基于VTK的点云可视化

索春宝 孙秀宁

(山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛 266590)

基于VTK的点云可视化

索春宝 孙秀宁

(山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛 266590)

针对.las格式的数据文件,给出了以QT为平台,基于VTK、libLAS的点云可视化方法,并利用该方法进行实验。经实验验证该方法灵活、方便,更便于对多功能交互的发掘和实现。

VTK 点云可视化 LAS数据读取

1 引言

激光扫描技术是近年来出现的新技术，它突破了单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。激光扫描技术可以快速获取物体表面的空间点云数据，通过对点云数据的结构创建实现场景的渲染。随着激光扫描技术的不断发展和应用范围的不断扩大，激光扫描相关理论和技术的研究已经成为热点问题。散乱点云数据的可视化是激光扫描技术应用的一个重要环节。本文针对.las格式散乱点云数据文件，结合库的使用，实现点云的显示和基本的交互操作。

2 开发环境配置

本文以QT为开发工具，但QT并不能直接绘制、显示三维坐标点，故借助VTK来实现三维点坐标的绘制和显示。

2.1 VTK介绍

VTK(visualization toolkit)是由kitware团队创建和扩展的，开源的、可跨平台的可视化工具包，主要用于三维计算机图形、图像处理和可视化。VTK是在面向对象的基础上设计和实现的，采用c++构建核心内容。另外VTK能够进行自动语言转换，故可同时支持Tcl/Tk，Java和Python等多种语言。VTK作为可视化工具包使可视化应用更加普及，为人们提供了一种较简便、通用的可视化方式。它拥有丰富、多样的可视化算法：标量、矢量、张量、纹理和体积的可视化方法，和先进的建模技术：隐式建模，减少多边形，网格平滑，切割，描绘轮廓和Delaunay三角网等。除了可视化功能以外，VTK还拥有一套三维交互控件，涵盖了基本的点云显示时所需的人机交互操作，且可以进行交互操作的自定义。

2.2 linux下VTK库的配置

VTK官方网站http：//www.vtk.org/为我们提供了source文件，首先利用Cmake对source文件进行编译，然后在平台下进行创建。

完成VTK的安装后，还需要在QT中进行配置：主要是路径的包含和库文件的添加：

图1 VTK Pipeline的可视化流程

图2.LAS数据文件数据提取流程

3 VTK可视化管线的设计

VTK的可视化管线设计是基于管线流的设计模式，将要处理的数据作为流动介质在管线中流动，不同的阶段对数据进行不同的处理，最终完成处理数据的显示。VTK的可视化管线设计如图1所示[1]。

在可视化过程中，首先确定数据源(DataSource)，可以是利用vtk功能创建的数据源，更多的是数据文件，通过对数据文件的读取使数据以数据流的形式在管线中流动[2]；选择适当的数据处理方法，使数据流到达过滤(Filter)阶段对数据进行处理，形成新的数据集；这时的数据已经不再是离散的点，而是具有一定的几何结构，接下来是几何数据到图形数据的转换阶段：映射(Mapper)阶段。可视化模型创建完毕，接下来是图形模型的建立，首先是图形数据的承载者角色(Actor)，主要负责设置修饰效果；其次是渲染窗口(Renderer Window)的设置，主要有两个应用：渲染环境的设置和人机交互的实现；在一切准备就绪后就可以由渲染器(Renderer)发出Render()命令，进行渲染，实现数据的可视化。

完成点云数据的显示后，我们还需要实现对数据的多角度观察，也就是交互问题。在可视化管线中vtkRenderwindowInteractor类为我们提供了简便的实现交互的方式，根据需求，选择vtkInteractor Style的子类vtkInteractorStyleTrackballCamera来实现旋转、缩放、平移等交互操作。

VTK Pipeline采用串联方式将实现不同功能的各阶段连接起来，形成管线，方便数据流的流动：上一阶段的输出作为下一阶段的输入，不断延续下去，直到碰到Mapper或sink。随着科学技术的不断发展，数据格式多种多样，数据量急剧增加，这对科学可视化数据量和数据传播提出了很大的挑战[3]。

4 LAS数据读取

LAS数据文件包含的是标准LIDAR数据格式，现已发展为四个版本，分别是：LAS1.0，1.1，1.2，2.0(拟定版)[4]。随着版本的不同，其数据存储越来越灵活，信息越来越丰富。标准的LAS数据存储格式包含三个部分：公共文件头区，用于记录LAS文件的普通信息，如点的个数等；变长记录区，主要包含元数据，文件采用的坐标系等等；格式点集记录区，用于记录点的X、Y、Z和属性[5]。LAS数据文件的一般数据提取流程如图2所示。

LAS文件是二进制格式，但由于它有自己特定的文件头结构和数据组织，故需要专业软件进行读取。LibLAS是针对LAS文件的读与写的库，利用库函数可以方便、快捷的进行.las文件数据的读取。本文针对LAS数据文件，利用libLAS库的liblas：：Reader实现文件内数据的读取，并将数据赋值给vtkPoints，从而传递到vtk可视化管线中。

5 结语

VTK支持并行处理，且是开源的，具有可移植性。在实践中，我们可以利用VTK，结合语言平台，实现多种功能。例如，我们可以利用QT平台的界面创建优势，结合VTK库可视化管线，进行数据成果展示，软件开发等。VTK的开源特性方便了我们添加自己需要的功能，为新功能的发掘和实现提供支持。另外，我们也可以在遵循VTK本身设计模式的基础上，定义新的类，嵌入其中，进一步完善VTK。

[1]许庆功,李昌华.VTK框架结构与运行机制的探讨[J].洛阳理工学院学报(自然科学版),2008,18(1)：67-70.

[2] William J. Schroeder, Lisa S. Avila, Kenneth M. Martin. The Visualization Toolkit User's Guide[M], GE Corporate Research &Development.

[3] Will Schroeder, Ken Martin, Bill Lorensen. The Visualization Toolkit[M].USA, Pearson Education,Inc.

[4]刘春,姚银银,吴杭彬.机载激光扫描(LIDAR)标准数据格式(LAS)的分析与数据读取[J].遥感应用,2009：38-42.

[5]赵自明,史兵,田喜平,赵松.LAS格式解析及其数据的读取与显示[J].测绘技术装备,2010,12(3)：17-20.

索春宝(1989—),男,硕士生,主要从事视觉/惯导组合导航方面的研究工作。孙秀宁(1989—),女,硕士生,主要研究方向为移动测量数据采集与处理。

索春宝。