點云曲面重建方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種點云曲面重建方法，包括如下步驟：提取輸入點云的骨架曲線；編輯所述提取的骨架曲線，并指定掃掠路徑；沿著所述編輯后的骨架曲線獲取點云切片，利用所述點云切片擬合出NURBS閉合曲線；沿著上述指定的掃掠路徑，結合擬合出的NURBS閉合曲線，對點云重建得到多個廣義圓柱；將上述重建得到的多個廣義圓柱合并為一個曲面，并對所述廣義圓柱的相交處進行平滑操作重建點云曲面。本發(fā)明能夠以最少量的交互實現(xiàn)最精確的點云曲面重建，可以處理缺失嚴重的點云數(shù)據(jù)，且曲面重建質(zhì)量高，可控性好。
【專利說明】點云曲面重建方法及系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種點云曲面重建方法及系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 3D建模技術是制約著游戲、電影、計算機輔助設計等領域的各種圖形學應用的主 要瓶頸之一。隨著3D掃描技術的發(fā)展，各種各樣的三維點云數(shù)據(jù)開始變得容易獲得。但是， 這些點云數(shù)據(jù)往往有嚴重的噪聲和缺失，傳統(tǒng)的點云曲面重建方法很難得到很好的效果。
[0003] 目前點云曲面重建技術主要集中在自動重建方法上。常見的自動算法有泊松重 建、基于徑向基函數(shù)的方法等。這些方法利用隱式函數(shù)的逼近算法來構造空間曲面，雖然在 不同程度上廣為應用，但是當點云數(shù)據(jù)具有較大缺失或者拓撲結構不清晰的時候，這些方 法的效果都很差。除此之外，已經(jīng)有一些學者開始嘗試使用交互方法來提高點云重建的質(zhì) 量。例如，通過用戶定義數(shù)據(jù)的拓撲結構來克服點云重建后的拓撲錯誤，或者通過用戶在距 離函數(shù)標定零曲面內(nèi)外層來約束重建曲面的拓撲結構。
[0004] 目前的交互式點云曲面重建方法都沒有得到很好的效果，原因主要在于四個方 面：第一，這些交互重建技術仍然建立在自動重建算法之上，當數(shù)據(jù)缺失較嚴重時，引入的 交互不足以改善極糟糕的自動重建結果；第二，仍然采用了簡單的光滑假設，當數(shù)據(jù)有尖銳 特征時難以得到很好的結果；第三，這些交互方法太復雜，用戶難以使用；第四，這些方法 都不夠成熟可靠，以至于很難被廣泛使用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，有必要提供一種點云曲面重建方法及系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明提供一種點云曲面重建方法，該方法包括如下步驟：a.提取輸入點云的骨 架曲線；b.編輯所述提取的骨架曲線，并指定掃掠路徑；c.沿著所述編輯后的骨架曲線獲 取點云切片，利用所述點云切片擬合出NURBS閉合曲線；d.沿著上述指定的掃掠路徑，結合 擬合出的NURBS閉合曲線，對點云重建得到多個廣義圓柱；e.將上述重建得到的多個廣義 圓柱合并為一個曲面，并對所述廣義圓柱的相交處進行平滑操作重建點云曲面。
[0007] 其中，該方法還包括步驟：對上述重建的點云曲面進行交互操作，從而提高所述重 建的點云曲面的質(zhì)量。
[0008] 所述的編輯包括：切斷、連接、修剪、延長、變形。
[0009] 所述的步驟C包括：采用基于曲率的平方距離極小化方法擬合NURBS閉合曲線，對 擬合效果不滿意時允許用戶對所述NURBS閉合曲線進行修正。
[0010] 所述的步驟d包括：沿著指定的掃掠路徑對獲取的點云切片進行掃掠，同時保證 獲得的新點云切片曲線和輸入的點云相匹配；對每個NURBS閉合曲線向外插值，使外插之 后的NURBS曲面在邊界處相遇，從而檢測不同切片曲線的控制點的對應關系；在檢測不同 切片曲線的控制點的對應關系之后，將所述掃掠路徑上擬合的所有NURBS閉合曲線結合到 一起。 toon] 本發(fā)明還提供一種點云曲面重建系統(tǒng)，包括提取模塊、編輯模塊、擬合模塊及重建 模塊，其中：所述提取模塊用于提取輸入點云的骨架曲線；所述編輯模塊用于編輯所述提 取的骨架曲線，并指定掃掠路徑；所述擬合模塊用于沿著所述編輯后的骨架曲線獲取點云 切片，利用所述點云切片擬合出NURBS閉合曲線；所述重建模塊用于沿著上述指定的掃掠 路徑，結合擬合出的NURBS閉合曲線，對點云重建得到多個廣義圓柱；所述重建模塊還用于 將上述重建得到的多個廣義圓柱合并為一個曲面，并對所述廣義圓柱的相交處進行平滑操 作重建點云曲面。
