一種三維圖像重建體的精確測量方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種三維圖像重建體的精確測量方法，涉及一種三維圖像重建體的測量方法。本發(fā)明的目的是能夠讓用戶對所需測量的空間結(jié)構(gòu)的各數(shù)據(jù)指標(biāo)做出精確的測量，能夠有效而準(zhǔn)確的指導(dǎo)用戶進行實際操作。本發(fā)明是通過旋轉(zhuǎn)三維重建體和平移切割平面相結(jié)合對三維重建體進行各個部分和方位的切割后，利用切割緩沖器對其切割后的重建體進行數(shù)據(jù)存放并精確計算得到三維重建體的數(shù)據(jù)指標(biāo)，從而達到對三維重建體的精確測量。本發(fā)明主要用于各種圖像三維體的各數(shù)據(jù)指標(biāo)的測量。
【專利說明】一種三維圖像重建體的精確測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維圖像重建體的測量方法，特別是涉及一種能夠精確測量三維重建體各空間數(shù)據(jù)指標(biāo)的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維測量的關(guān)鍵技術(shù)按照操作步驟包括兩方面內(nèi)容:1、三維空間中點的選取，一般使用鼠標(biāo)作為交互工具；2、度量計算:直線長度、角度和面積的計算，其中面積計算較為復(fù)雜，涉及不規(guī)則曲面的面積計算，目前未見有相關(guān)研究?，F(xiàn)有的三維測量方法主要是基于深度緩沖器在三維重建體上完成的。首先利用鼠標(biāo)拾取屏幕坐標(biāo)，然后通過深度緩沖器獲得空間所在點的世界坐標(biāo)，最后完成相應(yīng)的測量計算。由于是通過深度緩沖器得到三維空間的點坐標(biāo)，所以這種方法只能完成距離視平面最近的空間點定位。對用戶而言，雖然是三維測量，但由于無法進行距離視平面較遠(yuǎn)的空間點定位，導(dǎo)致測量結(jié)果與預(yù)期的測量目標(biāo)相差太遠(yuǎn)，這種測量結(jié)果往往會對用戶產(chǎn)生誤導(dǎo)。所以說，現(xiàn)有的基于深度緩沖器的三維測量實現(xiàn)的僅僅是概念上的三維測量，并不是實用的三維測量，更不是實用的三維精確測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供了一種三維圖像重建體的精確測量方法，其目的是能夠讓用戶對所需測量的空間結(jié)構(gòu)的各數(shù)據(jù)指標(biāo)做出精確的測量，能夠有效而準(zhǔn)確的指導(dǎo)用戶進行實際操作。
[0004]本發(fā)明的目的是通過下列技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種三維圖像重建體的精確測量方法，包括以下步驟:
1、采用三維重建技術(shù)生成虛擬三維重建體:
采用光線追蹤算法進行三維重建，該三維重建體的局部坐標(biāo)系原點與世界坐標(biāo)系的原點皆為三維重建體的中心，此原點固定；
I1、計算機根據(jù)該三維重建體生成一個切割平面:
切割平面是一個用于對三維重建體進行實時切割的動態(tài)平面，它將覆蓋整個三維重建體區(qū)域，切割平面的初始位置在三維重建體到視點的方向上，且位于三維重建體外部邊緣上，該切割平面為透明的平面，它會將位于平面外即靠近視點方向的三維重建體的部分切割掉;
II1、用戶選擇針對三維重建體或者針對切割平面的操作:
對三維重建體和切割平面可分別用鍵盤和鼠標(biāo)實現(xiàn)對它們的操作；
IV、選取切割平面:用戶在計算機屏幕上單擊鼠標(biāo)右鍵，對應(yīng)于選取切割平面的行為，即鼠標(biāo)右鍵選取切割平面，在按住鼠標(biāo)右鍵的情況下上下移動鼠標(biāo)，引發(fā)切割平面的原點沿著全局固定坐標(biāo)系的Z軸負(fù)方向或者正方向移動；
