一种工件点云的尖锐特征表面重建方法技术

本发明专利技术公开了一种工件点云的尖锐特征表面重建方法，其包括：步骤1：在点云平滑区域选择三个满足条件的点构成种子三角面片；步骤2：根据点云中点的法线方向分布的不同来实现平滑区域和尖锐特征区域的识别；步骤3：以种子三角形为基础，在不同的区域采取不同的策略步骤进行三角面片的扩张；步骤4：遍历步骤3过程中标记的边界边，在相邻的边界边之间重建三角面片以完成孔洞修补。片以完成孔洞修补。片以完成孔洞修补。

【技术实现步骤摘要】
一种工件点云的尖锐特征表面重建方法


[0001]本专利技术属于点云表面重建
，具体涉及一种工件点云的尖锐特征表面重建方法。

技术介绍

[0002]点云和网格都是物体三维信息的一种表达方式。前者由三维扫描设备对物体采集即可获得，是对物体表面信息的采样。人眼观测可以理解点云所表达的物体轮廓等信息，然而点云中点与点之间没有关联信息，计算机无法有效识别。后者相比于点云，不仅包括点云坐标及其法线等信息，还包括了点与点之间的拓扑关系。因此有必要将获取到的点云进一步处理为网格模型，而将点云模型处理为网格模型的过程即为点云的表面重建。点云的表面重建技术在逆向工程、虚拟现实、文物保护、工件测量等领域都有着广泛的应用。在逆向工程领域，通过表面重建技术可以重建产品的数字化模型；在虚拟现实领域，将点云重建为网格模型可以渲染出更加真实的场景；在文物保护领域，可以重建文物的数字模型以供展览参观；在工件测量领域，通过重建工件的网格模型可以实现对工件的加工误差分析。
[0003]点云的表面重建算法主要分为隐式曲面重建及基于三角剖分的曲面重建两种。前者利用隐式函数对点云进行表面重建，重建时输入包含点云坐标和点云法线信息的样本，通过估计点云模型的指示函数并提取等值面来完成点云的表面重建。该类算法适用于动物等表面轮廓变化较小的物体，适用于对精度要求不大的场景。而对于工件点云，表面轮廓变化较大，如尖锐的棱角等，该类算法在这些地方会将棱角等尖锐的特征平滑过渡掉，同时由于提取等值面的缘故导致重建出的三角面片偏离点云真实位置，从而造成严重的精度损失。而以滚球法为主要代表的后者则是在给定的点云中选择合适的三个点来组成面片以完成表面重建，该类算法不会对点云平滑过渡且重建出的面片位置与点云的真实位置一致，更适用于工件点云的表面重建。本专利技术以滚球法为基础，针对滚球法在工件点云表面重建中的问题做出优化，实现一种面向工件点云的高质量滚球重建算法。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提出了一种工件点云的尖锐特征表面重建方法，包括：
[0005]步骤1：种子三角面片的选取
[0006]在点云中选择三个点重建为三角面片，将其作为种子三角形以供算法进行表面扩张。种子三角形满足以下条件：a)种子三角形内部不包含其他任何点；b)种子三角形的外接球内不包含其他任何点；c)种子三角形三个点的法线方向基本一致。在此基础上，建立front边链表并将种子三角形的三条边都加入该链表中。
[0007]步骤2：点云尖锐特征区域的识别
[0008]点云在平滑区域的法线方向分布基本一致，而在尖锐特征区域法线方向分布杂乱不一致。根据点云法线在平滑区域和尖锐区域分布方向的不同来识别点云的尖锐特征区域。
[0009]步骤3：三角面片表面扩张
[0010]从种子三角形出发不断进行表面扩张形成新的三角面片，在点云平滑区域使用基本滚球法进行扩张，在尖锐特征区域使用平面延伸的方法进行扩张实现表面重建。在front边链表中取出一条边，以该边的中点为球心搜索指定半径r内的所有邻域点。在所有的邻域点中，选择一个点与该边的两个端点形成新的三角面片。
[0011]步骤4：网格模型的孔洞修补遍历步骤3重建过程中标记的边界边，在相邻的边界边之间重建三角面片以完成孔洞修补。
[0012]本专利技术的有益效果在于：
[0013]1、通过对点云法线分布方向的分析判断，识别点云中可能存在尖锐特征的区域；
[0014]2、在点云的尖锐特征区域进行表面扩张时，在所有邻域点中选择与滚球边所在平面距离最近的点并进行扩张，实现尖锐特征区域的重建；
[0015]3、遍历边界边，使用孔洞修补方法修补表面重建过程中形成的孔洞。
附图说明
[0016]图1为本专利技术算法创建的种子三角形效果图；
[0017]图2为点云表面的法线方向效果图。图2(a)为平滑区域的法线分布效果图，图2(b)为尖锐特征区域的法线分布效果图；
[0018]图3为重建三角面片中新的两条边不同情况的示意图。图3(a)为两条边为inner边的情况，图3(b)为两条边为front边的情况；
