基于VTK的点云数据绘制研究与实现.doc

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1、基于VTK的点云数据绘制研究与实现作者简介：段文国（1983-），男，湖北人，硕士研究生，研究方向：三维信息获取与三维可视化。张爱武(1972-),女,教授,研究方向：三维信息获取与处理、计算机视觉与模式识别、三维可视化。段文国张爱武蔡广杰（首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京100037）摘要：本文结合可视化工具开发包VTK，比较了几种图像绘制算法的特点，并选取最常用的移动立方体算法，对激光扫描仪所获取的点云数据进行绘制，重点介绍了点云数据的处理、场景绘制、显示输出，并给出了部分实现代码。关键词：VTK，三维数据场，移动立方体，点

2、云引言随着激光扫描系统在工业生产的中广泛应用，利用激光扫描仪获取到的深度数据进行场景的三维重建在数字古建、文物保存等领域具有广阔的应用前景，传统的处理方法利用三维处理软件对点云数据进行处理，获取场景的三维模型。随着三维建模技术的不断发展，出现了大量复杂的可视化处理算法和开发工具。本文研究了基于三维可视化工具包VTK在可视化开发过程中常用到的场景绘制算法及其实现。一、VTK简介VTK(VisualizationToolkit)是美国Kitware公司开发的一套三维可视化图形系统，封装了目前许多优秀的三维数据场可视化算法，可对数据集进行各种变换和操作；

3、支持多种语言，多种平台；生成图像的速度快；图形质量优秀，用户交互手段丰富[1]。VTK有图形模式和可视化模式两种不同的模式。图形模式主要用来将数据集的几何形状展示为直观的三维图形，并对实体、光照、照相机、绘制窗口等属性进行设置和操作，完成图像生成和用户交互的功能。可视化模式由两类基本的对象组成：数据对象和处理对象。在VTK中，有5种数据集类型，分别是：StructuredPoints，StructuredGrid、UnstructuredPoints、PolygonalData、UnstructuredGrid[2]。处理对象按功能分为三种：数据源

4、对象、过滤器、映射器。数据源对象用于产生或接收数据集，并将其导入到可视化网络之中，是可视化网络的起点。过滤器用于对数据集进行各种算法的处理，它接收数据集输入，也可产生一个或多个数据集输出。映射器是可视化网络的终点，将处理后的数据集映射为可展示的几何形状[3]。二、点云数据预处理三维激光扫描仪能够快速获取近距离物体的三维信息，从而能够快速建立起物体的三维框架，三维激光扫描仪获取的原始数据就是点云数据，它是一种空间数据的集合，数据点之间是离散的，下图是利用激光扫描仪获取的云岗石窟局部点云模型图。图1云岗石窟佛像原始点云模型图同时，通过激光扫描仪得到的点

5、云数据量巨大，一般具有成千上万个数据点。通常激光扫描仪得到的点云数据是一个多行3列的矩阵，每行分别记录数据点的x，y，z三个坐标值，这样很容易设计出一种数据结构将点云数据存入数据库，方便数据存取[2]。图2是经过处理后的点云数据结构示意图。图2扫描后点云数据结构图获取点云数据后，一般需要进行预处理，包括：噪点去除，即去掉错误的数据；数据精简，由于点云数据量大，在不影响完整性的情况下一般需要进行精简。这些工作可以通过激光扫描仪配套的应用软件或二次软件开发包进行处理[4]。三、基于VTK的体绘制及其实现3.1间接体绘制三维数据场是当前可视化研究的重点，

6、也是实践中最常遇到的。对三维空间体数据来说，有两类不同的可视化算法，第一类算法由采用多边形来对物体的表面进行拟合，由三维空间构造出中间几何图元，再进行画面绘制也叫间接体绘制。间接体绘制最常用的是MC（marchingcubes）方法，该方法是由W.ELorenson和H.E.Cline在1987年提出的。此方法是基于三维规则数据场抽取等值面的经典算法，算法的基本思想是把三维图像相邻层上的各四个像素组成立方体的八个顶点，逐个处理三维图像中的立方体，分类出与等值面相交的立方体，采用线形插值计算出等值面与立方体边的交点。根据立方体每一顶点与等值面的相对位

7、置，将等值面与立方体的边的交点按一定方式连接生成等值面，作为等值面在该立方体内的一个逼近表示。由于每个立方体有8个角点，每个角点又有0，1两种状态，因此每个立方体最多就有256种状态。Lorensen和Cline利用立方体单元的旋转对称性和倒置对称性，将这256种情况减少到15种。如图3所示：图3体元角点函数值分布情况图MC方法求等值面的算法流程如下：[5](1)将三维离散规则数据场分层读入内存；(2)扫描两层数据，逐个构造体元，每个体元中的8个顶点取自相邻的两层；(3)将体元每个顶点的函数值与给定的等值面值C0作比较，根据比较结果，构造该体元的状

8、态表；(4)根据状态表，得出将与等值面有交点的体元边界；(5)通过线性插值方法，计算出体元边界与等值面的交点；(6)利用中