基于分片的特征敏感的曲面重建方法技术

本方法为一种基于分片的特征敏感的曲面重建方法，首先在光滑阀值控制下快速重建光滑区域，形成一个个光滑的分片并通过拓扑元素分类技术对边界进行光滑处理、特征检测和特征扩展，再通过分片缝合过程在尖锐特征处将这些光滑分片或分片上的空隙进行缝合。本发明专利技术不仅避免了欠采样和尖锐特征给重建算法带来的困难，也有效地避免了边界推进算法中为了保证拓扑完整的复杂数学测试如三角形相交检测，同时有效地检测并恢复出采样中丢失的尖锐特征。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机图形学领域，具体涉及基于无向散乱数据点集的曲面重建方 法。
技术介绍
从散乱数据点重建曲面在逆向工程、计算机图形学、计算机视觉等众多领域都有着广泛的应用。尽管存在的少数特征敏感的网格化算法可以较好地恢复曲面上的特征，但 这些算法都要求数据点集是有向的，即每个数据点包含准确的法矢量信息。其他的算法都 假设潜在的曲面是处处光滑的，导致结果网格曲面丢失了有用的尖锐特征，甚至不能生成 正确的流形曲面网格。因而，一些预处理或后处理技术被用来恢复尖锐特征，使得针对多边 形模型或点云模型开发快速和准确的特征检测技术成为当前的研究热点之一。但是对于多 边形模型和点云模型，尖锐特征的检测仍是一个难题。在曲面重建算法中，通过不断地在网格的边界生成新三角形的基于边界推进的重 建技术具有简单、高效、易于处理带边界曲面的优点。然而也像大多数算法一样，难以处理 具有欠采样或含尖锐特征的数据点集。申请号为200710041295. 7的专利《基于自适应平 坦度将无序点云转换为三角网格的系统及方法》公开的算法尽管一定程度上可以改善包含 尖锐特征的重构网格质量，但不能产生较高质量的网格且对含尖锐特征或欠采样的数据点 集，很难产生有效的流形曲面网格从而导致坏的曲面网格，因此算法不够健壮。JENKE等人JENKE P. ， WAND M. ， STRASSER W. :Patch_graph reconstruction for piecewisesmooth surfaces . In Proc. Vision, Modeling and Visualization, 2008 :3_12.米用基于 片图的边界推进算法可以有效地生成高质量的曲面网格，该算法基于MLS (Moving least surface，移动最小二乘)投影操作，在边界和欠采样处不能产生正确的投影，因此也不够 健壮。同时基于MLS的重建属于曲面逼近，对于CAD等高精度应用场合来说，基于插值的曲 面重建更能产生高质量的曲面。专利技术的内容针对现有曲面重建算法的上述缺点，申请人经过研究改进，提供另一种基于分片 的特征敏感的曲面重建算法可以有效地克服上述缺点，不仅避免了欠采样和尖锐特征给重 建算法带来的困难，也有效地避免了边界推进算法中为了保证拓扑完整的复杂数学测试如 三角形相交检测，同时有效地检测并恢复出采样中丢失的尖锐特征。本专利技术的技术方案如下—种，包括以下步骤1)分片重建通过多个分片重建过程对潜在曲面的光滑区域进行网格化，每个分 片重建过程分为如下三步A.分片光滑扩展确定每个分片的种子三角化区域，从种子三角化区域的边界边 开始，按照张角优先的次序对边界边进行三角形扩展直到所有边界边的光滑值超过光滑阀 值；B.分片元素分类和特征检测对分片光滑扩展得到的分片的拓扑元素进行光滑元素和非光滑元素的分类，删除非光滑边界元素，通过尖锐特征跟踪检测特征并精确定位 特征点位置或插入新特征点；C.分片特征扩展借助重新定位的特征点或插入的新特征点，在光滑阀值控制和 曲面局部光滑性保持的前提下，对分片边界进一步进行光滑扩展；2)缝合重建基于优先规则在所有分片的边界中选择合适的边界边，进行边界扩 展并基于局部曲面求交发现更多的特征点，最终在尖锐特征处缝合不同的分片或分片中的 缝隙。步骤A中所述的光滑阀值范围是0. 08 0. 2。步骤A中所述的种子三角化区域是指围绕一个点的所有三角形所构成的区域。步骤B中所述的拓扑元素包括顶点、三角形及边。步骤C中所述的光滑扩展分为简单扩展和特征扩展；简单扩展仅扩展三角形并标 记为光滑三角形；特征扩展除扩展三角形外，还进行特征求交以确定特征点的精确位置或 插入新特征点，并记录该特征点和更新周围的活动边的候选信息。所述缝合重建的具体步骤为将所有分片的边界边分到按照张角优先顺序排序的 第一队列和第二队列中，第一队列中是光滑度小于光滑阀值的边界边，以及端点或最佳点 是特征点的边界边，第二队列中是其余的边界边，按照先第一队列中的边界边，后第二队列 中的边界边的次序进行迭代扩展。