扫描线点云数据的曲面重构技术研究

慕元军

摘要：利用激光线结构扫描系统采集到的数据都是扫描线型点云数据，根据扫描线点云数据自身的拓扑关系，提出了一种增量式的三角化算法进行曲面重构，在点云数据的预处理上采用高斯滤波去除噪声、曲率均匀精简法对数据精简压缩，然后对相邻扫描线进行网格剖分构造初始网格，通过判断网格中相邻的三角形法矢方向的一致性，确定扫描线是否交叉，对于交叉处的网格进行调整。

关键词：扫描线 点云数据 曲面重构

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0000-00

随着计算机技术的发展以及数字图形学研究的深入，逆向工程作为一种快速设计与制造的技术，成为了研究与应用的热点。广泛的应用于飞机、船舶、模具等领域。在这些产品的设计、生产、检测、试验等环节经常需要实时动态的观测扫描的结果，因此对曲面重构的速率提出了更高要求。

本文提出一种增量式的三角化算法，充分利用扫描线点云的拓扑关系，将相邻的扫描线进行重构，按重构的结果进行相应的调整得到最终网格结构，该方法可以实现高效、高精度的自由曲面重构。

1 扫描线点云数据的预处理

1.1 激光扫描点云数据的特点

本文采用的FARO ScanArm激光扫描仪属于线结构光扫描系统。它利用激光三角法测量原理，采集物体表面的三维信息。在激光扫描仪进行数据采集时，每次激光投影到物体表面上的光刀，都将在一个平面内，采集到的三维数据有一维是不变的，所以一条扫描线上的点云数据可以看成是在一个平面上。

1.2 点云数据的预处理

高斯光顺是一种线性平滑去噪算法，适用于消除高斯噪声。在对一条扫描线进行高斯光顺的时候，首先设定扫描线上每个点邻域的大小，邻域内各点的权重按高斯分布计算，则该点光顺后的值即为邻域内各个点的数值的加权平均。高斯光顺法可以在去除噪声的同时很好的保持扫描对象原有的特征。

对曲面进行精简时可以根据扫描点的曲率进行处理，以点云数据中一条扫描线为对象，将各点存入数组，分别计算各点的曲率值，再求出领近两点的曲率差值，并与预设的阈值进行比较，如果大于阈值说明采样点处于物体的边缘上，需要保留；反之，说明采样点处于物体的平面区域，可以通过均匀精简的方法剔除部分点。这样得到的数据较好地保持了特征。

2曲面重构

2.1构造初始网格

首先对相邻的扫描线进行网格剖分，在这里我们采用的是底边驱动网格策略，如图1所示。

算法的思路：首先找到底边的第一个点A1，然后遍历顶边，找到A1最近的点B2，判断顶边B2点前面是否还有点，若存在，依次与A1连接构成三角面片，然后结合A2，建立新的三角面片。接着查找A2的最近点，依照上面所述的顺序建立三角面片。建立三角形时，所有顶边的点云数据选点时的方向一致向右，而底边的点云数据方向一致向左。

2.2 网格的调整

利用相邻扫描线构造出的三角形的方向与其顶点的扫描方向之间的关系，可以判断两条相邻的扫描线是否存在交叉现象，如图2所示。

假设两条扫描线分别为=和=，为当前扫描线。如果从扫描方向看，两个分属于和的两条扫描线之间构造的两个相邻三角形的方向相反，则这两条扫描线就是交叉的。

在这种情况下，需要将这条线的拓扑连接关系进行调整，重新按底边驱动策略构建三角网格，如图3所示。

3结语

本文提出增量式三角化算法，充分的利用扫描线点云数据的拓扑关系，重构过程方法简单，而且频率快。是一种有效使用的方法。