[發(fā)明專利]一種三維點(diǎn)云模型的分層深度剝離方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310032943.1
• 申請日: 2023-01-10
• 公開（公告）號: CN116310204A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王雅溶;楊柳青;龐明勇
• 申請（專利權(quán)）人: 南京師范大學(xué)
• 主分類號: G06T17/20
• 分類號: G06T17/20;G06F17/15
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開一種三維點(diǎn)云模型的分層深度剝離方法，確定對點(diǎn)云模型進(jìn)行分層深度剝離的相關(guān)參數(shù)，對三維點(diǎn)云模型進(jìn)行預(yù)處理，計(jì)算點(diǎn)云模型中各采樣點(diǎn)的法向；計(jì)算點(diǎn)云模型的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)集；構(gòu)建翻轉(zhuǎn)點(diǎn)集的凸包，標(biāo)記點(diǎn)云模型中的“備選可見點(diǎn)”；判定“備選可見點(diǎn)”的可見性，確定“可見點(diǎn)”；對三維點(diǎn)云模型進(jìn)行深度剝離，將“已剝離點(diǎn)”從點(diǎn)云中剔除；將剔除后的點(diǎn)云視為新的當(dāng)前點(diǎn)云，重復(fù)實(shí)施“已剝離點(diǎn)”剝離和標(biāo)記工作，直至當(dāng)前點(diǎn)云為空集為止。本發(fā)明無需對點(diǎn)云模型進(jìn)行曲面重建或網(wǎng)格化處理；與網(wǎng)格模型相比，點(diǎn)集存儲簡單靈活，傳輸速率高，且數(shù)據(jù)量較小。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，內(nèi)容涉及點(diǎn)云的可視性計(jì)算，具體涉及一種三維點(diǎn)云模型的分層深度剝離方法。

背景技術(shù)

三維點(diǎn)云模型的深度剝離技術(shù)，本質(zhì)上是一種在三維空間中判斷采樣點(diǎn)是否可視的計(jì)算技術(shù)，在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。如，基于視點(diǎn)的曲面重建、物體半透明渲染、場景中物體的遮擋關(guān)系計(jì)算等。該技術(shù)主要包括以下兩個方面：

第一，點(diǎn)云可視性計(jì)算，即依據(jù)給定視點(diǎn)確定點(diǎn)云中的可見點(diǎn)，它是點(diǎn)云深度剝離的前提，也是計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的一個基本問題，現(xiàn)有技術(shù)公開了多種點(diǎn)云可視性計(jì)算的方法。

有的方法先對三維點(diǎn)云模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理，或通過對點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)和曲面離散化得到網(wǎng)格化模型，進(jìn)而通過計(jì)算機(jī)圖形硬件的Z-buffer技術(shù)或曲面的消隱算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的消隱處理，但該類方法本身是網(wǎng)格依賴的，效率相對較低。

也有方法先提出用面元表示點(diǎn)云模型中的采樣點(diǎn)，面元是模型曲面位于采樣點(diǎn)處的切平面上帶有方向的一個圓盤，包含位置、法向、半徑等信息，可采用光柵投影技術(shù)進(jìn)行可視性測試，以確定各面元間的遮擋和融合關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云模型的消隱處理。這類方法中的“潑黑”技術(shù)在進(jìn)行遮擋關(guān)系處理時引入一個閾值，即對于每個像素，所有離視點(diǎn)最近的面元深度值之差小于閾值時，則認(rèn)為點(diǎn)是可見的，對其進(jìn)行融合處理，否則會被剔除。由于涉及大量計(jì)算，此類方法的實(shí)現(xiàn)通常需要GPU等圖形加速硬件的支持。

還有基于隱藏點(diǎn)消除算子的可視性計(jì)算方法，該方法需要構(gòu)造點(diǎn)云在其對偶空間中的凸包，從而實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)的可視性判斷，但在處理高曲率的凹面區(qū)域和噪聲點(diǎn)處時，表現(xiàn)得缺乏魯棒性，尤其在處理大規(guī)模點(diǎn)云模型時，計(jì)算結(jié)果的優(yōu)劣易受凸包構(gòu)建效率和準(zhǔn)確性的影響。

第二、深度剝離技術(shù)，即根據(jù)渲染場景中模型或面片的遮擋關(guān)系，對模型頂點(diǎn)的深度值進(jìn)行排序的技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù)主要分為三類方法。

有將模型表面柵格化為點(diǎn)陣片元，通過對模型進(jìn)行多次渲染得到片元的深度信息直至其被完全剝離，將這些片元的深度值按剝離順序存儲在一個分層的存儲空間中。此類能夠得到多個剝離層的深度圖像及其與模型世界坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，但此類方法是針對網(wǎng)格模型的，無法直接處理點(diǎn)云中的采樣點(diǎn)。

也有方法對于給定視點(diǎn)，按從前到后或從后到前的順序排列渲染對象，通過GPU支持的遮擋查詢執(zhí)行圖元之間的比較，并利用幀到幀的一致性來減少遮擋查詢的數(shù)量，能夠?qū)崿F(xiàn)非交叉幾何物體的可見性排序。但在GPU上執(zhí)行遮擋查詢時需要點(diǎn)與點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系，不適用于本身就不帶拓?fù)湫畔⒌娜S點(diǎn)云模型。

還有用于渲染非結(jié)構(gòu)化模型，是一種在對象空間和圖像空間中運(yùn)行的混合算法：在對象空間中進(jìn)行部分圖元的排序，創(chuàng)建一個排序后的圖元列表；在圖像空間中使用排序網(wǎng)絡(luò)(固定深度)對圖元進(jìn)行增量排序；該類方法簡化了CPU的處理，加速了四面體單元的渲染效率，但該類方法需要沿視線方向?qū)w素進(jìn)行采樣，隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷增加，對硬件的需求較高。

現(xiàn)有的深度剝離技術(shù)均不能直接處理三維點(diǎn)云模型，目前也尚未見到直接在點(diǎn)云模型上實(shí)現(xiàn)基于可視性計(jì)算的點(diǎn)云分層深度剝離的相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)記載。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種點(diǎn)云模型的分層深度剝離方法，無需對點(diǎn)云模型進(jìn)行三維重建以獲得模型的網(wǎng)格表示或數(shù)學(xué)表示，可直接在點(diǎn)云模型上實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)的深度剝離。