一种基于迭代泊松表面重建的三维点云生成表面方法技术

本发明专利技术公开一种基于迭代泊松表面重建的三维点云生成表面方法：1)输入一个分布在模型表面附近的点云，初始化点云法向量，并对点云中的每个点定义一个面片列表；2)使用泊松表面重建方法重建点云得到三角网格表面；3)对于表面中的每个三角面片，计算其面积、朝向模型内部的法向量，并在点云中查找距离该面片最近的k个点，将面片索引添加到对应的面片列表中；4)根据点云中每个点的面片列表，计算面片索引对应面片法向量的加权平均值，并进行归一化后作为该点法向量的更新值；5)迭代2

【技术实现步骤摘要】
一种基于迭代泊松表面重建的三维点云生成表面方法


[0001]本专利技术涉及计算机图形学
，具体涉及基于点云的三维表面重建方法，尤其涉及未知点云法向量的三维表面重建方法。

技术介绍

[0002]三维表面重建技术是指利用输入数据构建为计算机所识别的三维模型表面的过程，是计算机图形学
中重要的研究方向之一，并成为满足生产和生活的需要的重要技术。三维表面重建技术已经应用到了多个领域中，包括医学影像、文物保护、航空航天、无人驾驶、以及AR、VR、元宇宙等领域。三维表面重建是这些领域中进行视觉感知和交互的关键技术，具有十分重要的价值。
[0003]点云数据是指在三维坐标系统中一组点的集合，表示三维模型二维流形表面信息。相较于二维空间中的图像数据，点云数据表示信息的能力更强，既能准确反映三维模型表面的结构信息，如空间信息等，还能够反映三维模型的细节信息。现有的基于点云的三维表面重建方法按照需要点云法向量与否分为需要法向量的三维表面重建方法和不需要点云法向量的三维表面重建方法，通常需要法向量的三维表面重建方法重建精度较高，但对于法向量朝向一致性要求高，而由于三维模型的复杂性，例如当三维模型存在尖锐特征、自遮挡等情况时，点云法向量往往是不容易获得的。通常不需要点云法向量的三维表面重建方法简单，但是难以高效地重建得到可靠的结果。
[0004]泊松表面重建方法([1]Kazhdan M,Bolitho M,Hoppe H.Poisson surface reconstruction.Proceedings of the fourth Eurographics symposium on Geometry processing.2006:61
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70；[2]Kazhdan M,Hoppe H.Screened poisson surface reconstruction.ACM Transactions on Graphics(ToG),2013,32(3):1
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13.)是当前流行的基于点云的三维表面重建方法之一，它重建质量高，保证重建表面光滑的同时保留丰富的几何细节；鲁棒性强，可以较好地处理带有噪声的点云模型；时间和空间复杂度低，重建速度快，但重建过程中需要输入朝向一致的点云法向量。如果未知法向量，无法用泊松重建算法重建模型。

