基于VTK的點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制研究與實(shí)現(xiàn).doc

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1、基于VTK的點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制研究與實(shí)現(xiàn)作者簡(jiǎn)介：段文國(guó)（1983-），男，湖北人，碩士研究生，研究方向：三維信息獲取與三維可視化。張愛武(1972-),女,教授,研究方向：三維信息獲取與處理、計(jì)算機(jī)視覺與模式識(shí)別、三維可視化。段文國(guó)張愛武蔡廣杰（首都師范大學(xué)三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100037）摘要：本文結(jié)合可視化工具開發(fā)包VTK，比較了幾種圖像繪制算法的特點(diǎn)，并選取最常用的移動(dòng)立方體算法，對(duì)激光掃描儀所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，重點(diǎn)介紹了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理、場(chǎng)景繪制、顯示輸出，并給出了部分實(shí)現(xiàn)代碼。關(guān)鍵詞：VTK，三維數(shù)據(jù)場(chǎng)，移動(dòng)立方體，點(diǎn)

2、云引言隨著激光掃描系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)的中廣泛應(yīng)用，利用激光掃描儀獲取到的深度數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)景的三維重建在數(shù)字古建、文物保存等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，傳統(tǒng)的處理方法利用三維處理軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取場(chǎng)景的三維模型。隨著三維建模技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了大量復(fù)雜的可視化處理算法和開發(fā)工具。本文研究了基于三維可視化工具包VTK在可視化開發(fā)過程中常用到的場(chǎng)景繪制算法及其實(shí)現(xiàn)。一、VTK簡(jiǎn)介VTK(VisualizationToolkit)是美國(guó)Kitware公司開發(fā)的一套三維可視化圖形系統(tǒng)，封裝了目前許多優(yōu)秀的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化算法，可對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行各種變換和操作；

3、支持多種語(yǔ)言，多種平臺(tái)；生成圖像的速度快；圖形質(zhì)量?jī)?yōu)秀，用戶交互手段豐富[1]。VTK有圖形模式和可視化模式兩種不同的模式。圖形模式主要用來將數(shù)據(jù)集的幾何形狀展示為直觀的三維圖形，并對(duì)實(shí)體、光照、照相機(jī)、繪制窗口等屬性進(jìn)行設(shè)置和操作，完成圖像生成和用戶交互的功能?？梢暬Ｊ接蓛深惢镜膶?duì)象組成：數(shù)據(jù)對(duì)象和處理對(duì)象。在VTK中，有5種數(shù)據(jù)集類型，分別是：StructuredPoints，StructuredGrid、UnstructuredPoints、PolygonalData、UnstructuredGrid[2]。處理對(duì)象按功能分為三種：數(shù)據(jù)源

4、對(duì)象、過濾器、映射器。數(shù)據(jù)源對(duì)象用于產(chǎn)生或接收數(shù)據(jù)集，并將其導(dǎo)入到可視化網(wǎng)絡(luò)之中，是可視化網(wǎng)絡(luò)的起點(diǎn)。過濾器用于對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行各種算法的處理，它接收數(shù)據(jù)集輸入，也可產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)集輸出。映射器是可視化網(wǎng)絡(luò)的終點(diǎn)，將處理后的數(shù)據(jù)集映射為可展示的幾何形狀[3]。二、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理三維激光掃描儀能夠快速獲取近距離物體的三維信息，從而能夠快速建立起物體的三維框架，三維激光掃描儀獲取的原始數(shù)據(jù)就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，它是一種空間數(shù)據(jù)的集合，數(shù)據(jù)點(diǎn)之間是離散的，下圖是利用激光掃描儀獲取的云崗石窟局部點(diǎn)云模型圖。圖1云崗石窟佛像原始點(diǎn)云模型圖同時(shí)，通過激光掃描儀得到的點(diǎn)

5、云數(shù)據(jù)量巨大，一般具有成千上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。通常激光掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是一個(gè)多行3列的矩陣，每行分別記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)的x，y，z三個(gè)坐標(biāo)值，這樣很容易設(shè)計(jì)出一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，方便數(shù)據(jù)存取[2]。圖2是經(jīng)過處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2掃描后點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，一般需要進(jìn)行預(yù)處理，包括：噪點(diǎn)去除，即去掉錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，在不影響完整性的情況下一般需要進(jìn)行精簡(jiǎn)。這些工作可以通過激光掃描儀配套的應(yīng)用軟件或二次軟件開發(fā)包進(jìn)行處理[4]。三、基于VTK的體繪制及其實(shí)現(xiàn)3.1間接體繪制三維數(shù)據(jù)場(chǎng)是當(dāng)前可視化研究的重點(diǎn)，

6、也是實(shí)踐中最常遇到的。對(duì)三維空間體數(shù)據(jù)來說，有兩類不同的可視化算法，第一類算法由采用多邊形來對(duì)物體的表面進(jìn)行擬合，由三維空間構(gòu)造出中間幾何圖元，再進(jìn)行畫面繪制也叫間接體繪制。間接體繪制最常用的是MC（marchingcubes）方法，該方法是由W.ELorenson和H.E.Cline在1987年提出的。此方法是基于三維規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)抽取等值面的經(jīng)典算法，算法的基本思想是把三維圖像相鄰層上的各四個(gè)像素組成立方體的八個(gè)頂點(diǎn)，逐個(gè)處理三維圖像中的立方體，分類出與等值面相交的立方體，采用線形插值計(jì)算出等值面與立方體邊的交點(diǎn)。根據(jù)立方體每一頂點(diǎn)與等值面的相對(duì)位

7、置，將等值面與立方體的邊的交點(diǎn)按一定方式連接生成等值面，作為等值面在該立方體內(nèi)的一個(gè)逼近表示。由于每個(gè)立方體有8個(gè)角點(diǎn)，每個(gè)角點(diǎn)又有0，1兩種狀態(tài)，因此每個(gè)立方體最多就有256種狀態(tài)。Lorensen和Cline利用立方體單元的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性和倒置對(duì)稱性，將這256種情況減少到15種。如圖3所示：圖3體元角點(diǎn)函數(shù)值分布情況圖MC方法求等值面的算法流程如下：[5](1)將三維離散規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)分層讀入內(nèi)存；(2)掃描兩層數(shù)據(jù)，逐個(gè)構(gòu)造體元，每個(gè)體元中的8個(gè)頂點(diǎn)取自相鄰的兩層；(3)將體元每個(gè)頂點(diǎn)的函數(shù)值與給定的等值面值C0作比較，根據(jù)比較結(jié)果，構(gòu)造該體元的狀

8、態(tài)表；(4)根據(jù)狀態(tài)表，得出將與等值面有交點(diǎn)的體元邊界；(5)通過線性插值方法，計(jì)算出體元邊界與等值面的交點(diǎn)；(6)利用中