基于PolyWorks軟件的三維點云數(shù)據(jù)建模的研究

張?zhí)炀w

摘 要：簡單介紹了Cyrax 2500 3D激光掃描儀的工作原理與獲取點云數(shù)據(jù)的工作流程及Cyc1one6.0軟件的點云數(shù)據(jù)處理。詳細介紹了PolyWorks V11軟件建立三維模型的具體流程及注意事項。文章以遼寧工程技術大學圖書館為例，詳細論述了獲取點云數(shù)據(jù)和處理點云數(shù)據(jù)技術。以小汽車為例，建立了小汽車的NURBS曲面模型。

關鍵詞：3D激光掃描儀；PolyWorks；三維模型；點云數(shù)據(jù)

前言

3D激光掃描技術已被廣泛的應用于許多領域。硬件方面不斷完善，數(shù)據(jù)采集的精度和速度都有了很大提高，出現(xiàn)了不少成熟的商用3D激光掃描硬件系統(tǒng)。在3D激光掃描數(shù)據(jù)處理方面，也出現(xiàn)了許多軟件，如Cyc1one6.0、Geomagic、Imageware、SurfaceStudio、Rapid form、PolyWorks軟件等。3D激光掃描數(shù)據(jù)處理的結果就是建立3D模型。3D模型分兩種：三角化模型和NURBS曲面模型。

文章研究了1個案例，案例一是遼寧工程技術大學的圖書館模型，案例二是小汽車模型。通過Cyrax 2500 3D激光掃描儀獲取研究目標的點云數(shù)據(jù)，用 PolyWorks V11軟件對點云數(shù)據(jù)進行處理，包括多站點云數(shù)據(jù)對齊、合并、生成三角化模型、三角化模型漏洞修補和優(yōu)化等，最后生成NURBS曲面模型。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 Cyrax 2500 3D激光掃描儀的工作原理

Cyrax 2500 3D激光掃描儀內部有一個激光器，兩個旋轉軸異面且互相垂直的反光鏡。反光鏡由步進電機帶動旋轉，而激光器發(fā)射的窄束激光脈沖在反光鏡作用下，沿縱向和橫向依次掃過被測區(qū)域。激光脈沖被物體漫反射后，一部分能量被3D激光掃描儀接收，如圖1。測量每個激光脈沖從發(fā)出到返回儀器所經過的時間，可以計算出儀器和物體間的距離S。同時測量每個激光脈沖與儀器固有坐標系X軸的夾角α，XOY面的夾角θ，可以算出被測物體表面點的3D坐標。掃描點繪制在屏幕上，組成密集的點云。

1.2 Cyrax 2500 3D激光掃描儀的工作流程

由于激光掃描儀本身的限制，我們每次掃描只能得到場景局部的數(shù)據(jù)。為了得到一個場景完整的3D數(shù)據(jù)，我們往往需要從不同的位置和不同的角度多次掃描該場景。相鄰兩站的掃描數(shù)據(jù)應該有重合的部分，重疊部分應該占整個圖像的20%-30%為最佳。

文章利用Cyrax 2500 3D激光掃描儀獲取遼寧工程技術大學圖書館的點云數(shù)據(jù)。在距離圖書館30m的前方，設置兩站，每站又從不同角度共進行四次分景掃描。掃描儀根據(jù)軟件環(huán)境中設置的參數(shù)自動進行掃描。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 在PolyWorks V11中建模

2.1.1 對齊數(shù)據(jù)

對齊模塊中，有兩種對齊方式：一點對齊和n點對齊。如果圖形復雜就應該采用n點對齊方式，以提高對齊的精度。本論文的兩個案例都是采用n點對齊，點對越多對齊越精確也就需要越多的時間。當所有圖片都輸入后，還要進行最佳擬合對齊，總體上最小化對齊誤差。

2.1.2 生成三角化模型

當分塊數(shù)據(jù)對齊后，需要將其合并成一個整體以增強數(shù)據(jù)的完備性、方便后續(xù)應用。在合并模塊中設置相關參數(shù)（最大距離、采樣步長、平滑半徑、內存大小等）來生成一個三角化模型。以上參數(shù)的確定非常重要，直接影響到所生成的三角化模型的質量。一般情況下那些參數(shù)值由對齊模塊傳入的，也可以根據(jù)用戶的經驗與要求來自己設置。生成三角化模型的同時也對數(shù)據(jù)進行了初步篩選。

2.1.3 改進三角化模型

在經過數(shù)據(jù)對齊、合并建網(wǎng)之后，往往還需要改進三角化模型，諸如刪除拓撲錯誤、填補漏洞、簡化壓縮等后處理操作。一般的拓撲錯誤可以通過軟件自動檢測并刪除。

三角化模型上出現(xiàn)的漏洞需要將其補出來。補洞是最耗費時間與精力的一項工作，要想將所有漏洞都完美的補出來就要有耐心一點一點來進行。簡單的漏洞可以選擇自動補洞方式或手動補洞方式來完成。復雜點的漏洞就需要很多人工干預才可以補好，如補洞的區(qū)域是一個曲面，用自動或手動補洞都不能很好的填補漏洞。這就需要在漏洞區(qū)域錨定一個m行n列的曲面來填補該漏洞。在補洞之后往往跟隨著優(yōu)化網(wǎng)格、光順頂點等操作，來提高三角化模型的質量。

2.1.4 生成NURBS曲面模型

NURBS（非有理B樣條）是用于計算機圖形描述復雜對象的曲線或曲面。首先，在三角化模型上擬合曲線網(wǎng)格，然后基于曲線網(wǎng)格擬合NURBS曲面到三角化模型上。PolyWorks支持T形節(jié)和三角片面，可以在孔洞上建立曲面，這是PolyWorks軟件功能強大的原因之一。一般的建模軟件只是生成三角化模型，而PolyWorks可以生成高質量的NURBS曲面模型。

立曲線網(wǎng)格是創(chuàng)建NURBS曲面的第一步。必須抽取模型的邊界曲線來定義模型的幾何形狀。可以自動抽取特征曲線也可以手動錨定曲線。當曲線網(wǎng)絡創(chuàng)建完，就可以基于曲線網(wǎng)絡生成NURBS曲面模型。

3 結束語

PolyWorks是目前市場上最優(yōu)秀的激光掃描和點云數(shù)據(jù)處理集成軟件之一。它能快速和高品質地處理由各種各樣的3D掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)。文章提供了一種利用PolyWorks軟件進行數(shù)據(jù)處理并建立NURBS曲面模型的方法。

參考文獻

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