UG二次開發(fā)中的點(diǎn)云濾波預(yù)處理方法和實(shí)現(xiàn)

1、第34卷第5期2008年10月蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)Journal of Lanzliou University of TechnologyVol. 34 No.5Oct. 2008文章編號(hào)：1673-5196(2008) 05-004k04UG二次開發(fā)中的點(diǎn)云濾波預(yù)處理方法和實(shí)現(xiàn)羅瑜，邱望標(biāo)(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院.貴州貴陽(yáng)550003)摘要：通過(guò)UG與Mat hb軟件的結(jié)合解決U(；在逆向工程技術(shù)中需要借助他方軟件進(jìn)行點(diǎn)云濾波等預(yù)處理的現(xiàn) 狀.將預(yù)處理分為排序、精簡(jiǎn)、平滑濾波三個(gè)步驟，對(duì)毎I步驟設(shè)計(jì)可行的算法，利用U(；/()penAPI開發(fā)應(yīng)用接口 實(shí)現(xiàn)整套算法功能.突破UG可開啟文件格式的限制

2、，實(shí)時(shí)地顯示去嗓、濾波的效果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果農(nóng)明，該方法能夠提 升UG在逆向工程中的應(yīng)用前景.關(guān)鍵詞：逆向工程；點(diǎn)云濾波；預(yù)處理方法；接口； Mat lab引繋中圖分類號(hào)：TH 164文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：APre- processing method of pdnt doud data by using filto-ing in UG secondary development and its implementationLUO Yu, QIU Wan-biao(Sdiool <)l Me(4iani(«il Enginrcring Guizhou U ni versitGuiyang 55

3、0()03, China)Abstract:By means of comb in ing U(； and Matlab. a new way of point cloud data pretreat m ent in reverseengineering was proposed to deal with the case that, besideother softwares were needed to help pre-process t he point cloud data by using filtering, etc. T he pretreatment was dh ided

4、 into three steps as ordering, reduct ion, and smooth filtering. P hen a feasible algorithm was designed for each step, and the whole algorit h mic function was ini piemen ted w ith the interfaces developed by using U G/ Open API. In the mean- time, the restriction to data format displaying in U(； w

5、as broke throng h, an cl the res ult of de- noising and filtering could be display ecl in real time. T he result of experiment showed that t his technique could of f er an application prospect of U (； in reverse engineering.K 硏 words： reverse wigineering; po in t cloud data filtering; pretreatment m

6、ethod; interface; Mat lab e】卜 gine第34卷第5期2008年10月蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)Journal of Lanzliou University of TechnologyVol. 34 No.5Oct. 2008第34卷第5期2008年10月蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)Journal of Lanzliou University of TechnologyVol. 34 No.5Oct. 2008逆向工程技術(shù)目前已發(fā)展為CAD/CAM系統(tǒng) 中的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的研究分支，其相關(guān)領(lǐng)域包括兒 何測(cè)量、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、兒何造型和數(shù)字化 制適等.除機(jī)械領(lǐng)域外，三維測(cè)暈、模型重建技

7、術(shù)還 用丁醫(yī)學(xué)、地理、考古等領(lǐng)域的圖像處理和模型恢 fi111.例如，在文物保護(hù)研究中，利用逆向工程技術(shù) 將獲取文物準(zhǔn)確的三維圖像信息，進(jìn)一步利用快速 成型技術(shù)對(duì)文物實(shí)施再造，避免歲刀的侵蝕對(duì)文物 造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞.而UG軟件以其出色的曲而 造型功能在逆向工程的研究中被廣泛應(yīng)用.但在實(shí) 際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)UG缺乏對(duì)原始掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理收稿日期：2008-01-07基金項(xiàng)目：國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金(06XMZ033)作需介署c烈1980.女.貴州以陽(yáng)人.碩棄.陽(yáng)帀J ny4-2(n2 China Acaaemic JournalEleclronic能力，主耍依賴I inageware等第三方軟件對(duì)第一手

