三维建模的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种三维建模的方法和装置。其中，该方法包括：通过三维激光扫描获取海量三维点云数据；对三维点云数据进行预处理；以及对经预处理的三维点云数据进行曲面重建。本发明专利技术解决了传统三维建模精度不足、效率低下、不能适用于大场景应用的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
三维建模的方法和装置
本专利技术涉及电力服务领域，具体而言，涉及一种三维建模的方法和装置。
技术介绍
数字三维模型由于能够直观、生动地表达三维空间信息，越来越多地应用到电力行业中。变电站由于设备种类繁多、结构复杂，对三维重建的真实性和工作效率提出了更高的要求。从真实世界中精确、有效地重建其三维数字表达一直以来都是在大型场所数字化和智能化所面临的一个难题。传统的三维建模方法无法保证三维模型的尺寸、位置关系等符合真实场景，存在建模过程耗时长、操作复杂、效率低或者建模方法对环境要求过高等缺陷，尤其对于变电站这种复杂场景，无法满足对大型复杂环境三维建模精度和效率的要求。目前三维建模的方法主要有以下几类：手工建模传统的三维建模主要依靠专业美术人员，通过使用专业建模工具软件(如3DSMAX、Maya、AutoCAD、GoogleSketchUp、MutiGenCreator等)手工创建三维模型。如水晶石、伟景行、神州视景、火星时代、融合资讯、中视典、数虎图像、黑晶等公司都由专业美术人员操作专业工具软件完成模型制作。手工建模的优点是能够创建出细致、内容丰富的场景模型。但是相对于应用需求，这种方法也存在几个问题：A.依赖专业人员；B.无法保证三维模型的尺寸、位置关系等符合真实场景，尤其对于复杂场景，其精度更是无法保障；C.手工操作繁琐，耗时长，效率低，在很大程度上限制了数字三维模型的广泛应用。随着三维模型越来越多地应用到各个领域，三维模型的需求量很大，传统手工建模在效率上和精度上都无法满足应用需求，目前很多研究人员在自动化三维建模方面进行着更深入的研究。基于2DGIS的三维建模常规的GIS不仅含有三维场景建模所需要的几何信息，如地理目标的位置、建立三维场景所需要的等高线或高程点、建筑物的底面形状、建筑物占地边界与面积、屋顶的倾斜、建筑物的高度、层数等等，而且还有丰富的语义属性信息，如建筑物的用途、建筑年代、名称、结构、权属等等。因此，直接从GIS数据转换到三维场景模型是一个经济快捷的有效途径。经过多年的发展，基于2DGIS数据建立大规模场景的三维模型已经得到了较为广泛的应用，涌现出了许多成熟和实用的技术，如Arc/Info的3DX模块、Gravitas的三维建筑设计软件等。但总体来说，该技术仍欠完善。例如，其应用范围局限于较规则建筑物的三维建模，对城市的精细部分表达力度不够，视觉效果不是很好；由于GIS数据庞大、复杂，现有重建方法的计算效率较低，同时，重建过程往往需要较多的手工交互，难以实现自动化的处理。基于建筑图纸的三维建模在建筑行业中，计算机辅助设计(Design)和绘图(Drafting)方面的研究已经比较成熟，目前已经有相当数量的应用软件，如AutoCAD、PKPM和广厦软件等。近年来，在建筑图纸的计算机三维重建领域的理论研究和应用系统的开发方面也有了一些重要的进展。国外主要的研究机构有加州大学伯克利分校、麻省理工学院、法国国家计算机与自动化科学院和洛林研究中心等；国内的研究机构主要包括清华大学、香港城市大学、浙江大学等。基于建筑图纸的重建技术经历了多年的尝试和创新，经过国内外学者的不懈努力，在该领域已经取得了显著的成果。但是现有的成果还尚处于尝试阶段，距离产品化还具有一定的距离，存在以下几个问题难于解决：A.现有方法仅适用于满足特定要求的建筑图纸重建。建筑图纸是兼有工程性和艺术性内容的专业图纸，受主观因素的影响，给普适的通用方法带来了巨大的难度。B.输入数据的噪声为后续处理的稳定性增加了难度，同时，识别规则通常具有严格的约束，而且环环相扣，导致算法的鲁棒性大打折扣。C.建筑图纸通常包含大量的离散图元信息，使得搜索或遍历图纸非常耗时。此外，许多方法需要对图纸进行多次搜索才可以完成重建，对效率问题提出了紧迫要求。基于图像的三维建模基于图像的三维建模技术主要研究如何从物体或场景的单张图像、图像序列或视频中恢复出其三维模型。国内外许多学者在基于图像的建模方面作了有益的探索，如北卡罗来纳大学，剑桥大学，华盛顿大学，瑞士洛桑理工大学，香港大学、浙江大学等。经过科研人员努力研究，在提高建模的自动性、精确性和完整性的理论和应用方面取得了很大的进步，取得了大量丰硕的成果。然而，基于图像的建模技术由于其问题本身的复杂性，仍存在一些需要解决的问题。如基于单幅图像重建方法中只适合于某些特殊场景的重建或者需要较多的手工交互、基于多幅图像的建模方法中寻找对应匹配特征点遇到了极大的困难、基于深度图像的几何建模往往需要拼合多幅深度图像才能得到一个物体的完整表示、基于视频图像的三维建模方法的建模结果仅包含部分建筑的临街表面不能完整表达等。由于从图像中提取三维模型是一个病态问题，且解决难度较大，这个问题还没有很好的解决。基于扫描数据的三维建模扫描数据是由专用仪器获取的海量点云数据，这些专用仪器包括航拍激光雷达和地面激光扫描仪等。通过航拍激光雷达获得的扫描数据范围大，对于大场景建模更为适用。