TWI463435B - 點雲三角網格面構建系統及方法 - Google Patents

Description

點雲三角網格面構建系統及方法

本發明涉及一種點雲三角網格面構建系統及方法。

近年來，隨著電腦硬體性能的提高及價格的降低，其在掃描系統中被大量的引入。做法一般是使用點雲掃描裝置獲取物體的點雲（即由多個三維離散點組成的點的集合），而後將點雲資料登錄電腦，執行相對應軟體對點雲資料進行各種處理，比如電腦輔助驗證（Computer Aided Verification，CAV）、逆向工程（Reverse Engineering，RE）、有限元網格自動生成、電腦圖形處理及模式識別（如人臉的識別）等。其中，點雲三角網格面構建技術是上述各種處理的核心技術。

鑒於以上內容，有必要提供一種點雲三角網格面構建系統及方法，可以對所構建的三角形進行相對應的處理，以得到高品質的三角網格面。

一種點雲三角網格面構建方法，該方法應用於資料處理設備中，該資料處理設備與點雲掃描裝置相連，該方法包括以下步驟：（a）從點雲掃描裝置中獲取待測物體的點雲資料；（b）根據所獲取的點雲資料構建三角形；（c）從所述構建的三角形中選取一個種子三角形，以該種子三角形為基準按照區域增長法，依次選取共邊三角形中共邊所對的角最大且與種子三角形所呈的二面角最大的三角形；（d）對選取的三角形形成的空洞進行修復，使得每一個修復後的三角形的外接圓內不包含點雲中除該修復後的三角形的頂點外的其他點，且使得修復後的三角形的每條邊最多被兩個三角形共用；（e）根據相鄰兩個三角形的法向量夾角小於一個預設角度的原則，對三角形的法向量進行調整；（f）輸出所述調整法向量後的三角形構建的三角網格面。

一種點雲三角網格面構建系統，應用於資料處理設備中，該資料處理設備與點雲掃描裝置相連，該系統包括：獲取模組，用於從點雲掃描裝置中獲取待測物體的點雲資料；構建模組，用於根據所獲取的點雲資料構建三角形；選取模組，用於從所述構建的三角形中選取一個種子三角形，以該種子三角形為基準按照區域增長法，依次選取共邊三角形中共邊所對的角最大且與種子三角形所呈的二面角最大的三角形；修復模組，用於對選取的三角形形成的空洞進行修復，使得每一個修復後的三角形的外接圓內不包含點雲中除該修復後的三角形的頂點外的其他點，且使得修復後的三角形的每條邊最多被兩個三角形共用；調整模組，用於根據相鄰兩個三角形的法向量夾角小於一個預設角度的原則，對三角形的法向量進行調整；及輸出模組，用於輸出所述調整法向量後的三角形構建的三角網格面。

相較於習知技術，本發明提供的點雲三角網格面構建系統及方法，可以根據自動從點雲掃描中獲取點雲資料，根據所獲取點雲資料構建三角形，並對所構建的三角形進行相對應的處理，以得到高品質的三角網格面，避免了所構建的三角形出現扭曲、交叉及法向量方向不一致的情況。

如圖1所示，係本發明點雲三角網格面構建系統較佳實施例的應用環境圖。該點雲三角網格面構建系統10應用於資料處理設備1中。該資料處理設備1與點雲掃描裝置2相連，該點雲掃描裝置2用於對待測物體3的表面進行掃描，以獲取待測物體3表面的點雲資料，例如：點的三維座標及點雲總數。

所述點雲三角網格面構建系統10用於從點雲掃描裝置2中獲取點雲資料，根據所獲取的點雲資料構建三角形，從所構建的三角形中選取出高品質三角形，對所述高品質三角形進行修復及法向量調整，從而得到高品質的三角網格面。

如圖2所示，係圖1中點雲三角網格面構建系統10的功能模組圖。該點雲三角網格面構建系統10包括獲取模組100、構建模組101、選取模組102、修復模組103、調整模組104及輸出模組105。本發明所稱的模組是完成一特定功能的資料處理設備程式段，比程式更適合於描述軟體在資料處理設備中的執行過程，因此在本發明以下對軟體描述中都以模組描述。

所述獲取模組100用於從點雲掃描裝置2中獲取待測物體3的點雲資料。所述點雲資料包括點的三維座標及點雲總數。

所述構建模組101用於根據所獲取的點雲資料構建三角形。首先，構建模組101根據點雲資料中點的三維座標，計算得到所述點雲的包圍盒，該包圍盒為一個正立方體，作該正立方體的外接球，最後作該外接球的外接四面體，該外接四面體為初始四面體。然後，構建模組101將所述點雲中的點逐個插入初始四面體中以構建若干個三角形，所構建的每一個三角形的外接圓不包含所述點雲中除該三角形的頂點外的其他點。如圖4a所示，在初始四面體ABCD中插入點O1，將點O1與其所在的四面體ABCD的各頂點相連；如圖4b所示，插入點O2，將點O2與其所在的四面體O1BCD的各頂點相連；如圖4c所示，插入點O3，將點O3與其所在的四面體O1O2CD的各頂點相連，得到三角形O1O2O3即為所構建的三角形。