8、 掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這成為U(；實(shí)際應(yīng)用的一大瓶 頸為了解決問(wèn)題、突破瓶頸,本文對(duì)UG實(shí)施二次 開發(fā)，集成原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理功能，針對(duì)實(shí)際應(yīng) 用需求將預(yù)處理分為排序、粘簡(jiǎn)、平滑濾波三個(gè)步 驟,對(duì)每一步驟設(shè)計(jì)可行的算法，利用U(；/()pen.V PI開發(fā)應(yīng)用接口實(shí)現(xiàn)整套算法功能.實(shí)際應(yīng)用結(jié)果 表明，本文二次開發(fā)的U (；功能模塊完全可以替代 Imagew are完成點(diǎn)云預(yù)處理功能.皋J：該功能模塊 的后續(xù)曲面再造效杲良好.1接口的系統(tǒng)框架針對(duì)UG的功能缺陷對(duì)其實(shí)施二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)廂方第5期羅瑜等:It二次開發(fā)中的點(diǎn)加濾波預(yù)處理方法和實(shí)現(xiàn) 43 激光掃描獲得的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.原始點(diǎn) 云數(shù)據(jù)的

9、排序、精簡(jiǎn)、平滑濾波都將通過(guò)利用 U(；/()penAPI開發(fā)的應(yīng)用接口 H接在UG中實(shí)現(xiàn). 圖1所示為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云預(yù)處理的系統(tǒng)框架.三維打描頂始數(shù)據(jù)后續(xù)曲面擬合圖1接口系統(tǒng)框架Fig. 1 Frame of interface s strni2點(diǎn)云預(yù)處理方法如圖1所示，本文中點(diǎn)云的預(yù)處理習(xí)包括對(duì)原 始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的排序、椿簡(jiǎn)和濾波.21點(diǎn)云排序經(jīng)激光掃描設(shè)備和三維數(shù)字化采樣得到的離散 數(shù)據(jù)集如圖2所示，圖3是將圖2多邊形化得到的 多邊形點(diǎn)云數(shù)據(jù).首先需耍對(duì)這些點(diǎn)按一定的規(guī)則 排序，使之在某一個(gè)方向(如z向)按從小到大的順 序進(jìn)行排列,這種排序規(guī)則被賦了 f特定的兒何或 拓?fù)湟饬x，是下一步平滑濾波的基

10、礎(chǔ).圖2散亂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig. 2 Scattered point doud (htaX I 圖4 >，方向排列的多邊形點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig. 4 Polygonal point cloud data arrangement iny-direction圖5 *方向排列的多邊形點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig. 5 Polygonal point cloud data arrangement indirection波法.Jt中高斯濾波在指定域內(nèi)的權(quán)雨為高斯分布, 其平均效果較小，能較好地保持原數(shù)據(jù)的形貌，所以 本方法采用高斯濾波通過(guò)設(shè)計(jì)介適的濾波函數(shù)，對(duì) 呈現(xiàn)高頻信號(hào)的噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)、介理的平滑處 理研究采用島

11、斯分布函數(shù)作為島斯濾波的權(quán)函數(shù), 將某一數(shù)據(jù)點(diǎn)與前后各n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)加權(quán)平均.這是 一種低通濾波方法,對(duì)符合高斯分布的高頻噪聲數(shù) 據(jù)有很好的抑制作用.在實(shí)際操作時(shí)那些遠(yuǎn)大丁操 作距離的點(diǎn)被處理成固左的端點(diǎn)，有助丁識(shí)別間隙 和端點(diǎn).對(duì)丁連續(xù)型隨機(jī)變量兀，存在實(shí)數(shù)和0(。 0),若其概率密度函數(shù)為"丿2P(x)=圖3多邊形點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig. 3 Polygonal point cloud data從圖3中可以看出其點(diǎn)云數(shù)據(jù)是雜亂無(wú)章的. 如果將圖2中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按某一個(gè)方向從小到大的 順序進(jìn)行排列就可以得到如圖4和圖5所示的多 邊形點(diǎn)云數(shù)據(jù).Fig. 6 Ordered point ck)ud

12、for smoothing2.2高斯濾波對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，常用的濾波方法有鳥斯(Gaus ian)濾波、均£( averaging)濾波和中值(median)濾“ n- Ii- m- I£ IIP小-Pi II >£ IIP - P/Al |© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 則稱X服從參數(shù)為口、。的止態(tài)分布或高斯分布.圖 6所示是島斯Illi線函數(shù)和待光順的測(cè)最數(shù)據(jù).采用 高斯法平滑點(diǎn)云時(shí)，需要確定參數(shù)口和o.則令“