技术实现思路

[0005]本专利技术技术解决问题：为了解决泊松重建需要输入法向量的不足，提出了一种基于迭代泊松表面重建的三维点云生成表面方法，根据初始化的点云法向量，使用泊松表面重建方法得到的重建表面更新法向量，通过多次迭代后得到正确的法向量，从而去掉泊松表面重建方法对于法向量的依赖，达到高效地重建，得到可靠的结果；而且利用不需要法向量的泊松表面重建，能够显著提升法向量估计精度，具有较强鲁棒性和可扩展性。
[0006]本专利技术技术解决方案：一种基于迭代泊松表面重建的三维点云生成表面方法，步骤包括：
[0007]步骤1：输入一个分布在三维模型表面附近的点云，初始化点云法向量；
[0008]步骤2：采用泊松表面重建方法重建点云得到三角网格表面；
[0009]步骤3：利用柏松重建生成表面的法向量更新输入点云的法向量，对点云中的每个点定义一个三角面片列表；对于三角网格表面中的每个三角面片，计算每个三角面片的面积、朝向一致的法向量，并在点云中查找距离该三角面片中心最近的k个点，将三角面片索引添加到这k个最近点的三角面片列表中，建立三角网格表面与点云的联系；所述朝向一致的法向量是指法向量均朝向三维模型内部或均朝向三维模型外部，是泊松重建方法重建得到正确模型三维表面的必要条件；对于点云中每个点的三角面片列表，以三角面片面积为权重，计算三角面片法向量的加权平均值，并进行归一化后作为该点法向量的更新值；
[0010]步骤4：定义迭代终止条件，并多次迭代步骤2
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3过程，当迭代过程中满足迭代终止条件时，迭代终止，得到正确点云法向量；
[0011]步骤5：使用正确的法向量进行泊松表面重建，生成三维模型的三维网格表面。
[0012]所述步骤3具体实现步骤为：
[0013](1)构建输入点云的kd树，以便于查找近邻点；
[0014](2)为点云中每个点定义一个三角面片列表；
[0015](3)对于三角网格表面中的每一个三角面片，使用叉积运算得到该三角面片的法向量并计算该三角面片的面积；
[0016](4)对于三角网格表面中的每一个三角面片，在kd树中查找距离该三角面片最近的k个输入点，将面片索引分别添加到k个点对应的三面片列表中，建立三角网格表面与点云的联系；
[0017](5)对于点云中的每个点，计算其面片列表中面片索引对应的三角面片法向量的加权平均值，其中三角面片的面积表示权重，将该加权平均值归一化后作为该点法向量的更新值。
[0018]所述步骤4中，迭代终止条件设置为：计算当前迭代与前一次迭代的点云法向量的偏差，当该偏差小于给定的阈值时，迭代终止，迭代过程收敛，得到正确的点云法向量。若超过最大迭代次数，同样终止迭代。
[0019]本专利技术与现有技术相比的有益效果包括：
[0020](1)本专利技术改进了传统的泊松表面重建方法，完全消除了泊松表面重建方法对于点云法向量的强烈依赖性，通过迭代的方法得到点云的法向量以及重建表面，当点云法向量估计困难时，仍然有效，能够在未知法向量的情况下，重建得到正确的三维表面。
[0021](2)相较于现有三维表面重建方法，本专利技术的重建精度高、鲁棒性好。针对多种复杂模型进行实验，如稀疏模型、分布不均匀模型、存在噪声模型、存在离群值模型、高亏格模型等，均能重建得到视觉效果较好的表面，具有较好的鲁棒性；
[0022](3)相较于现有三维表面重建方法，本专利技术的时间和空间复杂度底，具有较好的可扩展性。
[0023](4)相较于现有三维表面重建方法，本专利技术由于具有鲁棒性强、重建速度快、重建大规模模型能力强等优点，在实际中具有较好的应用前景。
附图说明
[0024]图1为本专利技术方法的示意图；
[0025]图2为本专利技术的模型收敛过程实例。
具体实施方式
[0026]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术做进一步的详细描述,所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0027]如图1所示，本专利技术实施方法包括以下步骤：
[0028]步骤S1：点云法向量初始化。需要使用一定的初始化方法赋予法向量初始值。不同的初始化方法可能导致不同的优化结果。本专利技术采用随机初始化方法。随机初始化方法是最简单、最常用的初始化方法之一。也可以采用更加可靠的初始化方法，如基于可见性([3]Sagi Katz,Ayellet Tal,and Ronen Basri.2007.Direct visibility ofpoint sets.ACM Trans.Gr本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于迭代泊松表面重建的三维点云生成表面方法，其特征在于，步骤包括：步骤1：输入一个分布在三维模型表面附近的点云，初始化点云法向量；步骤2：采用泊松表面重建方法重建点云得到三角网格表面；步骤3：利用柏松重建生成表面的法向量更新输入点云的法向量，对点云中的每个点定义一个三角面片列表；对于三角网格表面中的每个三角面片，计算每个三角面片的面积、朝向一致的法向量，并在点云中查找距离该三角面片中心最近的k个点，将三角面片索引添加到分别添加到这k个最近点的三角面片列表中，建立三角网格表面与点云的联系；所述朝向一致的法向量是指法向量均朝向三维模型内部或均朝向三维模型外部，是泊松重建方法重建得到正确模型三维表面的必要条件；对于点云中每个点的三角面片列表，以三角面片面积为权重，计算三角面片法向量的加权平均值，并进行归一化后作为该点法向量的更新值；步骤4：定义迭代终止条件，并多次迭代步骤2
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3过程，当迭代过程中满足迭代终止条件时，迭代终止，得到正确点云法向量；步骤5：使用正确的法向量进行泊松表面重建，...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯飞，王驰誉，王文成，
申请(专利权)人：中国科学院软件研究所，
类型：发明
国别省市：