V、三維重建體的旋轉(zhuǎn):用戶通過鍵盤控制三維重建體的旋轉(zhuǎn)操作，鍵盤的上、下、左、右四個方向鍵分別對應(yīng)著三維重建體繞X軸正向旋轉(zhuǎn)、繞X軸逆向旋轉(zhuǎn)、繞Y軸正向旋轉(zhuǎn)以及繞Y軸逆向旋轉(zhuǎn)；
V1、引入切割緩沖器:由切割平面對三維重建體進行切割后，系統(tǒng)重繪切割后的三維重建體，并在系統(tǒng)中引入切割緩沖器；繪制過程中，隨著物體描述轉(zhuǎn)換為投影坐標(biāo)，三維重建體上的每個點(X，Y，Z)均對應(yīng)于觀察平面上的投影點(X，y),在系統(tǒng)中引入一個切割緩沖器，切割緩沖器中的每個單元對應(yīng)存放位于切割平面上的三維重建體的點信息，主要是空間點的X、Y、Z坐標(biāo)值；
VI1、取點:在屏幕上單擊鼠標(biāo)左鍵，對應(yīng)于取全局固定坐標(biāo)系中三維坐標(biāo)點的操作，此時，取出切割緩沖器中對應(yīng)該屏幕點的單元值，得到需要的三維點坐標(biāo)值；
V1、根據(jù)測量需要，用戶通過鍵盤、鼠標(biāo)操作實現(xiàn)三維重建體的旋轉(zhuǎn)操作以及切割平面的移動操作后，重復(fù)步驟W，直到己經(jīng)取得足夠數(shù)量的測量點；
IX、取得測量點后，通過計算完成相應(yīng)的測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1為本發(fā)明的世界坐標(biāo)系與切割平面示意圖；
圖2為本發(fā)明的切割平面的移動示意圖；
圖3為本發(fā)明的基于切割平面的三維重建體切割示意圖；
圖4為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)三維重建體而改變切割區(qū)域的示意圖；
圖5為本發(fā)明的三維重建體繪制步驟示意框圖；
圖6為本發(fā)明的切割緩沖器示意圖；
圖7為本發(fā)明的總體工作過程示意框圖。
【具體實施方式】
[0006]本發(fā)明的一種三維圖像重建體的精確測量方法，包括以下步驟:
1、首先，采用三維重建技術(shù)生成虛擬三維重建體:
三維重建技術(shù)通常采用體繪制技術(shù)，體繪制技術(shù)分為面繪制和直接體繪制兩大類。面繪制技術(shù)是把體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一種逼近面表示，從而可以利用計算機圖形學(xué)技術(shù)和己有的硬件加速技術(shù)完成感興趣信息的提取。由于它借助于面表示這樣一個中間轉(zhuǎn)換過程，而不是直接把體數(shù)據(jù)投向屏幕進行繪制，所以又稱之為間接體繪制。面繪制通常采用平面輪廓的三角形算法和MarchingCube算法實現(xiàn)。直接體繪制技術(shù)是以某種方式將整個數(shù)據(jù)場半透明地投影到2D屏幕上，并不借助任何中間幾何圖形。常用的直接體繪制方法有投影法和光線追蹤算法。光線追蹤算法是在體數(shù)據(jù)進行分類后，從像空間的每一個體素出發(fā)，根據(jù)設(shè)定的方法反射一條光線，在其穿過各個切片組成的體域的過程中，等間距地二次采樣，由每個二次采樣點的8個領(lǐng)域體素用三次線形插值方法得到采樣點的顏色和阻光度值，依據(jù)光照模型求出各采樣點的光亮度值，從而得到三維數(shù)據(jù)圖像。
[0007]本發(fā)明中采用光線追蹤算法進行三維重建，該三維重建體3的局部坐標(biāo)系原點與世界坐標(biāo)系的原點皆為三維重建體3的中心，此原點固定。
[0008]2、計算機根據(jù)該三維重建體3生成一個切割平面1:
切割平面I是一個用于對三維重建體3進行實時切割的動態(tài)平面，它將覆蓋整個三維重建體3區(qū)域。切割平面I的初始位置在三維重建體3到視點的方向上，且位于三維重建體3外部邊緣上。該切割平面I為透明的平面，它會將位于平面外(靠近視點方向)的三維重建體3的部分切割掉。如附圖1所示:
根據(jù)測量需要，對坐標(biāo)系及切割平面I做如下限定:
I)、世界坐標(biāo)系采用如附圖1所示的右手坐標(biāo)系。
[0009]2)、限定切割平面I的運動范圍。
[0010]對三維重建體3在世界坐標(biāo)系中的位置進行分析:以世界坐標(biāo)系的原點為三維重建體3的中心繪制出三維重建體3，分析出原點與三維重建體3的表面最長邊的長度L，以此長度L加上一個固定的數(shù)值M，然后將結(jié)果乘以2得到數(shù)值Range，即為此切割平面I在深度上的運動范圍。
[0011]3)、切割平面I的局部坐標(biāo)原點位于全局固定坐標(biāo)系的Z軸上，且限定此切割平面I垂直于全局固定坐標(biāo)系的Z軸。即切割平面I只能執(zhí)行拉近與拉遠(yuǎn)的行為。初始化時，切割平面I的原點在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為(0，0，L+M)。
[0012]3、用戶選擇針對三維重建體3或者針對切割平面I的操作:
對三維重建體3和切割平面I我們分別用鍵盤和鼠標(biāo)實現(xiàn)對它們的操作。
[0013]4、選取切割平面1:如附圖2和附圖3所示，用戶在計算機屏幕上單擊鼠標(biāo)右鍵，對應(yīng)于選取切割平面I的行為。即鼠標(biāo)右鍵選取切割平面I，在按住鼠標(biāo)右鍵的情況下上下移動鼠標(biāo)，引發(fā)切割平面I的原點沿著全局坐標(biāo)系的Z軸負(fù)方向或者正方向移動，從而去除如附圖3所示的已切割部分2。
[0014]5、三維重建體的旋轉(zhuǎn):如附圖4所示，用戶通過鍵盤控制三維重建體3的旋轉(zhuǎn)操作，鍵盤的上、下、左、右四個方向鍵分別對應(yīng)著三維重建體3繞X軸正向旋轉(zhuǎn)、繞X軸逆向旋轉(zhuǎn)、繞Y軸正向旋轉(zhuǎn)以及繞Y軸逆向旋轉(zhuǎn)。
[0015]6、由切割平面I對三維重建體3進行切割后，系統(tǒng)重繪切割后的三維重建體3，并在系統(tǒng)中引入切割緩沖器4:三維重建體3繪制步驟如圖5所示，繪制過程中，隨著物體描述轉(zhuǎn)換為投影坐標(biāo)，三維重建體3上的每個點(X，Y, Z)均對應(yīng)于觀察平面5上的投影點(X，y)0如附圖6所示，在系統(tǒng)中引入一個切割緩沖器4，切割緩沖器4中的每個單元對應(yīng)存放位于切割平面I上的三維重建體3的點信息，主要是空間點的X、Y、Z坐標(biāo)值。
[0016]完成上述步驟之后，即刷新了切割緩沖器4。此時，如果切割緩沖器4中某單元為空值，則代表在全局坐標(biāo)中，在三維重建體3的切割平面I所在深度，沒有點與觀察平面5的單元相對應(yīng)。如果切割緩沖器4中某單元不為空，則代表在切割平面I所在深度，三維重建體3有一個點能夠?qū)?yīng)到觀察平面5的單元位置，且此時，切割緩沖器4中的值即為此點在全局坐標(biāo)系中的X，Y，Z值。
[0017]7、取點:在屏幕上單擊鼠標(biāo)左鍵，對應(yīng)于取全局坐標(biāo)系中三維坐標(biāo)點的操作。此時，取出切割緩沖器4中對應(yīng)該屏幕點的單元值，若為空，則放棄此次取點操作(因為在全局坐標(biāo)中，在三維重建體3的切割平面I所在深度，沒有點與觀察平面5的單元相對應(yīng))，若不為空，則取出切割緩沖器4中的值，則得到需要的三維點坐標(biāo)值。