所述選取模組102從所述構建的三角形中選取一個種子三角形，以該種子三角形為基準按照區域增長法，依次選取共邊三角形中共邊所對的角最大且與種子三角形所呈的二面角最大的三角形。所述二面角最大可以使構建的三角形與種子三角形趨於一個平面，即可使所構建的三角形組成的三角網格面貼近於待測物體3的曲面；所述對角最大可以使所構建的三角形趨於正三角形，透過“二面角最大且對角最大原則”可以選取出高品質的三角形。所述選取模組102從所述點雲中選取Z軸座標最大的點（或者X軸座標最大的點，或者Y軸座標最大的點），在該點所在的三角形中選取任意一個三角形為種子三角形。如圖5所示，三角形ABC為種子三角形，以三角形ABC的邊AB向外擴展，得到三角形ABD、三角形AB D1及三角形ABD2，其中，點D、D1及D2都為所述點雲中的點。三角形ABC與三角形ABD的二面角為170度，三角形ABC與三角形ABD1的二面角為130度，三角形ABC與三角形AB D2的二面角為110度，則三角形ABD與種子三角形ABC的二面角最大。邊AB的對角∠ADB為58度，∠AD1B為40度，∠AD2B為30度，則∠ADB為共邊AB所對的角最大的角，由此可見，三角形ADB為共邊三角形中共邊所對的角最大，且與種子三角形的二面角最大的三角形。

所述修復模組103用於對選取的三角形形成的空洞進行修復，使得每一個修復後的三角形的外接圓內不包含點雲中除該修復後的三角形的頂點外的其他點，且使得修復後的三角形的每條邊最多被兩個三角形共用。如圖6所示，S為選取的三角形構建的曲面，邊界為ABCDEFGHI，JKL。在本實施例中，首先，所述修復模組103修復頂點的兩條邊界所形成的空洞，即連接BD，EG，GI及填補邊界JKL，並更新邊界為ABDEGI；接著，所述修復模組103修復共頂點的兩條邊界所形成的空洞，即連接BE，EI，並更新邊界為ABEI。依此類推，按照修復後的三角形的外接圓內不包含點雲中除修復後的三角形的頂點外的其他點，且使得修復後的三角形的每條邊最多被兩個三角形共用的原則，依次對邊界所形成的空洞進行修復。若在修復過程中出現三角形的一條邊被兩個以上三角共用的情況，則保留共邊三角形中構成的二面角最大的兩個三角形。

所述調整模組104用於根據相鄰兩個三角形的法向量夾角小於一個預設角度的原則，對三角形的法向量進行調整。在本實施例中，所述預設角度為90度。如圖7a所示，三角形ABC的法向量為N1，三角形ABD的法向量為N2，N1和N2的夾角為α，夾角α大於90度，N1為正向的法向量，則調整模組104以N1為基準調整法向量N2的方向，調整後的法向量如7b圖所示，N1和N2的夾角α小於90度。

所述輸出模組105用於輸出所述調整法向量後的三角形構建的三角網格面。

如圖3所示，係本發明點雲三角網格面構建方法較佳實施例的流程圖。首先，步驟S10，獲取模組100從點雲掃描裝置2中獲取待測物體3的點雲資料。所述點雲資料包括點的三維座標及點雲總數。

步驟S11，構建模組101根據所獲取的點雲資料構建三角形。首先，構建模組101根據點雲資料中點的三維座標，計算得到所述點雲的包圍盒，該包圍盒為一個正立方體，作該正立方體的外接球，最後作該外接球的外接四面體，該外接四面體為初始四面體。然後，構建模組101將所述點雲中的點逐個插入初始四面體中以構建若干個三角形，所構建的每一個三角形的外接圓不包含所述點雲中除該三角形的頂點外的其他點。

步驟S12，選取模組102從所述構建的三角形中選取一個種子三角形，以該種子三角形為基準按照區域增長法，依次選取共邊三角形中共邊所對的角最大且與種子三角形所呈的二面角最大的三角形。所述選取模組102從所述點雲中選取Z軸座標最大的點（或者X軸座標最大的點，或者Y軸座標最大的點），在該點所在的三角形中選取任意一個三角形為種子三角形。

步驟S13，修復模組103對選取的三角形形成的空洞進行修復，使得每一個修復後的三角形的外接圓內不包含點雲中除該修復後的三角形的頂點外的其他點，且使得修復後的三角形的每條邊最多被兩個三角形共用。

步驟S14，調整模組104根據相鄰兩個三角形的法向量夾角小於一個預設角度的原則，對三角形的法向量進行調整。在本實施例中，所述預設角度為90度。

步驟S15，輸出模組105用於輸出所述調整法向量後的三角形構建的三角網格面。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，本發明之範圍並不以上述實施例為限，舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

