基于激光扫描数据点集的三维重建算法研究

论文摘要

随着激光扫描技术和三维表面重建技术的迅速发展,基于激光扫描数据点集的三维表面重建在科学计算可视化、虚拟现实、医学图像、数字娱乐、文物保护等领域发挥了越来越重要的作用,使其有了非常高的现实研究价值,越来越多的引起人们的关注;另外三维表面重建过程涉及到计算几何、拓扑学以及计算机图形学等多个领域的知识,因此对数据点集的三维表面重建技术的研究具有重大的现实意义和理论意义。本文主要围绕激光扫描数据点集的三维重建的算法展开,首先介绍了三维表面重建中比较常用的曲面以及具体算法;接着针对表面三角网格化,介绍了逐点插入法、三角网生成法、分治算法这三种常用的Delaunay三角剖分算法的构网过程,并对算法的时间复杂度进行分析比较。在对Delaunay三角剖分算法进行深入研究的基础上,综合各种算法的优缺点,提出了一种基于二维数据点重建的新算法。首先将激光扫描得到三维深度数据进行投影变换,把数据点从三维转化到二维平面域,然后对二维数据按改进的Delaunay剖分算法进行三角剖分,该算法分为初始三角网生成和三角网优化两部分,按坐标顺序排列数据点,并直接生成三角网,再根据拥有公共边的四边形的凹凸性对三角网进行优化,然后转换到三维曲面,最后对曲面进行消隐处理,得到三维立体图。有效的提高了Delaunay三角剖分的效率,缩短了剖分所用时间。对MFC框架编程、OpenGL以及计算机图形学技术中的光照模型、纹理映射模型作了详细介绍,最后在VC平台上采用MFC和OpenGL混合编程技术,以激光扫描煤场得到的数据为例,使用本文提出的算法实现了激光扫描数据点集的表面重建,并在此基础上加入了OpenGL的光照处理函数提高了显示效果,证实了算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 三维重建技术的国内外研究现状
• 1.3 激光扫描数据三维重建技术的应用领域
• 1.3.1 虚拟现实
• 1.3.2 医学图像应用
• 1.3.3 文化遗产保护领域
• 1.3.4 科学计算可视化
• 1.3.5 数字娱乐领域
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 三维重建方法概述及数据的三角网格化
• 2.1 曲面介绍
• 2.1.1 双曲线曲面
• 2.1.2 Bezier 曲面
• 2.1.3 B 样条曲面
• 2.2 三角剖分的基本概念
• 2.2.1 凸壳
• 2.2.2 Voronoi 图
• 2.2.3 三角剖分
• 2.3 三角剖分的方法介绍
• 2.3.1 分治算法
• 2.3.2 逐点插入法
• 2.3.3 三角网生成法
• 2.4 算法的时间复杂度分析与比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 OpenGL 及其在真实感图形显示中的应用
• 3.1 OpenGL 简介
• 3.1.1 OpenGL 的函数库组成
• 3.1.2 OpenGL 处理流水线
• 3.2 渲染模型-光照
• 3.2.1 光照模型
• 3.2.2 OpenGL 光照函数
• 3.3 纹理映射
• 3.3.1 纹理映射方法
• 3.3.2 OpenGL 纹理映射
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统软件设计以及三维表面重建结果
• 4.1 MFC 中的OpenGL 编程
• 4.1.1 定义窗口
• 4.1.2 绘制图像
• 4.2 算法实现
• 4.2.1 数据结构
• 4.2.2 初始三角网的生成算法
• 4.3 三角网的优化算法
• 4.4 算法的时间复杂度分析
• 4.5 消隐处理
• 4.6 三维表面重建结果
• 4.7 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果
• 致谢
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