[发明专利]一种基于点云重建三角网格曲面的保特征曲面重建方法

说明书

本发明涉及一种基于点云重建三角网格曲面的保特征曲面重建方法，属于虚拟现实图形图像处理技术领域。首先，对输入的点云进行初始化，构建完整的连接关系。然后，通过建立能量函数，迭代求解能量函数，更新网格顶点位置和优化连接关系，使得初始网格不断逼近点云。最后重建一个新的完整的网格。本方法与现有方法相比，在重建过程中，在保持网格曲面上折痕、角点、刺点、尖点等尖锐特征方面，具有明显优势。本发明方法在数字娱乐、虚拟现实和工业制造等领域，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于点云重建三角网格曲面的保特征曲面重建方法，属于虚拟现实图形图像处理技术领域。

背景技术

虚拟现实，是融合三维显示技术、计算机图形学、三维建模技术、传感测量技术和人机交互技术等多种前沿技术的综合技术。虚拟现实以临境、交互性、想象为特征，创造了一个虚拟的三维交互场景，用户借助特殊的输入输出设备，可以体验虚拟世界并与虚拟世界进行自然的交互。广义的虚拟现实技术，包括虚拟现实技术、增强现实技术、混合现实技术。其中，增强现实技术是以虚实结合、实时交互、三维注册为特征，将计算机生成的虚拟物体或其它信息叠加到真实世界中，从而实现对现实的增强。混合现实技术是指将虚拟世界和真实世界合成创造一个新的三维世界，物理实体和数字对象并存实时相互作用的技术。

计算机图形学，是一种将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。计算机图形学的主要研究内容是如何在计算机中表示图形，以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与方法。在计算机辅助设计与制造、虚拟现实、动画设计、3D电影与电影特效、国土信息和自然资源显示与绘制、创意或艺术创作等众多应用领域中，计算机图形学发挥着越来越重要的作用。计算机图形学的核心目标在于创建有效的视觉交流，描述复杂物体图形及其变化，通过可视化的方式展示给公众。其中，针对二维、三维景物的表示，是计算机图形显示的前提和基础，包括曲线、曲面的造型技术，实体造型技术，以及纹理、云彩、波浪等自然景物的造型和模拟、三维场景的显示，等等。

计算机三维建模技术，是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。三维建模可以通过二维图像或者三维点云达到，基于二维图像是根据物体或者场景所拍摄的两个或者两个以上二维的图像，由计算机自动进行计算和匹配，计算出物体或者场景的二维的几何信息和深度信息，并建立三维的立体模型的过程。基于三维点云，是根据三维物体的空间坐标点信息，构建数据点之间拓扑连接关系，从而建立物体或场景三维的立体模型。通过三维建模，实现了由物体或场景的三维空间点或者二维图像，构建立体三维模型。建立的三维模型，可以从不同的角度进行直观观测，并且具有逼真的效果，达到实时虚拟、实时互动等。近年来，随着科学技术的快速发展，出现了大量的物体或场景图像的三维数据获取设备，如：激光扫描仪、微软的Kinect以及移动终端如 iPhone X等。这些设备的出现，使得物体或场景三维数据的获取更加便携和普及。

鉴于三维建模技术在虚拟现实领域的重要性，人们在这一方面进行了很多研究，针对不同场景，采用不同的建模技术。根据获取的模型数据信息类型可将其分为两类，分别是基于二维图像信息和基于三维点云信息的三维建模技术。其中，基于三维点云信息的三维建模技术，主要分为两部分，一部分是三维点云数据的获取和处理，另外一部分是由三维点云生成曲面网格。所述曲面网格，是指由三维点云通过一定的拓扑关系连接起来的网格，也就是重建后的三维模型。

基于三维点云的曲面重建技术，是采用三维点云数据，快速、准确地构建出复杂的三维曲面模型。现有的基于三维点云的曲面重建方法，重建出来的曲面不能有效的保持三维模型原有几何特征，会出现特征不明显等现象，这些缺陷会影响后续的三维模型分析等操作，导致三维模型失真的严重后果。因此，确保能够重建出保几何特征的三维曲面，具有十分重要的意义和作用。

三维曲面重建技术发展至今，已经取得了丰硕的研究成果。目前，运用较为广泛的重建方法，根据重建曲面的不同可以分为：隐式曲面重建、网格曲面重建和深度学习曲面重建。