1‧‧‧資料處理設備

2‧‧‧點雲掃描裝置

3‧‧‧待測物體

10‧‧‧點雲三角網格面構建系統

100‧‧‧獲取模組

101‧‧‧構建模組

102‧‧‧選取模組

103‧‧‧修復模組

104‧‧‧調整模組

105‧‧‧輸出模組

圖1係本發明點雲三角網格面構建系統較佳實施例的應用環境圖。

圖2係圖1中點雲三角網格面構建系統的功能模組圖。

圖3係本發明點雲三角網格面構建方法較佳實施例的流程圖。

圖4a-4c係根據點雲資料構建三角形O1O2O3的示意圖。

圖5係選取共邊三角形中共邊所對的角最大，且與種子三角形的二面角最大的三角形的示意圖。

圖6係修復三角形的示意圖。

圖7a-7b係調整三角形法向量的示意圖。

10‧‧‧點雲三角網格面構建系統

100‧‧‧獲取模組

101‧‧‧構建模組

102‧‧‧選取模組

103‧‧‧修復模組

104‧‧‧調整模組

105‧‧‧輸出模組

Claims (10)

1. 一種點雲三角網格面構建方法，該方法應用於資料處理設備中，該資料處理設備與點雲掃描裝置相連，該方法包括以下步驟：
   （a）從點雲掃描裝置中獲取待測物體的點雲資料；
   （b）根據所獲取的點雲資料構建三角形；
   （c）從所述構建的三角形中選取一個種子三角形，以該種子三角形為基準按照區域增長法，依次選取共邊三角形中共邊所對的角最大且與種子三角形所呈的二面角最大的三角形；
   （d）對選取的三角形形成的空洞進行修復，使得每一個修復後的三角形的外接圓內不包含點雲中除該修復後的三角形的頂點外的其他點，且使得修復後的三角形的每條邊最多被兩個三角形共用；
   （e）根據相鄰兩個三角形的法向量夾角小於一個預設角度的原則，對三角形的法向量進行調整；
   （f）輸出所述調整法向量後的三角形構建的三角網格面。
2. 如申請專利範圍第1項所述的點雲三角網格面構建方法，其中，所述的點雲資料包括點的三維座標及點雲總數。
3. 如申請專利範圍第1項所述的點雲三角網格面構建方法，其中，步驟（b）包括：
   根據點雲資料得到所述點雲的包圍盒，根據該包圍盒得到初始四面體；
   將所述點雲中的點依次插入該初始四面體中，並將插入的點與該點所在的四面體的頂點相連，以得到點雲中的點所構建的三角形。
4. 如申請專利範圍第1項所述的點雲三角網格面構建方法，其中，所述種子三角形為三維座標中X軸座標最大的點所在的三角形，或者Y軸座標最大的點所在的三角形，或者Z軸座標最大的點所在的三角形。
5. 如申請專利範圍第1項所述的點雲三角網格面構建方法，其中，所述預設角度為90度。
6. 一種點雲三角網格面構建系統，應用於資料處理設備中，該資料處理設備與點雲掃描裝置相連，該系統包括：
   獲取模組，用於從點雲掃描裝置中獲取待測物體的點雲資料；
   構建模組，用於根據所獲取的點雲資料構建三角形；
   選取模組，用於從所述構建的三角形中選取一個種子三角形，以該種子三角形為基準按照區域增長法，依次選取共邊三角形中共邊所對的角最大且與種子三角形所呈的二面角最大的三角形；
   修復模組，用於對選取的三角形形成的空洞進行修復，使得每一個修復後的三角形的外接圓內不包含點雲中除該修復後的三角形的頂點外的其他點，且使得修復後的三角形的每條邊最多被兩個三角形共用；
   調整模組，用於根據相鄰兩個三角形的法向量夾角小於一個預設角度的原則，對三角形的法向量進行調整；及
   輸出模組，用於輸出所述調整法向量後的三角形構建的三角網格面。
7. 如申請專利範圍第6項所述的點雲三角網格面構建系統，其中，所述的點雲資料包括點的三維座標及點雲總數。
8. 如申請專利範圍第6項所述的點雲三角網格面構建系統，其中，所述構建模組根據點雲資料得到所述點雲的包圍盒，根據該包圍盒得到初始四面體，將所述點雲中的點依次插入該初始四面體中，並將插入的點與該點所在的四面體的頂點相連，以得到點雲中的點所構建的三角形。
9. 如申請專利範圍第6項所述的點雲三角網格面構建系統，其中，所述種子三角形為三維座標中X軸座標最大的點所在的三角形，或者Y軸座標最大的點所在的三角形，或者Z軸座標最大的點所在的三角形。
10. 如申請專利範圍第6項所述的點雲三角網格面構建系統，其中，所述預設角度為90度。