[0019]图4为孔洞修补算法示意图；
[0020]图5为孔洞修补算法流程示意图。
具体实施方式
[0021]下面结合附图，对本专利技术进一步详细说明。
[0022]一种工件点云的尖锐特征表面重建方法，包含以下步骤：
[0023]步骤1：种子三角面片的选取
[0024]在点云中选择三个点构成种子三角面片，该三角面片满足以下条件：a)种子三角形内部不包含其他任何点；b)种子三角形的外接球内不包含其他任何点；c)种子三角形三个点的法线方向基本一致，如图1所示。在此基础上，建立front边链表并将种子三角形的三条边都加入该链表中；
[0025]步骤2：点云尖锐特征区域的识别
[0026]点云法线在平滑区域的方向分布一致，而在尖锐特征区域的分布则比较杂乱。如图2(a)所示为点云在平滑区域的法线分布图，图2(b)为点云在尖锐特征区域的法线分布图。通过判断点云法线的分布方向来进行尖锐特征区域的识别。具体来说，通过三角面片顶点的法线夹角来进行识别。首先计算三条法线之间的两两夹角，若三个夹角中大于阈值的夹角个数多于2，则说明该区域的法线方向分布不一致，为尖锐特征区域；反之则说明该区域为平滑区域。
[0027][0028]其中n1和n2为点的法线；
[0029]步骤3：三角面片表面扩张
[0030]根据识别到的尖锐特征区域和平滑区域，使用不同的策略进行表面重建。在平滑区域，具体的面片扩张算法步骤如下所示。
[0031](1)从front链表中读取一条活跃边e，并计算该边的中点m。以r'为半径搜索点m的所有邻域点，r'的值如式(2)所示。
[0032]r'＝||m
‑
c||+r
ꢀꢀ
(2)
[0033]其中m为活跃边e的中点，c为e所在三角面片的外接球的球心，r为滚球半径。
[0034](2)在点m的所有邻域点中选择一候选点v，v与e的两条边所在平面与e的邻接面所在平面的夹角相比其他邻域点最小。将v与e的两个端点vs和vt构成新的三角面片。若新的三角面片中不包含任何其他点且其外接球中也不包含其他点，则重建此三角面片，反之则将活跃边e标记为边界边并加入边界边链表中。判断边vvs和vvt的邻接面的数量，若有两个邻接面，则将该边标记为inner边，反之则将该边加入front链表中。两种情况如图3所示。其中图3(a)为新的三角面片的两条边为inner边的情况，图3(b)为新的三角面片的两条边为front边的情况。
[0035](3)若front链表为空，则滚球算法结束，反之，返回步骤(2)，重复执行。
[0036]在尖锐特征区域，具体的面片扩张算法如下所示。
[0037](1)从front链表中读取一条活跃边e，并计算该边的中点m。以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工件点云的尖锐特征表面重建方法,其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：在点云中选择三个点重建为三角面片，将其作为种子三角形以供算法进行表面扩张；步骤2：根据点云法线在平滑区域和尖锐区域分布方向的不同来识别点云的尖锐特征区域；步骤3：从种子三角形出发不断进行表面扩张形成新的三角面片，在点云平滑区域使用基本滚球法进行扩张，在尖锐特征区域使用平面延伸的方法进行扩张实现表面重建；步骤4：遍历重建过程中形成的边界边，在边界边邻边内进行孔洞修补，添补步骤3形成的孔洞。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1所述的种子三角形需要满足以下条件：a)种子三角形内部不包含其他任何点；b)种子三角形的外接球内不包含其他任何点；c)种子三角形三个点的法线方向基本一致；在此基础上，建立front边链表并将种子三角形的三条边都加入该链表中。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2所述的基于法线分布方向的尖锐特征区域识别方法依据如下：点云的法线计算采用主成分分析法进行，该方法使得点云在平滑区域的法线方向分布基本一致，在尖锐特征区域法线方向分布杂乱不一致；根据两者之间的不同特点来实现尖锐特征区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：王素琴，石敏，朱登明，陈太钦，麻慧祥，姚奕伸，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：