[发明专利]参数曲面模拟点云生成方法

说明书

一种为电子计算机提供参数曲面模拟点云生成的方法，能够根据输入的参数曲面方程函数、参数速度函数，以及点云规格参数：法向标准差、截尾倍数和点数，生成沿曲面均匀分布、法向方向呈统一标准差高斯分布的模拟点云。通过空间球形分布点生成、参数速度补偿，正态分布截尾等技术手段，实现点云均匀、正态、各向同性、噪音可控制的技术效果。

技术领域

本发明涉及电子数据处理领域，具体是一种为电子计算机提供参数曲面点云数据生成的方法。

背景技术

模拟点云生成器(Artificial Point Cloud Generator)是一种数据处理软件，它以特定的曲面描述为输入，输出一定规格的曲面随机点云，要求生成的点云沿曲面均匀分布。

模拟点云生成器的主要应用领域有科学研究、动画设计和教学。在以点云为处理对象的科学研究中，点云的处理算法(如曲线拟合、图像矢量化、曲面重建、障碍物识别、距离计算、模式识别、形状分类)往往是研究的主要目标。由于点云的处理在计算机视觉、机器人、医学影像处理、3D打印建模、遥感、天文观测等工程、科学领域应用广泛，其处理算法的研究非常活跃。一种新的算法设计出来，需要有大量的模拟点云和实际点云数据来检验算法的性能，测试点云处理算法的精度、运算速度、鲁棒性、稳定性、保拓扑性。实际点云数据可以由3D扫描仪等设备得到，而模拟点云数据则不能由设备产生，只能人工创建，其创建工作是一项非常繁重的劳动，于是科研人员希望有一个自动工具，能根据曲线、曲面的数学描述生成相应的点云数据。模拟点云生成器正可满足这种需求，能够自动创建科研所需的点云数据。

在广告、动漫、创意影视产业中，经常需要变化的物体视频，动态模拟点云是动画设计的一种重要形式，其数据为动画制作系统提供重要素材。借助模拟点云可以生成多种变化形式的2D和3D物体视频。例如：将没有白噪声的空间曲面点云动态逐点播放，得到一幅颇具创意的由疏渐密，最后形成一个清晰的几何形状的动画。借助软件生成的点云数据，还可以制作出清晰化/模糊化、稠密化/稀疏化、完整化/细碎化、点云雨、点云雾、形状挥发、形状凝结等动画视频。除了科学研究、动画制作的应用之外，还可以利用模拟点云制作课件，给学生演示随机变量、白噪声、高斯分布、均匀分布等概念模型，形象生动，提升教学效果。

模拟点云生成器的关键技术是点云分布均匀化，点云沿曲面处处同等稠密，同时在曲面法向方向呈高斯分布。如果均匀化技术不过关，生成的点云存在许多弊端，比如弯曲处稠密平坦处稀疏、各向异性(与坐标系方向选择相关)、法向标准差不统一。

曲面的描述形式有多种，经常使用的描述形式是参数曲面。参数描述是将曲面S视为一个双参数的空间点集，即有如下描述：

称f(u，v)，g(u，v)，h(u，v)为参数方程。参数曲面的刻画除了三个二元函数之外，还有一个反映参数速度的函数，它是曲面面积微元关于参数的二阶微分：

例如：描述环心圆半径是a、截面圆半径是b的环面的参数方程是

由(*)式可计算出参数速度函数是

s(u，v)＝b(a+b cos v) (0≤u≤2π，0≤v≤2π)

只要f，g，h具有解析式，s就具有解析式。

无论参数方程，还是参数速度函数，作为计算机的输入数据，都是一种函数指针，其实就是一个内存地址，指向函数的入口，函数的具体实现对函数指针的访问者来说是一个黑盒，访问者无需知道也不能知道其具体实现。f(u，v)，g(u，v)，h(u，v)和s(u，v)作为输入数据对计算机处理程序来讲，都是具体的、量化的外部对象。

本发明要解决的问题就是根据输入的参数方程及参数速度函数、参数变化区域及点云规格参数，生成沿曲面分布的符合均匀化要求的模拟点云。

发明内容