發(fā)布時(shí)間：2020-08-28 05:10

【摘要】：隨著三維激光掃描儀的逐漸成熟,建筑點(diǎn)云在建筑的逆向工程中走向了實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)景,特別是歷史建筑。點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整地記錄精確的建筑結(jié)構(gòu)信息,而彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了建筑的細(xì)節(jié)和紋理。但現(xiàn)有的專(zhuān)業(yè)點(diǎn)云軟件主要是基于客戶(hù)端,不僅硬件要求高和價(jià)格昂貴,而且缺乏由點(diǎn)到面的建筑展示。點(diǎn)云是建筑表面采樣點(diǎn)的集合,所以簡(jiǎn)單的點(diǎn)集展示無(wú)法渲染出建筑表面。因此,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模點(diǎn)云的Web端使用和由點(diǎn)到面的建筑展示具有重要的應(yīng)用價(jià)值和研究?jī)r(jià)值。本文主要從點(diǎn)云模型的場(chǎng)景管理和點(diǎn)云到面的渲染算法的研究出發(fā),分析大規(guī)模建筑點(diǎn)云的Web端使用和建筑模型展示的實(shí)現(xiàn)。主要研究工作包括:分析建筑點(diǎn)云的特征和場(chǎng)景管理方式,研究國(guó)內(nèi)外的點(diǎn)云渲染算法和網(wǎng)格模型構(gòu)建算法;為了解決大規(guī)模點(diǎn)云的內(nèi)存負(fù)載和渲染效率問(wèn)題,提出基于八叉樹(shù)的層次細(xì)節(jié)算法(Level of details,LOD),其中在保證展示效果下,采用投影面積和距離結(jié)合的LOD策略,可以減少加載被遮擋的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目;運(yùn)用WebGL渲染管線(xiàn)和空間變換的相關(guān)知識(shí),改進(jìn)了EWA Splatting框架,實(shí)現(xiàn)了基于面片的渲染算法;為了展示部分建筑的面模型,設(shè)計(jì)了建筑網(wǎng)格模型的構(gòu)建算法,其流程包括法線(xiàn)計(jì)算、提取幾何特征、構(gòu)建網(wǎng)格模型和優(yōu)化網(wǎng)格模型。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于WebGL的建筑點(diǎn)云模型渲染系統(tǒng),用來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模建筑點(diǎn)云的Web端使用和展示建筑模型。本系統(tǒng)適配了多個(gè)平臺(tái),并在多個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)集上與同類(lèi)型軟件進(jìn)行內(nèi)存負(fù)載和渲染幀率的對(duì)比和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明渲染系統(tǒng)基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)為建筑工程提供便捷的工具和立體化展示。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TU204
【圖文】：

建筑點(diǎn)云模型特征筑點(diǎn)云是通過(guò)三維激光儀器掃描建筑實(shí)體，采集建筑表面生成的，詳細(xì)記錄實(shí)際狀況。為了建筑的測(cè)繪需求和點(diǎn)云到面的渲染，本文使用的建筑點(diǎn)云不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有以下特征：. 精度高和數(shù)據(jù)量大。為了建筑的測(cè)繪需求和展示，經(jīng)過(guò)規(guī)劃基站、點(diǎn)云掃描云拼接和匹配等過(guò)程對(duì)建筑進(jìn)行高分辨率、全方位的掃描。在完整地保存建結(jié)構(gòu)信息的同時(shí)，加大點(diǎn)云處理的難度。例如，大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)無(wú)法直接在 端加載展示，需要解決網(wǎng)絡(luò)傳輸、內(nèi)存負(fù)載和渲染效率等問(wèn)題。. 空間密度高。如圖 2-1 所示，不同于常見(jiàn)的單層三維表面點(diǎn)云，本文經(jīng)過(guò)列采集過(guò)程生成復(fù)雜的多層建筑點(diǎn)云模型，用于輔助建筑師完成對(duì)建筑的測(cè)作。

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2.2.2空間變換如圖 2-3 所示，模型的頂點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)一系列的空間變換，使得頂點(diǎn)坐標(biāo)變換到屏幕。WebGL 頂點(diǎn)緩存區(qū)的頂點(diǎn)坐標(biāo)是模型空間(Model Space)下的表示。經(jīng)過(guò)仿射變換將模型移動(dòng)到世界空間(World Space)，構(gòu)成用于展示的整個(gè)場(chǎng)景。而攝像頭位于世界空間，以攝像頭為坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)建展示場(chǎng)景的另一個(gè)角度，生成視空間下的表示。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備坐標(biāo)(Normalized Device Coordinate, NDC)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化空間，每個(gè)頂點(diǎn)的 x,y,z 坐標(biāo)限定在[-1, 1]以?xún)?nèi)。其以 z 軸作為投影方向，z=-1 為近平面而 z=1 為遠(yuǎn)平面。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查，判斷其是否滿(mǎn)足葉子節(jié)點(diǎn)的預(yù)期要求。如果不滿(mǎn)足則遞歸分割，到達(dá)到要求或超過(guò)四叉樹(shù)的深度限制。在點(diǎn)云模型的場(chǎng)景管理上，四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)被廣泛用。例如，Bostjan 在點(diǎn)云渲染算法中基于激光雷達(dá)行式掃描的特點(diǎn)改進(jìn)了四叉樹(shù)結(jié)，優(yōu)化渲染效率。而且在存儲(chǔ)方式上，僅記錄起始點(diǎn)在文件中偏移位置和該葉子節(jié)點(diǎn)定點(diǎn)數(shù)，節(jié)省存儲(chǔ)空間，但這種算法僅限于有序的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[32]。四叉樹(shù)是在二維平面進(jìn)行分割，所以更適合地形數(shù)據(jù)，并不適合于三維空間密集型的建筑點(diǎn)云。如圖 2-4 所示，不同于四叉樹(shù)，固定地對(duì)兩個(gè)維度上的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均分割，KD 樹(shù)次挑選某一個(gè)維度進(jìn)行分割生成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，在存儲(chǔ)方式上類(lèi)似于二叉樹(shù)[2]。利用 KD管理點(diǎn)云模型的過(guò)程：先計(jì)算點(diǎn)云在 XYZ 軸上每個(gè)維度的投影數(shù)據(jù)的方差。在最大差的維度上對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行均等二分，生成兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)。然后，重復(fù)之前的步驟分割點(diǎn)云據(jù)，直到單個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)低于某個(gè)閾值或者樹(shù)深度超過(guò)限定值。KD 樹(shù)雖然對(duì)點(diǎn)云進(jìn)均等分割優(yōu)化存儲(chǔ)，但是對(duì)于空間結(jié)構(gòu)緊密的建筑點(diǎn)云模型而言，過(guò)于復(fù)雜。而且由不斷改變分割維度，需要更多的空間用于結(jié)構(gòu)信息的存儲(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 梁玉斌;面向建筑測(cè)繪的地面激光掃描模式識(shí)別方法研究[D];武漢大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2807149