近年来三维几何模型在学术和 工业界内，得到了广泛关注，随着 多边形网格表示难以应付复杂而庞 大的场景，三维点云表示模型应运 而生，点云数据只保留最重要的基 本信息，有极大的灵活性和适用性。 进而针对三维点云的研究引起界内 关注，主要集中在点模型的数据采 集、曲面表达、注册、增强、表面重建、 特征提取、简化等各个方面。 【关键词】三维模型点云处理研究热点缺 陷健壮高效 １引言 随着计算机图形学和三维扫描技术的发 展，以及计算机硬件和软件性能的提高，多媒 体数据除了我们常见的平面图像、声音和视频 外，三维模型作为一种新兴多媒体数据类型在 我们的工作和生活中频繁出现。 三维模型的信息获取手段有多种，如三 维激光扫描仪得到的数据，通常以三维离散点 集的形式表示，即点云。点云的属性通常包括 坐标、法向量、颜色信息和物体反射面强度等。 这些点云相关处理技术和点绘制的发展，带来 了以点作为基元的图形学的发展。点的图形 学的发展，简化了把模型转化为多边形网格（包 括三角网格）模型的过程，直接对通过三维扫 描仪采集来的数据进行处理。 区别与传统的多边形网格（包括三角网 格）的表示方法，点云模型有很大优势。如数 据直接由设备获取，不需要重建过程，没有像 三角网格和多变形网格那样维持拓扑连接关 系，而是离散的点集，存储时的数据结构相对 简单很多。用离散点表示模型，无论模型的几 何复杂度有多高，表示起来也轻而易举；相应 地要对模型的局部进行调整和增删都不影响其 他部分的数据，可以灵活的处理。用点云表示 三维模型带来的众多优点，使得三维点云处理 技术在学术界和工业界得到了重视和发展。 ２三维点云处理技术的研究热点与现状 目前，针对三维点云的研究方兴未艾， 主要要集中在数据采集，配准，增强，表面重 建，特征提取和简化等各个方面。 三维扫描仪可以快速捕获物体的表面点 的空间坐标等信息，得到对应的点云集合。由 ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・计算机技术应用 简述三维点云处理技术的研究 文／段红娟 于仪器原理和精度的不同，被扫描物体的表面 要想在各个领域快速普及点云模型表示方式， 材质差别，扫描过程受环境及人为因素的影响， 我们需要进一步探索并开发健壮高效的点云处 都会导致得到的点云质量有所差别，因此，需 理算法。 要对点云数据进行预处理，尽量使得到的点云 具体来说，三维点云的处理技术就是针对 数据精度较高，信息相对完整。对于如噪声、 从扫描仪得到的原始点云，进行噪声消除，空 外点（ｏｕｔｌｉｅｒ）、空洞、采样不均匀以及尖锐特 洞修复，重采样，区域分割，特征提取，模型 征缺失等不同程度的缺陷，在现实过程中不可 简化等等这一系列的操作。这样就可以为后续 避免。 的表面重建以及模型编辑和绘制等提供更加理 以目前广泛应用的三维激光扫描仪为例， 想的输入数据。像国防科技大学李宝为了在点 有下列各种原因都缺陷的产生。 云增强中消除噪声、外点和不均匀采样等缺陷， 噪声：由于扫描仪中传感器本身固有的 同时保留尖锐特征用以刻画物体表面特性，提 物理特性，以及三维扫描仪在扫描的过程 出了一种新颖的特征保持的点云增强方法—— 中由于外界的如光线，震动，噪音等等因素的 使用法向量加权为己有的基于加权局部最优投 影响，不可避免会产生噪声。 影（ＷＬＯＰ）的增强。 外点：采用点的位置误差有大小差别， 当误差大到超出噪声范围时，对描述物体表面 ３三维点云处理面临的挑战 信息不仅毫无帮助，而且有负面影响，这样的 针对三维点云处理，该研究领域内出现 点称为外点。在光照条件较差（如过暗或过亮） 了大量的行之有效的改进和完善的方法，但是 的部位，环境中有过量尘埃，或者是采样半透 这些方法仍有不尽如人意的地方： 明的物体表面时都会出现外点。而且不同于点 第一，在已有的相关点云处理技术中，虽 云中的噪声，外点大多具有更强的不确定性， 然都能有效地针对各种缺陷提出改善的技术， 不适用常见概率分布建模。 