13、10= £ PjU- Pi II/= I否則，令卜I0=刀 Pi- P/Al II/= <對(duì)丁排序后的點(diǎn)云P二Pi9 i= 0, 1, 2,定義點(diǎn)P的拓斯參數(shù)為"IXi =刀 II Pl - PkK IIA 二 i則平滑后H- n- 1H- n- 13系統(tǒng)接口3. 1 U(y (JpcnAPI對(duì)圖1系統(tǒng)框架中各種心云數(shù)拯的預(yù)處理都通 過(guò) UG/()penAPI|6,ff 發(fā)實(shí)現(xiàn).U (；/ OpenAPI 由一系 列函數(shù)和過(guò)程組成,通過(guò)它可以在C/C+ +程序中 以庫(kù)函數(shù)的形式調(diào)用UG內(nèi)部2 000多個(gè)操作. 利用U G/ OpenA PI編程調(diào)用這些函數(shù)，通過(guò)向暈、

14、 矩陣算法實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，同時(shí)在UG主界 而中為該功能創(chuàng)建了良好的交互式程序界而.利用AP1內(nèi)部模式(Internal),將Internal程序 編譯成* .(111的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，在UG的界而環(huán)境中 運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果在U(；界而的圖形窗口中顯示.從而 實(shí)現(xiàn)在同一套顯示窗口中完成新增功能的動(dòng)態(tài)交互 操作和點(diǎn)云處理效果觀察.3.2 Nlat lab 引華設(shè)計(jì)的點(diǎn)云預(yù)處理算法，需耍對(duì)大量的點(diǎn)云數(shù) 據(jù)進(jìn)行矩陣運(yùn)算.利用VC平臺(tái)實(shí)現(xiàn)1(；與專業(yè)數(shù) 值分析、矩陣運(yùn)算軟件Mat lab的接口驚調(diào)用Ma!- lal,引擎完成海暈的點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)算.通過(guò)對(duì)UG/OpenAPI開發(fā)和Mat lab引擎的接 口編寫

15、，完成了如圖7所示的點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)預(yù)處理 接口框架.UG/()penAPI UG接口 VC+環(huán)境Matlab引擎Matlab圖7點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理接口Fig. 7 Interface of point d(Hid preprocessing連串的點(diǎn)簡(jiǎn)潔通用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)屈r刨j形式這種 形式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)組成一個(gè)n X 3的二維數(shù)組.其屮“ 代表點(diǎn)云數(shù)據(jù)有多少個(gè)點(diǎn).每個(gè)點(diǎn)用其三維坐標(biāo) (x 9 y,z )來(lái)描述其屮幣個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的“、)、乙坐標(biāo) 可以分別用3個(gè)“ x 1的一維數(shù)組來(lái)表達(dá).但冃前該 類型文件無(wú)法被UG軟件直接讀取,U(；軟件只能 讀取顯示*dat、*prt.* igs、* stp等類型軟 件為實(shí)

16、現(xiàn)對(duì)通用文件的H主顯示控制，基FU (；/ OPEN二次開發(fā)技術(shù)，開發(fā)適合* . asc文件格式的 顯示模塊.除了接口代碼外，系統(tǒng)中讀取和繪制點(diǎn)云 的基本語(yǔ)句如下：char * part _ name = dir; /定義一個(gè)部件文件 *叩ini metric_units = 1;/單位使用公制,2表示英制lag_t pari; /用丁標(biāo)記新部件U F_ PART _ new ( pai l _ name, metric _ units, &part); /新建一個(gè)部件* .pH,并置為當(dāng)前部件 while( * . asc文件未結(jié)束)/順序讀取點(diǎn)的三維坐標(biāo)；U F_CURVE_cre

17、ate_point( P, & Point); 在部 件文件中生成點(diǎn)U F_MODL_create_points_fealure(點(diǎn)數(shù)，& Point, & f«iture_tag); /生成點(diǎn)特征文件指針下移 次；)該方法可以讀取任意一個(gè)按照格式一連串的 點(diǎn)的三維坐標(biāo)組成的* .血c點(diǎn)云文件.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn), 一個(gè)含有6597個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)云文件，讀取顯示的時(shí)間 為2 s,完全可以滿足工程上的需要.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果使用本方法對(duì)多個(gè)點(diǎn)云文件進(jìn)行處理,并將處 理結(jié)果與Imageware軟件的處理結(jié)果進(jìn)行比較.其 中兒個(gè)有代表性的點(diǎn)云結(jié)果如圖8和圖9所示.二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波如圖8所示

