一种精度可控的基于曲面相交的曲面拼接方法

摘要

本发明属于三维图像处理技术领域，具体涉及一种精度可控的基于曲面相交的曲面拼接方法，可以近似的将两个相交的曲面拼接成一个完整的曲面，并去除剩余三角面片。所得到的拼接结果无三角面片缺失，在相交带之外完全保留了原有曲面的网格情况。而且本方法是精度可控的，在曲面相交的三角片附近，可根据应用需要就行精细划分，获取更为准确的结果。该算法思路较为直观，效率较高，实验效果良好。可广泛应用于三维曲面拼接，三维物体求交，求和等场合。

说明书

技术领域

本发明属于三维图像处理技术领域，具体涉及一种精度可控的基于曲面相交的曲面拼接 方法。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展以及人们生活水平的不断提高，人们对于各种物质的需求 越来越呈现出多样化的要求，对于产品精细度的要求越来越高，因而产生了基于视觉的对物 体表面进行非接触式的三维测量技术，并且这种技术日益为近年来测量技术的研究热点。但 由于在实际测量过程中，由于测量设备范围的限制和物体自身形状的多变性，常常无法一次 完成整个测量对象的精确测量，人们很自然地想到把测量物体划分成多个部件进行多次测量， 然后采用拼接技术，将每部分的测量结果拼接融合在一起，构建被检测物体完整的三维数据 模型，这种分块测量技术便逐步发展为现在的三维拼接技术。三维曲面拼接技术在工业应用 前景广阔，有助于实现对大型物体三维形貌测量，国内外学者对其进行了大量的研究，是计 算机视觉领域的研究热点。

根据拼接对象、拼接条件和要求的不同，国内外学者对三维拼接方法进行了大量研究并 提出了一系列的拼接方法。FemandoC.M.Martins等使用形状和纹理对不规则大型物体进行三 维拼接。RajapakseC.S等进行了显著结构不匹配的多形态胫骨图像的快速三维拼接方法的研 究。GaoyuXiao等使用测定体积法实现部分重叠物体表面的三维拼接，提出了一种新颖的测 定体积的方法。YARONAvi等研究了微创手术中使用微型立体视频系统提供实时三维拼接和 图像融合。在国内，薛婷等利用相邻图像块中3组重叠标记约束信息，完成传感器测量位置 相互关系参数的标定，根据相互位置关系标定参数实现坐标系的统一和三维数据图像的拼接。 尚爱军等采用结构光彩色编码技术实现大型曲面测量。

但目前的三维曲面拼接技术中，由于曲面相对位置关系具有不确定性，要精确的重建曲 面相交带所需要的时间成本较高，且算法稳定性不足；而且传统的近似算法由于不能进行精 度控制，其拼接效果严重受到曲面网格质量的影响，若相交带附近三角片面积较大，重建结 果不够理想。基于此，本发明提供一种基于曲面相交，并且精度可调的曲面拼接方法。

发明内容

本发明提出一种精度可控的基于曲面相交的曲面拼接方法，利用该方法可以近似的将两 个相交的三角网格曲面拼接成一个完整的曲面，而且可根据应用需要进行精细划分，获取更 为准确的结果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种精度可控的基于曲面相交的曲面拼 接方法，包括如下步骤：

(1)将需要拼接的两相交曲面输入系统，并对其进行预处理，将曲面的多边形面片分割 成三角形面片；

(2)对两曲面的三角形面片分别建立轴向平行包围盒；

(3)利用轴向平行包围盒相交判定算法，计算出相交包围盒对；

(4)对于位于相交包围盒对中的每个三角形面片，分别与其所在的轴向平行包围盒所对 应的相交包围盒对中的另外一个轴向平行包围盒中的三角形面片进行相交判定，若有相交， 则记录其相交线段起止点坐标及所处三角形面片的编号；

(5)取出步骤(4)中记录的一条相交线段，并选出一条相交边缘，对于每条选出的线 段进行标记；

(6)在两个曲面上，分别删除组成相交边缘的相交线段所对应的三角形面片，剩余曲面 的边缘；

(7)将相交边缘上的所有点分别加入两曲面成为新顶点；

(8)以剩余曲面的边缘以及相交边缘上的顶点为依据，重新添加三角面片将曲面补全。

进一步地，所述步骤(1)中将曲面的多边形面片分割成三角形面片的方法是：在多边形 面片中寻找度数最小的内角，并将该角两边所对应的顶点相连，如此可以从多边形面片上切 下一片三角形面片，重复该步骤，直到将多边形面片划分成多个三角形面片为止。

进一步地，在步骤(4)之后，步骤(5)步之前还包括步骤(21)对所有相交线段进行 筛选，将长度为0的线段删除。

进一步地，在步骤(5)之后，步骤(6)步之前还包括步骤(31)对于相交边缘上的每 条线段，在两个曲面上分别对应一个三角形面片，若其中的一个或两个三角形面片满足分解 条件，可对其进行分解，重新选出相交边缘。

进一步地，对三角形面片进行分解的方法是将三角形面片的中点相连，则将原三角面片 分解成四个细分三角形面片，若相交线段经过至少两个细分三角形面片，则将相交线段同时 进行分割。

本发明的精度可控的基于曲面相交的曲面拼接方法，可以近似的将两个相交的曲面拼接 成一个完整的曲面，并去除剩余三角面片。所得到的拼接结果无三角面片缺失，在相交带之 外完全保留了原有曲面的网格情况。而且本方法是精度可控的，在曲面相交的三角片附近， 可根据应用需要就行精细划分，获取更为准确的结果。该算法思路较为直观，效率较高，实 验效果良好。可广泛应用于三维曲面拼接，三维物体求交，求和等场合。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的描述。