本专利技术的有益技术效果是本专利技术算法基于光滑阀值控制，将边界推进曲面重建过程分解为分片重建和缝合 重建两个过程，可以有效地处理欠采样或含尖锐特征的数据点集，产生高质量的特征敏感 的曲面网格。不仅避免了欠采样和尖锐特征给重建算法带来的困难，也有效地避免了边界 推进算法中为了保证拓扑完整的复杂数学测试如三角形相交检测，同时有效地检测并恢复 出采样中丢失的尖锐特征。附图说明图1是修改的半边数据结构示意图。图2是种子三角化区域的示意图。图3是候选区域和最佳点选择的示意图。图4是本专利技术方法对Mechpart模型进行曲面重建的过程图。图5是本专利技术方法对Mechpart模型进行曲面重建的结果与H0ppe、C0C0ne、IPD算 法结果的对比图。图6是本专利技术方法对Burmy模型进行曲面重建的过程图。图7是本专利技术方法对Burmy模型进行曲面重建的结果与Hoppe、Cocone, IPD算法 结果的对比图。图8是本专利技术方法对Fandisk模型进行曲面重建的过程图。图9是本专利技术方法对Fandisk模型进行曲面重建的结果与Hoppe、Cocone, IPD算 法结果的对比图。图10是本专利技术方法对smooth-feature模型的重建结果图。图11是本专利技术方法对mannequin模型的重建结果图。图12是本专利技术方法对dino模型的重建结果图。具体实施例方式以下结合附图，通过实施例对本专利技术进行具体说明。为便于理解，首先对本专利技术中所涉及的数据结构和术语进行说明数据结构为方便k邻域查找，用静态的kd_树(kcLtree)存储输入点集P，用哈希表存储算法中坐标修改的点和插入的新特征点。半边数据结构是表示流形曲面网格的主 要数据结构之一，由于本专利技术重建中的网格通常不是流形网格，为此用修改的半边数据结 构表示重建的网格。所述修改的半边数据结构的主要特点在于，每个顶点至多可能关联两 个独立的扇形区域，如图1所示，其中的顶点V关联了两个独立的扇形三角化区域。对于构建中的网格，每个没有对应反向半边的半边称为边界边或活动边，反之称为内边。关联的半边都是内边的顶点称为内点，有关联的半边是边界边的顶点称为边界点， 不会被考虑为网格顶点的点称为废弃点，不是废弃点的且无邻接半边的点称为孤立点。内边的光滑值设K、N2分别是内边AB所关联的两个三角形的单位法矢量，该内边AB的光滑值定义为ΘΑΒ = I-(N1XN2)2对于一个活动边，边界推进算法在多个可能的候选点中选择一个最佳点构成一个新三角形，从而对边界进行扩展。因此，对于活动边，用潜在的新三角形和已关联的三角形 的单位法矢量采用上式的计算结果定义该活动边的光滑值。正背面设从A指向B的活动边关联三角形的单位法矢量为NABC，AB为A指向B的单位法矢量，设AB和Nab。的叉积ABXNab。的单位法矢量为No，则(Α，Νο)定义了一个有向平 面，将空间一分为二，称No所指的一侧为活动边AB的正面，另一侧为背面。最大角准则及优先值本专利技术用最大角准则为活动边选择最佳候选点进行三角形扩展，即活动边AB和其候选点C形成的张角Z ACB的最大者通常为最佳点。该张角也被用 于从众多活本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分片的特征敏感的曲面重建方法，其特征在于包括以下步骤：　　１）分片重建：通过多个分片重建过程对潜在曲面的光滑区域进行网格化，每个分片重建过程分为如下三步：　　Ａ．分片光滑扩展：确定每个分片的种子三角化区域，从种子三角化区域的边界边开始，按照张角优先的次序对边界边进行三角形扩展直到所有边界边的光滑值超过光滑阀值；　　Ｂ．分片元素分类和特征检测：对分片光滑扩展得到的分片的拓扑元素进行光滑元素和非光滑元素的分类，删除非光滑边界元素，通过尖锐特征跟踪检测特征并精确定位特征点位置或插入新特征点；　　Ｃ．分片特征扩展：借助重新定位的特征点或插入的新特征点，在光滑阀值控制和曲面局部光滑性保持的前提下，对分片边界进一步进行光滑扩展；　　２）缝合重建：基于优先规则在所有分片的边界中选择合适的边界边，进行边界扩展并基于局部曲面求交发现更多的特征点，最终在尖锐特征处缝合不同的分片或分片中的缝隙。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董洪伟，
申请(专利权)人：董洪伟，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]