但是往往这些技术只是关注某一种或者某几种 空洞：在扫描的过程中，由于被扫描物 缺陷：如有的消除的噪声但是导致的尖锐特征 体的自遮挡，或者表面材料不满足理想条件（例 的丢失，有的处理掉外点但是对太小的噪声无 如物体本身的透明度过高），或者扫描的路线 能为力，有的能够产生消除噪声并实现均匀采 及位置局限，都会导致点云数据的缺失，出现 样的点云但是容易丢失尖锐特征或者无法很好 大量空洞。这种问题在实时捕获运动对象的时 的处理外点，有的对噪声和尖锐特征能较好处 候更加普遍。 理但是无法弥补大量的空洞等等。在这种现状 采样不均匀：扫描仪和被扫描物体的局部 下，我们亟待一个健壮的点云处理方法，来尽 角度差，以及注册从不同角度扫描的结果，都 可能完好的处理点云中存在的各种缺陷，也就 会导致采样的到的点云数据有分布密度差异， 是说要对原始的点云数据进行噪声消除，空洞 从而形成不均匀采样。 弥补，采样均匀化以及特征保留等一系列的高 尖锐特征丢失：特征是识别物体的关键 效处理。 所在，并对理解物体的形状有着不可或缺的重 第二，随着模型或者场景的规模扩大， 要作用。少量的特征甚至可以刻画复杂的几何 点云的数据量也会相应变得非常庞大。点云处 模型，因而尖锐特征的丢失将严重影响物体形 理算法的时空复杂度和效率将成为研究重点。 状的表达。扫描过程中的采样不足或者产生的 小规模的点云大约有几千到几万个点，中规模 噪声以及外点都会导致尖锐特征的弱化甚至丢 的点云有几十万到几百万个点，现有的算法在 失。 性能上还能满足要求，但是像城市点云这种大 点云数据是离散的点的集合，点和点之 规模或者超大规模的点云中点的数量更是庞大 间没有互相的连接信息，属于非结构化的表示 到无法估计，对这样的点云进行处理，现有的 方式，这虽然在表示物体外观上有了较大灵活 算法性能就会相对较低。按照点的分布特点， 度，但是在此同时也带来了不可避免的缺陷： 我们将点云分为无组织散乱点云、扫描线点云、 相对于网格模型的顶点数量，用点云表示相同 网格点云及多边形化点云，但是由于在我们扫 模型需要其若干倍数的点才能完成。这也就意 描三维模型时，需要从不同角度进行扫描，并 味着点云模型的顶点数据量将非常大，从而在 把每次扫描的部分点集通过配准和拼接后，点 存储、传输以及处理过程中将有更大的消耗和 代价。为后续的模型创建和表面重建等做好预 处理，需要修复点云数据中存在的各种缺陷。 ＜＜下转１３８页 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ电子技术与软件工程・１３７ 数据库技术・Ｄａｔａ Ｂａｓｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ 水下潜器突防地理空间建模方法研究 文／王奎民 李刚 王庆忠 防御威胁。对于水下潜器突防中遇到的种种防 性和变异性进行插值。空间分布估计方法中， 突防地理空间是潜器突防空间 的基础框架，是水下潜器突防首要 解决的问题 本文研究了突防地理 御手段，提高突防成功率成为目前突防任务所 要解决的问题。构建水下潜器突防空间模型可 往往采用区域化变量的分析和估计方法来描述 区域分布特征，下面简单介绍空间插值需要用 空间建模方法，并在此基础上分析 重建海底地形的建模方法。针对海 底地形随机性和复杂性特征，选择 了规则格网的ＤＥＭ模型构建突防地 形，采用多重分形与克里金插值法 相结合的插值算法重建海底地形。 该建模方法解决了传统插值法在构 建海底地形时精度不高、过于平滑 等问题。最后，经过仿真验证，实 现了海底地形自然形态的描述，并 以真实反映突防环境，同时也将准确、详细地 到的概念和方法。 提供突防任务需要的各种信息，有效地实现突 １．１空间分布估计方法 防任务。本文深入研究海底地形建模方法，针 对海底地形随机性和结构性特点，引入变异函 数模型分析空间变异性和空间分布特征，采用 多重分形克里金插值法构建海底地形，实现海 海底地形数据在空间分布上相应地存在 着空间分布特征，那么对空间分布进行估计。 在一维情况下，空间位置点在ｘ轴上变化 底地形精准性和真实性重建。 