[0012] 其中，該系統(tǒng)還包括交互模塊用于：對上述重建的點云曲面進行交互操作，從而提 高所述重建的點云曲面的質(zhì)量。
[0013] 所述的編輯包括：切斷、連接、修剪、延長、變形。
[0014] 所述的擬合模塊具體用于：采用基于曲率的平方距離極小化方法擬合NURBS閉合 曲線，對擬合效果不滿意時允許用戶對所述NURBS閉合曲線進行修正。
[0015] 所述的重建模塊具體用于：沿著指定的掃掠路徑對獲取的點云切片進行掃掠，同 時保證獲得的新點云切片曲線和輸入的點云相匹配；對每個NURBS閉合曲線向外插值，使 外插之后的NURBS曲面在邊界處相遇，從而檢測不同切片曲線的控制點的對應關系；在檢 測不同切片曲線的控制點的對應關系之后，將所述掃掠路徑上擬合的所有NURBS閉合曲線 結合到一起。
[0016] 本發(fā)明點云曲面重建方法及系統(tǒng)，能夠以達到以最少量的交互實現(xiàn)最精確的曲面 重建的目的，有益效果如下：1)可以處理缺失嚴重的點云數(shù)據(jù)：本發(fā)明采用骨架曲線和切 向曲線兩種曲線作為中間表示，在數(shù)據(jù)嚴重缺失時依然精度很高；2)重建質(zhì)量高：比傳統(tǒng) 的擬合算法更加高效魯棒，因此獲得的重建精度很高；3)交互簡單：本發(fā)明在自動計算失 敗的情況下才需要用戶交互，并且只需要對骨架曲線的交互和對切面曲線的交互兩種交 互；4)可控性好：本發(fā)明將三維交互分解為兩種相互正交的曲線交互，提供了非常好的可 交互性；5)理論重建效果可以達到完美：由于允許用戶任意的控制兩種相互正交的曲線， 因而，理論上只要用戶付出足夠多的努力，點云曲面重建的精度可以達到完美。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明點云曲面重建方法的流程圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明對點云的骨架進行編輯的五種基本操作示意圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明點云曲面重建系統(tǒng)的硬件架構圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0021] 參閱圖1所示，是本發(fā)明點云曲面重建方法較佳實施例的作業(yè)流程圖。
[0022] 步驟S401，自動提取輸入點云的骨架曲線。具體而言，本實施例采用"L1-中值" 算法提取所述輸入點云的骨架曲線。
[0023] 步驟S402,交互式地編輯所述提取的骨架曲線，并指定掃掠路徑。具體如下：
[0024] 如圖2所示，本實施例采用五種基本操作對所述輸入點云的骨架曲線進行編輯。 以下對所述五種基本操作進行逐一介紹：
[0025] (1)切斷：從表示點云的骨架曲線圖中刪除一條邊，以切斷骨架曲線的一條分支； 或者從表示點云的骨架曲線圖中刪除一個度數(shù)大于2的頂點，從而刪除一個結合點。
[0026] (2)連接：連接表示點云的骨架曲線圖上的兩個終端結點，從而將兩條分支連接 為一條。
[0027] (3)修剪：刪除點云的骨架曲線圖中一個骨架分支的末端部分。
[0028] (4)延長：從點云的骨架曲線圖中骨架分支的端點處沿著末端切向繼續(xù)向前生 長；
[0029] (5)變形：用戶通過拖動點云的骨架曲線圖中骨架上的一個點，對骨架實施形變。 本實施例采用移動最小二乘變形算法實現(xiàn)。
[0030] 步驟S403,沿著所述編輯后的骨架曲線獲取質(zhì)量較高的點云切片，利用所述點云 切片擬合出NURBS閉合曲線，如果擬合效果不好，則允許用戶交互式地對所述NURBS閉合曲 線進行修正。具體步驟如下：
[0031] 根據(jù)所述編輯后的骨架曲線選取質(zhì)量較高的點云切片，來擬合NURBS閉合曲線。 本實施例采用基于曲率的平方距離極小化方法從二維點云切片中擬合NURBS閉合曲線。
[0032] 若擬合效果不精確，則允許用戶交互式地拖動所述NURBS閉合曲線控制點對其修 正。
[0033] 步驟S404,沿著上述指定的掃掠路徑，結合擬合出的NURBS閉合曲線，對點云進行 重建得到多個廣義圓柱。具體步驟如下：
[0034] 本實施例沿著用戶指定的掃掠路徑對上述獲取的點云切片進行掃掠，同時保證獲 得的新點云切片曲線和輸入的點云相匹配。