美国南加州大学、普度大学以及俄亥俄州立大学等基于航拍激光雷达扫描数据进行了大量的研究。由于航拍激光雷达和航拍图像都是以俯瞰的角度进行扫描拍摄，因此数据仅包含建筑等物体的高度信息和屋顶信息，建模结果也是非完整的。通过地面激光扫描仪所获取的数据一般更为精确，适合范围较小的建模。德国图宾根大学、北京大学以及深圳先进研究院等基于地面激光扫描数据进行了三维建模方面的研究。地面激光扫描数据由于本身天然的精确性，其建模结果在几何细节上具有高度的真实性，不过由于数据量较大，影响了建模的速度。针对各种应用的不同需求，主要的问题是如何有效处理超大量的扫描原始数据和重建有效的三维表达，从而使扫描物体或环境可以被有效地可视化和操控。目前扫描的物体通常只有中等大小(数米高)，现在还不存在某项通用技术对各种形状的物体都适用，从而限制了此技术的适用的范围。激光扫描技术能够快速采集高精度的点云数据，为三维全真重建提供了基础数据。然而，由于三维扫描设备视角狭窄固定、有效测量距离短、对扫描环境要求过高等缺陷，其应用尚局限于对近距离小尺寸物体的室内几何测量，其苛刻的要求在变电站实际场景中也难以满足，还不存在对各种形状的物体都适用的通用技术。针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种三维建模的方法和装置，以至少解决传统三维建模精度不足、效率低下、不能适用于大场景应用的的技术问题。根据本专利技术实施例的一个方面，提供了一种三维建模的方法，包括：通过三维激光扫描获取海量三维点云数据；对三维点云数据进行预处理；以及对经预处理的三维点云数据进行曲面重建。进一步地，对三维点云数据进行预处理至少包括进行以下处理中的一个或多个：点云缺损处理；噪声去除处理；多视对齐处理以及数据精简处理。进一步地，点云缺损处理采用由上而下的方法生成多边形模型来进行几何重建。进一步地，数据精简处理包括以下方式中的一个或多个：平均精简，使三维点云数据中每预定个点保留一个点；以及按距离精简，删除三维点云数据中的一些点使得保留的点云数据中点与点之间的距离均大于预定值。进一步地，对经预处理的所述三维点云数据进行曲面重建至少包括以下步骤中的一个或多个：获取三维点云数据中优先重建的第一点云集合；遍历第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维建模的方法，其特征在于，包括：通过三维激光扫描获取海量三维点云数据；对所述三维点云数据进行预处理；以及对经预处理的所述三维点云数据进行曲面重建。

【技术特征摘要】
1.一种三维建模的方法，其特征在于，包括：通过三维激光扫描获取海量三维点云数据；对所述三维点云数据进行预处理；以及对经预处理的所述三维点云数据进行曲面重建。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述三维点云数据进行预处理至少包括进行以下处理中的一个或多个：点云缺损处理；噪声去除处理；多视对齐处理；以及数据精简处理。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述点云缺损处理采用由上而下的方法生成多边形模型来进行几何重建。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数据精简处理包括以下方式中的一个或多个：平均精简，使所述三维点云数据中每预定个点保留一个点；以及按距离精简，删除所述三维点云数据中的一些点使得保留的点云数据中点与点之间的距离均大于预定值。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，对经预处理的所述三维点云数据进行曲面重建至少包括以下步骤中的一个或多个：获取所述三维点云数据中优先重建的第一点云集合；遍历所述第一点云集合中的点，并对每个点进行局部曲面拟合以重建局部三维曲面；根据已重建的所述局部三维曲面，利用增长式局部拟合对与已重建的所述局部三维曲面相邻的第二点云集合中的每个点进行拟合以重建相应的局部三维曲面，直至无未重建的点为止；以及利用所述局部三维曲面通过局部函数全局混合方法获得三维重建曲面模型。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，获取所述三维点云数据中优先重建的第一点云集合包括：估算所述三维点云数据中的点的法线向量，根据所述法线向量进行聚类分析，从而获取所述三维点云数据中优先重建的所述第一点云集合，其中，所述法线向量为对以所述三维点云数据中的一个离散数据点为中心选取的多个点云数据进行平面拟合所得的平面的法线向量。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述局部函数全局混合方法包括：利用Shepard混合函数来实现局部拟合后的混合。8.一种三维建模的装置，其特征在于，包括：数据获取单元，被配置为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张岩，沙立成，张璇，孙健，王海云，杨楠，张再驰，常乾坤，陈茜，钱叶牛，贾东强，王存平，闻宇，李子衿，迟忠君，师恩洁，袁清芳，张印宝，王永，周运斌，张天辰，姚玉海，
申请(专利权)人：国网北京市电力公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京,11