时，变异函数定义为：区域化变量在ｘ和ｘ＋ｈ 点的值ｚ（ｘ），Ｚ（ｘ＋ｈ）的差的方差的一半，记 能够表现局部区域地形特征。 １插值算法概述 【关键词】计克里金插值法地形建模变异函 数模型突防地理空间 为（ｘ＋ｈ）。 由于海底地形存在着复杂的自然形态， 表现出随机性和结构性特点，那么为了实现海 底地形的真实重建，需要分析空间地形点分布 （ ，＾）：Ｖａ ｚ（ ）一ｚ ＋＾）］ ＝ＬＥ［ｚ（ ）一ｚ（ ＋ ）］。一 １｛ ［ｚ（ ）卜Ｅ【ｚ（ ＋＾）］｝ ，（１） 的相关性和依赖性、空间结构与变异性，而这 其中，ｈ为间距，ｚ（ｘ）、Ｚ（ｘ＋ｈ）表示各位 水下潜器在执行作战任务时，需要经常 些问题无法用经典概率统计方法对其描述和分 置点区域化变量数值。 在重要海峡、海上主要通道、特殊海区等海域 析，需要根据地质统计方法对空间数据的随机 假设变异函数满足二阶平稳和本征条件， 执行任务，而这些海域通常都会存在很多侦查 ＜＜上接１３７页 的原有分布特性被打乱，从而在一定程度上仍 是无组织的散乱点云。 物体可以实现。在重建物体表面的几何特征之 国内的大学如浙江大学首先展开了 对三维点云处理的研究工作，专门成立了 的数字几何处理的概念。中科院先进技术研究 参考文献 ［１］李义琛．点云模型骨架提取算法的研究与 实现【Ｄ］．南京师范大学，２ ０１ ２． 同时，随着扫描技术的发展，捕获动态 ＣＡＤ＆ＣＧ国家重点实验室，提出了基于点云 外，还要估计物体的运动参数，使得在运动过 院在三维点云处理的研究和开发工作中也有丰 程中捕获的点云数据能在时空一致的前提下进 硕的业绩，除了对大规模城市建模技术展开一 行配准。 ［２］李宝．三维点云的鲁棒处理技术研究［Ｄ］． 国防科学技术大学，２０１１． ［３］肖春霞．三维点采样模型的数字几何处理 技术研究【Ｄ］Ｄ．浙江大学，２００６． ［４］王仁芳．点模型数字几何处理若干技术研 系列的研究外，近几年有不少研究人员在国际 图形学会议上发表相关论文。这些有目共睹的 丰硕成果和业绩，激发了更多高校和研究机构 积极从事点云处理技术相关的研究。 ４三维点云处理技术的前景 伴随三维点云处理技术日益成熟，三维 究［Ｄ］．浙江大学，２００７． 【５］孟娜．基于激光扫描点云的数据处理技术 点云在各个领域的应用越来越广泛。许多国内 外知名大学和研究所都成立研究点云的研究小 组，对点云增强，模型分割和拼接，数据配 准，特征提取，表面重建等方面进行研究。 如ＡＣＭ ＴＯＧ，ＩＥＥＥ ＴＶＣＧ，Ｓｉｇｇｒａｐｈ Ａｓｉａ， 目前已有多种针对点云处理的软件，像 ＩｍａｇｅＷａｒｅ、Ｇｅｏｍａｇｉｃ Ｓｔｕｄｉｏ、ＣｏｐｙＣＡＤ、 研究【Ｄ】．山东大学，２００９． ＲａｐｉｄＦｏｒｍ等商业软件，和Ｐｏｉｎｔｓｈｏｐ３Ｄ， Ｍｅｓｈｌａｂ，Ｐｏｉｎｔ Ｃｌｏｕｄ Ｌｉｂｒａｒｙ（ＰＣＬ）等开源平 台，都在点云的去噪，特征估计，模型分割及 拼接，数据配准，表面重建等各个方面有新技 ［６胡国飞．三维数字表面去噪光顺技术研究 ６］【Ｄ］．浙江大学，２００５． ［７］武剑洁．基于点的散乱点云处理技术的研 Ｓｉｇｇｒａｐｈ等国际计算机图形学顶级会议和期刊 究［Ｄ］．中科技大学，２００４． 都会有相当一部分的点云处理领域的论文发 术应用。特别是开源平台给相关领域的研究人 表。欧洲计算机图形学年会（Ｅｕｒｏｇｒａｐｈｉｃｓ）有 员和感兴趣的学者提供了有力的帮助。作者单位 ・一个专门开设的基于点的图形学国际学术讨论 综上所述，三维点云模型的处理技术， 问题。 湛江师范学院基础教育学院 广东省湛江市 ５２４０ ３７ 会（Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｉｎｔ—Ｂａｓｅｄ Ｇｒａｐｈｉｃｓ），引起 是当前学术界和工业界的值得去研究和关注的 了纵多研究者对基于点的图形学的浓厚兴趣。 １３８・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
