掃描線點云數據的曲面重構技術研究

慕元軍

摘要：利用激光線結構掃描系統采集到的數據都是掃描線型點云數據，根據掃描線點云數據自身的拓撲關系，提出了一種增量式的三角化算法進行曲面重構，在點云數據的預處理上采用高斯濾波去除噪聲、曲率均勻精簡法對數據精簡壓縮，然后對相鄰掃描線進行網格剖分構造初始網格，通過判斷網格中相鄰的三角形法矢方向的一致性，確定掃描線是否交叉，對于交叉處的網格進行調整。

關鍵詞：掃描線 點云數據 曲面重構

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0000-00

隨著計算機技術的發展以及數字圖形學研究的深入，逆向工程作為一種快速設計與制造的技術，成為了研究與應用的熱點。廣泛的應用于飛機、船舶、模具等領域。在這些產品的設計、生產、檢測、試驗等環節經常需要實時動態的觀測掃描的結果，因此對曲面重構的速率提出了更高要求。

本文提出一種增量式的三角化算法，充分利用掃描線點云的拓撲關系，將相鄰的掃描線進行重構，按重構的結果進行相應的調整得到最終網格結構，該方法可以實現高效、高精度的自由曲面重構。

1 掃描線點云數據的預處理

1.1 激光掃描點云數據的特點

本文采用的FARO ScanArm激光掃描儀屬于線結構光掃描系統。它利用激光三角法測量原理，采集物體表面的三維信息。在激光掃描儀進行數據采集時，每次激光投影到物體表面上的光刀，都將在一個平面內，采集到的三維數據有一維是不變的，所以一條掃描線上的點云數據可以看成是在一個平面上。

1.2 點云數據的預處理

高斯光順是一種線性平滑去噪算法，適用于消除高斯噪聲。在對一條掃描線進行高斯光順的時候，首先設定掃描線上每個點鄰域的大小，鄰域內各點的權重按高斯分布計算，則該點光順后的值即為鄰域內各個點的數值的加權平均。高斯光順法可以在去除噪聲的同時很好的保持掃描對象原有的特征。

對曲面進行精簡時可以根據掃描點的曲率進行處理，以點云數據中一條掃描線為對象，將各點存入數組，分別計算各點的曲率值，再求出領近兩點的曲率差值，并與預設的閾值進行比較，如果大于閾值說明采樣點處于物體的邊緣上，需要保留；反之，說明采樣點處于物體的平面區域，可以通過均勻精簡的方法剔除部分點。這樣得到的數據較好地保持了特征。

2曲面重構

2.1構造初始網格

首先對相鄰的掃描線進行網格剖分，在這里我們采用的是底邊驅動網格策略，如圖1所示。

算法的思路：首先找到底邊的第一個點A1，然后遍歷頂邊，找到A1最近的點B2，判斷頂邊B2點前面是否還有點，若存在，依次與A1連接構成三角面片，然后結合A2，建立新的三角面片。接著查找A2的最近點，依照上面所述的順序建立三角面片。建立三角形時，所有頂邊的點云數據選點時的方向一致向右，而底邊的點云數據方向一致向左。

2.2 網格的調整

利用相鄰掃描線構造出的三角形的方向與其頂點的掃描方向之間的關系，可以判斷兩條相鄰的掃描線是否存在交叉現象，如圖2所示。

假設兩條掃描線分別為=和=，為當前掃描線。如果從掃描方向看，兩個分屬于和的兩條掃描線之間構造的兩個相鄰三角形的方向相反，則這兩條掃描線就是交叉的。

在這種情況下，需要將這條線的拓撲連接關系進行調整，重新按底邊驅動策略構建三角網格，如圖3所示。

3結語

本文提出增量式三角化算法，充分的利用掃描線點云數據的拓撲關系，重構過程方法簡單，而且頻率快。是一種有效使用的方法。