[0035] 在上述獲取的二維點云切片和從二維點云切片擬合的NURBS閉合曲線的基礎上， 對每個NURBS閉合曲線向外插值，使外插之后的NURBS曲面在邊界處相遇，從而可以檢測不 同切片曲線的控制點的對應關系。通過極小化如下公式來實現(xiàn)外插：
[0036]

【權利要求】
1. 一種點云曲面重建方法，其特征在于，該方法包括如下步驟： a. 提取輸入點云的骨架曲線； b. 編輯所述提取的骨架曲線，并指定掃掠路徑； c. 沿著所述編輯后的骨架曲線獲取點云切片，利用所述點云切片擬合出NURBS閉合曲 線. d. 沿著上述指定的掃掠路徑，結合擬合出的NURBS閉合曲線，對點云重建得到多個廣 義圓柱； e. 將上述重建得到的多個廣義圓柱合并為一個曲面，并對所述廣義圓柱的相交處進行 平滑操作重建點云曲面。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括步驟： 對上述重建的點云曲面進行交互操作，從而提高所述重建的點云曲面的質(zhì)量。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的編輯包括：切斷、連接、修剪、延 長、變形。
4. 如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步驟c包括： 采用基于曲率的平方距離極小化方法擬合NURBS閉合曲線，對擬合效果不滿意時允許 用戶對所述NURBS閉合曲線進行修正。
5. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述的步驟d包括： 沿著指定的掃掠路徑對獲取的點云切片進行掃掠，同時保證獲得的新點云切片曲線和 輸入的點云相匹配； 對每個NURBS閉合曲線向外插值，使外插之后的NURBS曲面在邊界處相遇，從而檢測不 冋切片曲線的控制點的對應關系； 在檢測不同切片曲線的控制點的對應關系之后，將所述掃掠路徑上擬合的所有NURBS 閉合曲線結合到一起。
6. -種點云曲面重建系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括提取模塊、編輯模塊、擬合模塊及 重建模塊，其中： 所述提取模塊用于提取輸入點云的骨架曲線； 所述編輯模塊用于編輯所述提取的骨架曲線，并指定掃掠路徑； 所述擬合模塊用于沿著所述編輯后的骨架曲線獲取點云切片，利用所述點云切片擬合 出NURBS閉合曲線； 所述重建模塊用于沿著上述指定的掃掠路徑，結合擬合出的NURBS閉合曲線，對點云 重建得到多個廣義圓柱； 所述重建模塊還用于將上述重建得到的多個廣義圓柱合并為一個曲面，并對所述廣義 圓柱的相交處進行平滑操作重建點云曲面。
7. 如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括交互模塊用于： 對上述重建的點云曲面進行交互操作，從而提高所述重建的點云曲面的質(zhì)量。
8. 如權利要求6或7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的編輯包括：切斷、連接、修剪、延 長、變形。
9. 如權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的擬合模塊具體用于： 采用基于曲率的平方距離極小化方法擬合NURBS閉合曲線，對擬合效果不滿意時允許 用戶對所述NURBS閉合曲線進行修正。
10.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的重建模塊具體用于： 沿著指定的掃掠路徑對獲取的點云切片進行掃掠，同時保證獲得的新點云切片曲線和 輸入的點云相匹配； 對每個NURBS閉合曲線向外插值，使外插之后的NURBS曲面在邊界處相遇，從而檢測不 冋切片曲線的控制點的對應關系； 在檢測不同切片曲線的控制點的對應關系之后，將所述掃掠路徑上擬合的所有NURBS 閉合曲線結合到一起。
【文檔編號】G06T17/30GK104050720SQ201410287402
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權日:2014年6月24日
【發(fā)明者】黃惠, 尹康學, 丹尼爾·科恩 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院