[0018]8、根據(jù)測量需要，用戶通過鍵盤、鼠標(biāo)操作實現(xiàn)三維重建體3的旋轉(zhuǎn)操作以及切割平面I的移動操作后，重復(fù)步驟7，直到已經(jīng)取得足夠數(shù)量的測量點，例如對體數(shù)據(jù)進行距離測量只需要取起點和終點兩個點；對于體數(shù)據(jù)的角度測量則需要取三個點。
[0019]9、取得測量點后，通過計算完成相應(yīng)的測量: 10、總體工作流程如圖7所示。
[0020]從本發(fā)明的各步驟的特征可以看出，本發(fā)明的優(yōu)點在于通過切割平面的平移與所測三維重建體的旋轉(zhuǎn)相結(jié)合，再通過引入切割緩沖器，用戶得到了直觀的三維重建體，然后再通過簡單的鼠標(biāo)、鍵盤操作，由三維實時切割精確定位三維空間坐標(biāo)，從而實現(xiàn)了無限制的三維精確精確測量。
【權(quán)利要求】
1.一種三維圖像重建體的精確測量方法，其特征在于包括以下步驟: 1、采用三維重建技術(shù)生成虛擬三維重建體(3): 采用光線追蹤算法進行三維重建，該三維重建體(3)的局部坐標(biāo)系原點與世界坐標(biāo)系的原點皆為三維重建體(3)的中心，此原點固定； I1、計算機根據(jù)該三維重建體(3)生成一個切割平面(I): 切割平面(I)是一個用于對三維重建體(3)進行實時切割的動態(tài)平面，它將覆蓋整個三維重建體(3)區(qū)域，切割平面(I)的初始位置在三維重建體(3)到視點的方向上，且位于三維重建體(3)外部邊緣上，該切割平面(I)為透明的平面，它會將位于平面外即靠近視點方向的三維重建體(3)的部分切割掉； II1、用戶選擇針對三維重建體(3)或者針對切割平面(I)的操作: 對三維重建體(3)和切割平面(I)可分別用鍵盤和鼠標(biāo)實現(xiàn)對它們的操作； IV、選取切割平面: 用戶在計算機屏幕上單擊鼠標(biāo)右鍵，對應(yīng)于選取切割平面(I)的行為，即鼠標(biāo)右鍵選取切割平面(D，在按住鼠標(biāo)右鍵的情況下上下移動鼠標(biāo)，引發(fā)切割平面(D的原點沿著全局固定坐標(biāo)系的Z軸負(fù)方向或者正方向移動，并去除已切割部分(2); V、三維重建體的旋轉(zhuǎn): 用戶通過鍵盤控制三維重建體(3)的旋轉(zhuǎn)操作，鍵盤的上、下、左、右四個方向鍵分別對應(yīng)著三維重建體(3)繞X軸正向旋轉(zhuǎn)、繞X軸逆向旋轉(zhuǎn)、繞Y軸正向旋轉(zhuǎn)以及繞Y軸逆向旋轉(zhuǎn)； V1、引入切割緩沖器: 由切割平面(I)對三維重建體(3)進行切割后，系統(tǒng)重繪切割后的三維重建體(3)，并在系統(tǒng)中引入切割緩沖器(4);繪制過程中，隨著物體描述轉(zhuǎn)換為投影坐標(biāo)，三維重建體(3)上的每個點均對應(yīng)于觀察平面(5)上的投影點，在系統(tǒng)中引入一個切割緩沖器(4)，切割緩沖器(4)中的每個單元對應(yīng)存放位于切割平面(I)上的三維重建體(3)的點信息，主要是空間點的X、Y、Z坐標(biāo)值； VI1、取點: 在屏幕上單擊鼠標(biāo)左鍵，對應(yīng)于取全局固定坐標(biāo)系中三維坐標(biāo)點的操作，此時，取出切割緩沖器(4)中對應(yīng)該屏幕點的單元值，得到需要的三維點坐標(biāo)值； V1、根據(jù)測量需要，用戶通過鍵盤、鼠標(biāo)操作實現(xiàn)三維重建體(3)的旋轉(zhuǎn)操作以及切割平面(I)的移動操作后，重復(fù)步驟VD，直到己經(jīng)取得足夠數(shù)量的測量點； IX、取得測量點后，通過計算完成相應(yīng)的測量。
【文檔編號】G06T7/00GK103593835SQ201210285608
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月13日
【發(fā)明者】袁樺, 張玉 申請人:上海威塔數(shù)字科技有限公司