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地质图像三维重建
地质图像三维重建
杜 诚1 王丹1 冷彪2 马波1
(西南民族大学电气信息工程学院,成都 610041)1 (西南交通大学土木工程学院,成都 610031) 2
摘 要:三维重建与显示是实现可视化的基础和重要部分。本文通过对图像进行坐标空定义,对三角部分进行了规则定义,通过图形变换,将简单图形生成复杂图形,并把二维图形表示三维形体,对静态图形快速变换而获得图形的动态显示效果。图形变换能够旋转对象、移动对象、拉伸、压缩和缩放对象,从而通过三维重建和虚拟现实技术实现地质结构的三维数字化模型和地质结构的动态虚拟显示,对地质结构进行分析提供了直观的预测。它可将对掌子面的分析从人工重复性工作中解放出来,又可避免一些人为的分析误差,这样在保证对掌子面图像分析质量的同时也大大提高了分析效率,对隧道施工起着十分重要的作用。
关 键 词:坐标空间定义 三维重建 OpenGL
中图分类号:TP 391
文献标识码:A
1. 引言
a) 非编辑状态 b) 编辑状态
图1 不同情况下的拱形图
图1 a)是非编辑状态下的拱形图,此时的拱形不能调整其大小和位置等。图1 b)拱形处理编辑状态。将鼠标滑动到拱形上的四个小矩形框上,就会变成相应的形状。这时按下鼠标左键就可调整拱形的大小,直至鼠标左键弹起。
2、锚点的设计与实现
设计锚点的目的是为了标记掌子面图像切片的坐标,只有标记了图像切片坐标,才能够建立隧道的三维模型。否则没有了参照标准,无法重建隧道模型。
在图像处理系统中,将锚点设计成一浮动子窗体,形状为被彩色的圆包围的十字。其活动范围限定在主窗体中。主窗体中显示的是图形和图像层,即画布。
3、比例尺的设计与实现
比例尺在本图像处理软件中是必不可少的。用户通过它可以知道数字图像中某两点间距离在实际中的长度。比例尺的应用使得在隧道中拍摄数字图像时不必固定相机与隧道断面间的距离。同时,它又为后继隧道三维重建提供参考信息,使三维建模过程中用到的各图像切片中的隧道掌子面大小基本相同。
4、提取掌子面中岩层边界的设计与实现
掌子面图像存在各种不同情况,有的图像用系统提供算法可直接达到预定图像分割效果,有的图像分割结果只能部分达到要求,而有的图像用系统中提供的图像分割算法则完全失效。这时不得不考虑用人工方式提取边界。
3.三维重建原理
三维重建的算法很多,各有其优缺点。本系统采用一种基于Delaunay三角剖分思想的表面重建算法,算法考虑了组成最佳重建表面的三角片的形态特点, , , , 。 , , 。Obj1和Obj2,它们的轮廓线特征点集为Obj1中的点集数为M,Obj2的点集数为N。设Point1代表Obj1的点集,Point2代表Obj2的点集,Obj1Pi代表Obj1中的具体点,Obj2Pj代表Obj2中的具体点,则 Point1={ Obj1Pi|0iM},Point2={ Obj2Pj|0jN},均以顺时针顺序排列,则算法的步骤为:
1、起始三角片前两个点的选取
首先选择第一目标的起始点,不失一般性,假设Obj1P01的第一个点,则计算Obj1P0Obj2Pmin,因此,则设Obj1Pmin为第二目标对象的起始点。
2、起始三角片第三点的选取
这样,连接Obj1P0Obj1Pmin,取二者线段的中点,设此点为Point,再分别计算Point到两目标对象中前两个点的相邻点的距离,即到
Obj1P1Obj2Pmin+1的距离,如果到Obj1P1Obj1P1Obj2P min+1点的距离最短,则取
Obj2P min+1点为三角片的第三个点,这里假定到Obj2P min+1的距离最短,则初创的三角片为(Obj1P0)(Obj2Pmin)(Obj2P min+1)。从而起始三角片就构造完成。
4.三维重建的实现
4.1 三维场景的创建
本系统的三维重建是运用三角片重建算法,为了创建隧道断面的三维核模型,我们必须先对此三维空间的场景环境进行创建。一系列的三角片组成了一系列的网格对
图2 三角形的方向定义
象,因此我们要把网格对象添加到场景空间中,但网格对象又是由顶点数据和三角片共同组成,因此,要对顶点数目和三角片的个数进行设置。把顶点数目和三角片要添加到场景中。最后,要计算相邻顶点、每个面的法向、每个顶点的法向。
4.2 OpenGL变换操作总述
图形变换是取景体生成的基础。通过图形变换,可由简单图形生成复杂图形,可由二维图形表示三维形体,可以对静态图形快速变换而获得图形的动态显示效果。图形变换能够旋转对象、移动对象、拉伸、压缩和缩放对象。从OpenGL流水线输入端的三维几何图元到输出端最终的二维图像,中间要经
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