18、圖8a表示濾波 詢的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖Sb表示濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)比較 圖8a和圖8b可知濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)變得光順.4顯示控制采用木文的點(diǎn)衣顯示方法，在u(;軟件卜的顯示效 果；圖9b是來(lái)用木文所述方法進(jìn)行的處理后，使用 UG軟件調(diào)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的顯示效果：圖9c是使用 Imag ew a re軟件中的去噪和(iaussia n濾波方法進(jìn)由三維坐標(biāo)測(cè)最機(jī)測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般以文件 的格式存儲(chǔ)，如* . asc格式.點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件可以有 兩種類型：一連串的點(diǎn)，帶有斜率和曲率的一 檸肚陽(yáng)尸帖曰尸畑卑今日太心由甘、滿漁舌比/ 1994-2012 China Academic Journal Ucctronic鼎？哉鼠翩

19、蠱畜腔庶遽報(bào)'圖9是對(duì)一個(gè)少數(shù)民族面具的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn) 行處理前后的效果.其中圖9a是處理前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)第5期羅瑜等:It二次開發(fā)中的點(diǎn)加濾波預(yù)處理方法和實(shí)現(xiàn) # 能夠替代Imageware軟件中的方法，從而使UG軟件能夠不依靠Im agew are等他方軟件進(jìn)彳丁處理第5期羅瑜等:It二次開發(fā)中的點(diǎn)加濾波預(yù)處理方法和實(shí)現(xiàn) # 第5期羅瑜等:It二次開發(fā)中的點(diǎn)加濾波預(yù)處理方法和實(shí)現(xiàn) # (時(shí)濾波前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(1>)濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)第5期羅瑜等:It二次開發(fā)中的點(diǎn)加濾波預(yù)處理方法和實(shí)現(xiàn) # 圖8二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波模塊的實(shí)例(a)處理詢的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig. 8 Actuul twe-dim

20、ensional point cloud filtering module(b)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(c) linages arc軟件處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)第5期羅瑜等:It二次開發(fā)中的點(diǎn)加濾波預(yù)處理方法和實(shí)現(xiàn) # 圖9三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理模塊的實(shí)例第5期羅瑜等:It二次開發(fā)中的點(diǎn)加濾波預(yù)處理方法和實(shí)現(xiàn) # 第5期羅瑜等:It二次開發(fā)中的點(diǎn)加濾波預(yù)處理方法和實(shí)現(xiàn) # Fifr 9Actual three dimensionalpoint cloud processing mndule第5期羅瑜等:It二次開發(fā)中的點(diǎn)加濾波預(yù)處理方法和實(shí)現(xiàn) # 6結(jié)論針對(duì)l； G在逆向工程應(yīng)用中的瓶頸問(wèn)題，經(jīng)過(guò) UG接口的二次

21、開發(fā),實(shí)現(xiàn)了對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處 理功能.利用UG的接口技術(shù)U G/ Open M enu- Script19',將該功能嵌入到UG系統(tǒng)界面中，實(shí)現(xiàn)了 接口系統(tǒng)一體化.對(duì)UG原有的顯示控制模塊進(jìn)行 優(yōu)化，使其能夠支持通用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件類型.本文方法己應(yīng)用丁少數(shù)民族文物逆向工程開發(fā) 的研究項(xiàng)目中，結(jié)果表明，該方法突破UG可開啟文 件格式的限制，實(shí)時(shí)地顯示公噪、濾波的效果.參考文獻(xiàn)：1 金 濤,陳建良，帝水光.逆向工程技術(shù)研究進(jìn)展J.中國(guó)機(jī) 械丁程，2002.13(16):1 4301 436.2) 蘇 發(fā)梁水波逆向設(shè)計(jì)中基三維測(cè)雖系統(tǒng)的快速測(cè)雖及數(shù)據(jù)處理J 中國(guó)制造業(yè)信息化.2006,35( 9): 28- 32.| 3| I-EE K II. U (X) 115 SU K T Data reduc-tion ni<<hods Co