裁切区域屏幕二维坐标数据及三维空间坐标转换屏幕二维坐标的参数数据;
然后,将待处理的点的三维坐标通过上述参数数据转换到屏幕二维坐标,其中,三维坐标设定为P(X、Y、Z),屏幕二维坐标设定为Q(U、V);
再判断二维点Q(U、V)与选定待裁切区域的关系:
若选定待裁切区域的裁切定义为内裁切;
则先判断点Q与待裁切区域的外包矩形区域的关系,即Q的U值与矩形的最大最小U比较,Q的V值与矩形的最大最小V比较;
若是点Q在外包矩形之外,则进行下一个待裁切区域的判断,直至最后一个待裁切区域仍是未位于范围内的点,则裁切该点(不显示);
若是点Q在外包矩形之内,则进行下一步;
判断点Q与待裁切区域各顶点的关系;
若Q的U值及V值未位于目标区域各顶点的范围内,则进行下一个待裁切区域的判断,直至最后一个待裁切区域仍是未位于范围内的点,则裁切该点(不显示);
若Q的U值及V值位于目标区域各顶点的范围内,则预保留该点数据并进行下一个多边形的判断,直至最后一个待裁切区域仍是预保留的点,则为最终需要保留的三维点。
若选定待裁切区域的裁切定义为外裁切;
则先判断点Q与待裁切区域的外包矩形区域的关系,即Q的U值与矩形的最大最小U比较,Q的V值与矩形的最大最小V比较;
若是点Q在外包矩形之内,则进行下一步;
若是点Q在外包矩形之外,则预保留该点数据并进行下一个待裁切区域的判断,直至最后一个待裁切区域仍是预保留的点,则为最终需要保留的三维点;
判断点Q与待裁切区域各顶点的关系;
若Q的U值及V值位于目标区域各顶点的范围内,则裁切该点(不显示);
若Q的U值及V值未位于目标区域各顶点的范围内,则预保留该点数据并进行下一个多边形的判断,直至最后一个待裁切区域仍是预保留的点,则为最终需要保留的三维点。
具体的,可由上述数据实施例可知,本发明的选择与裁切过程采用将三维点投射到二维屏幕,对二维坐标点与二维选择区域进行内外拓扑关系的判断,较传统方式在三维空间中计算更为简单、计算复杂度低且速度快,并采用点在区域内的判断利用外包矩形,进一步加速点判断的过程,而且利用GPU并行处理点云数据而非逐点串行计算,达到极速选择与裁切的目的。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,其特征在于:包括如下步骤:
在处于选择点云数据区域的界面下,选定待裁切区域,根据实时待裁切区域屏幕二维坐标数据、以及实时三维空间坐标转换屏幕二维坐标的参数数据;
将待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的坐标数据进行内外拓扑关系的判断,根据内外拓扑关系的判断结果最终获得裁切区域并实时显示。
2.根据权利要求1所述的一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,其特征在于:还包括用于存储点云数据的内存模块,所述内存模块与GPU相连用于将存储的点云数据传送至GPU。
3.根据权利要求2所述的一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,其特征在于:所述待裁切区域屏幕二维坐标数据及实时三维空间坐标转换屏幕二维坐标的参数数据均传送至GPU,在所述选定所述待裁切区域过程及进行内外拓扑关系的判断过程均由GPU执行计算。
4.根据权利要求1所述的一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,其特征在于:在进行内外拓扑关系的判断过程中,还包括:获取所述待裁切区域的外包矩形区域,判断过程如下:
判断待处理点云数据的坐标数据与外包矩形区域的内外拓扑关系;
再判断待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的内外拓扑关系。
5.根据权利要求4所述的一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,其特征在于:在选定待裁切区域过程中,还包括:选定所述待裁切区域具有裁切定义;
其中:所述裁切定义包括内裁切或外裁切。
6.根据权利要求5所述的一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,其特征在于:选定所述待裁切区域的裁切定义为内裁切,判断过程如下:
判断待处理点云数据的坐标数据与外包矩形区域的内外拓扑关系;
若所述待处理点云数据的坐标数据未位于外包矩形区域的坐标数据范围内,则不显示该点数据;
若所述待处理点云数据的坐标数据位于外包矩形区域的坐标数据范围内,则进行下一步;
再判断待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的内外拓扑关系;
若所述待处理点云数据的坐标数据未位于待裁切区域各顶点的坐标数据范围内,则不显示该点数据;
若所述待处理点云数据的坐标数据位于待裁切区域各顶点的坐标数据范围内,则预保留该点云数据获得裁切区域。
7.根据权利要求5所述的一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,其特征在于:选定所述待裁切区域的裁切定义为外裁切,判断过程如下:
判断待处理点云数据的坐标数据与外包矩形区域的内外拓扑关系;
若所述待处理点云数据的坐标数据位于外包矩形区域的坐标数据范围内,则进行下一步;
若所述待处理点云数据的坐标数据未位于外包矩形区域的坐标数据范围内,则预保留该点云数据;
再判断待处理点云数据的坐标数据与待裁切区域的内外拓扑关系;
若所述待处理点云数据的坐标数据位于待裁切区域各顶点的坐标数据范围内,则不显示该点数据;
若所述待处理点云数据的坐标数据未位于待裁切区域各顶点的坐标数据范围内,则预保留该点云数据获得裁切区域。
8.根据权利要求1所述的一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,其特征在于:所述待裁切区域形状包括多边形、圆形、矩形、套索和球体。
9.根据权利要求1所述的一种海量点云数据的快速选择与裁切方法,其特征在于:选定所述待裁切区域的数量不少于一个。
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