一种精度可控的基于曲面相交的曲面拼接方法，包括如下步骤：

(1)将需要拼接的两相交曲面输入系统，并对其进行预处理，将曲面的多边形面片分割 成三角形面片；

(2)对两曲面的三角形面片分别建立轴向平行包围盒；

(3)利用轴向平行包围盒相交判定算法，计算出相交包围盒对；

(4)对于位于相交包围盒对中的每个三角形面片，分别与其所在的轴向平行包围盒所对 应的相交包围盒对中的另外一个轴向平行包围盒中的三角形面片进行相交判定，若有相交， 则记录其相交线段起止点坐标及所处三角形面片的编号；

(5)取出步骤(4)中记录的一条相交线段，并选出一条相交边缘，对于每条选出的线 段进行标记；

(6)在两个曲面上，分别删除组成相交边缘的相交线段所对应的三角形面片，剩余曲面 的边缘；

(7)将相交边缘上的所有点分别加入两曲面成为新顶点；

(8)以剩余曲面的边缘以及相交边缘上的顶点为依据，重新添加三角面片将曲面补全。

所述步骤(1)中将曲面的多边形面片分割成三角形面片的方法是：在多边形面片中寻找 度数最小的内角，并将该角所对应的顶点相连，如此可以从多边形面片上切下一片三角形面 片，重复该步骤，直到将多边形面片划分成多个三角形面片为止。

在步骤(4)之后，步骤(5)步之前还包括步骤(21)对所有相交线段进行筛选，将长 度为0的线段删除。

在步骤(5)之后，步骤(6)步之前还包括步骤(31)对于相交边缘上的每条线段，在 两个曲面上分别对应一个三角形面片，若其中的一个或两个三角形面片满足分解条件，可对 其进行分解，重新选出相交边缘。

对三角形面片进行分解的方法是将三角形面片的中点相连，则将原三角面片分解成四个 细分三角形面片，若相交线段经过至少两个细分三角形面片，则将相交线段同时进行分割。

本发明要拼接的两个曲面是相交的，首先要先把两个曲面输入到系统中，该系统主要是 指能够实现本发明的图像处理软件。由于计算机不能直接得表达曲面，因此在计算机中，曲 面是由三角形面片或者多边形面片模拟而成。因此输入曲面后，要先对曲面进行处理，将曲 面的多边形面片分割成三角形面片。分割时，在多边形面片中寻找度数最小的内角，并将该 角两边所对应的顶点相连，如此可以从多边形面片上切下一片三角形面片，重复该步骤，直 到将多边形面片划分成多个三角形面片为止。

然后对两曲面的三角形面片分别建立轴向平行包围盒，即AABB(Aixealignbounding box)，是指通过两个三维向量作为对角点产生的与空间轴平行的长方体空间。并利用轴向平 行包围盒相交判定算法，计算出相交包围盒对。轴向平行包围盒相交的判定需要将两包围盒 分别投影至XYZ三轴上，若两包围盒在三轴上的投影均无相交部分，则认为两包围盒不相交， 若至少有一个轴上的投影相交，则认为两包围盒相交，称为相交包围盒对。对于位于相交包 围盒对中的每个三角形面片，分别与其所在的轴向平行包围盒所对应的相交包围盒对中的另 外一个轴向平行包围盒中的三角形面片进行相交判定，若有相交，则记录其相交线段起止点 坐标及所处三角形面片的编号。输入系统的曲面数据的每个三角面片是自带编号的。此时可 对所有相交线段进行筛选，将长度为0的线段删除。此处在对两相交曲面的相交三角形面片 进行判断时，不是直接进行判断，而是利用了轴向平行包围盒这一工具，这是因为两相交曲 面的相交三角形面片数量会很大，直接判断计算量会很大，利用轴向平行包围盒这一工具则 能够节约很多时间，使得计算速度加快。

取出上述记录的相交线段中的一条线段为起点，并选出一条相交边缘，对于每条选出的 线段进行标记。选择相交边缘时，后一条线段的起点应为前一条线段的终点，但是在实际的 计算中会存在一定的误差，需要一定的容差值。对于相交边缘上的每条线段，在两个曲面上 分别对应一个三角形面片，若其中的一个或两个三角形面片满足分解条件，可对其进行分解。 分解条件一般是指三角形面片的面积较大或者形状细长，例如可以设定当三角形面片的面积 超过所有三角形面片的平均面积的2倍时认定为面积较大；当三角形面片的一个内角度数小 于10度时则认为形状细长。对于满足分解条件的三角形面片，一般采取的分解方法是将三角 形面片的中点相连，则将原三角面片分解成四个细分三角形面片，若相交线段经过至少两个 细分三角形面片，则将相交线段同时进行分割。但是实际操作中，有许多分解方法可以采用， 例如连接三角形面片的顶点和中点，将该三角形面片分解成三个细分三角形面片；连接三角 形面片的顶点和对边的中点将三角形面片分解成两个细分三角形面片；利用三角形面片的三 边的中线(或高线)将三角形面片分解成六个细分三角形面等等。关于分解条件和分解方法 可以根据实际的需要自行设定。

接下来，在两个曲面上，分别删除相交线段所对应的三角形面片，剩余曲面的边缘；将 相交线段所形成的边缘上的所有点分别加入两曲面成为新顶点；以剩余曲面的边缘以及相交 边缘上的顶点为依据，重新添加三角面片将曲面补全。两相交曲面拼接完毕。