基于VTK的點云可視化

索春寶 孫秀寧

(山東科技大學測繪科學與工程學院,山東青島 266590)

基于VTK的點云可視化

索春寶 孫秀寧

(山東科技大學測繪科學與工程學院,山東青島 266590)

針對.las格式的數據文件,給出了以QT為平臺,基于VTK、libLAS的點云可視化方法,并利用該方法進行實驗。經實驗驗證該方法靈活、方便,更便于對多功能交互的發掘和實現。

VTK 點云可視化 LAS數據讀取

1 引言

激光掃描技術是近年來出現的新技術，它突破了單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。激光掃描技術可以快速獲取物體表面的空間點云數據，通過對點云數據的結構創建實現場景的渲染。隨著激光掃描技術的不斷發展和應用范圍的不斷擴大，激光掃描相關理論和技術的研究已經成為熱點問題。散亂點云數據的可視化是激光掃描技術應用的一個重要環節。本文針對.las格式散亂點云數據文件，結合庫的使用，實現點云的顯示和基本的交互操作。

2 開發環境配置

本文以QT為開發工具，但QT并不能直接繪制、顯示三維坐標點，故借助VTK來實現三維點坐標的繪制和顯示。

2.1 VTK介紹

VTK(visualization toolkit)是由kitware團隊創建和擴展的，開源的、可跨平臺的可視化工具包，主要用于三維計算機圖形、圖像處理和可視化。VTK是在面向對象的基礎上設計和實現的，采用c++構建核心內容。另外VTK能夠進行自動語言轉換，故可同時支持Tcl/Tk，Java和Python等多種語言。VTK作為可視化工具包使可視化應用更加普及，為人們提供了一種較簡便、通用的可視化方式。它擁有豐富、多樣的可視化算法：標量、矢量、張量、紋理和體積的可視化方法，和先進的建模技術：隱式建模，減少多邊形，網格平滑，切割，描繪輪廓和Delaunay三角網等。除了可視化功能以外，VTK還擁有一套三維交互控件，涵蓋了基本的點云顯示時所需的人機交互操作，且可以進行交互操作的自定義。

2.2 linux下VTK庫的配置

VTK官方網站http：//www.vtk.org/為我們提供了source文件，首先利用Cmake對source文件進行編譯，然后在平臺下進行創建。

完成VTK的安裝后，還需要在QT中進行配置：主要是路徑的包含和庫文件的添加：

圖1 VTK Pipeline的可視化流程

圖2.LAS數據文件數據提取流程

3 VTK可視化管線的設計

VTK的可視化管線設計是基于管線流的設計模式，將要處理的數據作為流動介質在管線中流動，不同的階段對數據進行不同的處理，最終完成處理數據的顯示。VTK的可視化管線設計如圖1所示[1]。

在可視化過程中，首先確定數據源(DataSource)，可以是利用vtk功能創建的數據源，更多的是數據文件，通過對數據文件的讀取使數據以數據流的形式在管線中流動[2]；選擇適當的數據處理方法，使數據流到達過濾(Filter)階段對數據進行處理，形成新的數據集；這時的數據已經不再是離散的點，而是具有一定的幾何結構，接下來是幾何數據到圖形數據的轉換階段：映射(Mapper)階段?？梢暬Ｐ蛣摻ㄍ戤叄酉聛硎菆D形模型的建立，首先是圖形數據的承載者角色(Actor)，主要負責設置修飾效果；其次是渲染窗口(Renderer Window)的設置，主要有兩個應用：渲染環境的設置和人機交互的實現；在一切準備就緒后就可以由渲染器(Renderer)發出Render()命令，進行渲染，實現數據的可視化。

完成點云數據的顯示后，我們還需要實現對數據的多角度觀察，也就是交互問題。在可視化管線中vtkRenderwindowInteractor類為我們提供了簡便的實現交互的方式，根據需求，選擇vtkInteractor Style的子類vtkInteractorStyleTrackballCamera來實現旋轉、縮放、平移等交互操作。

VTK Pipeline采用串聯方式將實現不同功能的各階段連接起來，形成管線，方便數據流的流動：上一階段的輸出作為下一階段的輸入，不斷延續下去，直到碰到Mapper或sink。隨著科學技術的不斷發展，數據格式多種多樣，數據量急劇增加，這對科學可視化數據量和數據傳播提出了很大的挑戰[3]。

4 LAS數據讀取

LAS數據文件包含的是標準LIDAR數據格式，現已發展為四個版本，分別是：LAS1.0，1.1，1.2，2.0(擬定版)[4]。隨著版本的不同，其數據存儲越來越靈活，信息越來越豐富。標準的LAS數據存儲格式包含三個部分：公共文件頭區，用于記錄LAS文件的普通信息，如點的個數等；變長記錄區，主要包含元數據，文件采用的坐標系等等；格式點集記錄區，用于記錄點的X、Y、Z和屬性[5]。LAS數據文件的一般數據提取流程如圖2所示。

LAS文件是二進制格式，但由于它有自己特定的文件頭結構和數據組織，故需要專業軟件進行讀取。LibLAS是針對LAS文件的讀與寫的庫，利用庫函數可以方便、快捷的進行.las文件數據的讀取。本文針對LAS數據文件，利用libLAS庫的liblas：：Reader實現文件內數據的讀取，并將數據賦值給vtkPoints，從而傳遞到vtk可視化管線中。

5 結語

VTK支持并行處理，且是開源的，具有可移植性。在實踐中，我們可以利用VTK，結合語言平臺，實現多種功能。例如，我們可以利用QT平臺的界面創建優勢，結合VTK庫可視化管線，進行數據成果展示，軟件開發等。VTK的開源特性方便了我們添加自己需要的功能，為新功能的發掘和實現提供支持。另外，我們也可以在遵循VTK本身設計模式的基礎上，定義新的類，嵌入其中，進一步完善VTK。

[1]許慶功,李昌華.VTK框架結構與運行機制的探討[J].洛陽理工學院學報(自然科學版),2008,18(1)：67-70.

[2] William J. Schroeder, Lisa S. Avila, Kenneth M. Martin. The Visualization Toolkit User's Guide[M], GE Corporate Research &Development.

[3] Will Schroeder, Ken Martin, Bill Lorensen. The Visualization Toolkit[M].USA, Pearson Education,Inc.

[4]劉春,姚銀銀,吳杭彬.機載激光掃描(LIDAR)標準數據格式(LAS)的分析與數據讀取[J].遙感應用,2009：38-42.

[5]趙自明,史兵,田喜平,趙松.LAS格式解析及其數據的讀取與顯示[J].測繪技術裝備,2010,12(3)：17-20.

索春寶(1989—),男,碩士生,主要從事視覺/慣導組合導航方面的研究工作。孫秀寧(1989—),女,碩士生,主要研究方向為移動測量數據采集與處理。

索春寶。