UG二次开发中的点云滤波预处理方法和实现

1、第34卷第5期2008年10月兰州理工大学学报Journal of Lanzliou University of TechnologyVol. 34 No.5Oct. 2008文章编号：1673-5196(2008) 05-004k04UG二次开发中的点云滤波预处理方法和实现罗瑜，邱望标(贵州大学机械工程学院.贵州贵阳550003)摘要：通过UG与Mat hb软件的结合解决U(；在逆向工程技术中需要借助他方软件进行点云滤波等预处理的现 状.将预处理分为排序、精简、平滑滤波三个步骤，对毎I步骤设计可行的算法，利用U(；/()penAPI开发应用接口 实现整套算法功能.突破UG可开启文件格式的限制

2、，实时地显示去嗓、滤波的效果.实验结果農明，该方法能够提 升UG在逆向工程中的应用前景.关键词：逆向工程；点云滤波；预处理方法；接口； Mat lab引繋中图分类号：TH 164文献标识码：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月兰州理工大学学报Journal of Lanzliou University of TechnologyVol. 34 No.5Oct. 2008第34卷第5期2008年10月兰州理工大学学报Journal of Lanzliou University of TechnologyVol. 34 No.5Oct. 2008逆向工程技术目前已发展为CAD/CAM系统 中的一个相对独立的研究分支，其相关领域包括儿 何测量、图像处理、计算机视觉、儿何造型和数字化 制适等.除机械领域外，三维测暈、模型重建技

7、术还 用丁医学、地理、考古等领域的图像处理和模型恢 fi111.例如，在文物保护研究中，利用逆向工程技术 将获取文物准确的三维图像信息，进一步利用快速 成型技术对文物实施再造，避免岁刀的侵蚀对文物 造成不可逆转的损坏.而UG软件以其出色的曲而 造型功能在逆向工程的研究中被广泛应用.但在实 际应用中发现UG缺乏对原始扫描点云数据的处理收稿日期：2008-01-07基金项目：国家社会科学基金(06XMZ033)作需介署c烈1980.女.贵州以阳人.硕弃.阳帀J ny4-2(n2 China Acaaemic JournalEleclronic能力，主耍依赖I inageware等第三方软件对第一手

8、 扫描数据进行处理，这成为U(；实际应用的一大瓶 颈为了解决问题、突破瓶颈,本文对UG实施二次 开发，集成原始点云数据的预处理功能，针对实际应 用需求将预处理分为排序、粘简、平滑滤波三个步 骤,对每一步骤设计可行的算法，利用U(；/()pen.V PI开发应用接口实现整套算法功能.实际应用结果 表明，本文二次开发的U (；功能模块完全可以替代 Imagew are完成点云预处理功能.皋J：该功能模块 的后续曲面再造效杲良好.1接口的系统框架针对UG的功能缺陷对其实施二次开发实现廂方第5期罗瑜等:It二次开发中的点加滤波预处理方法和实现 43 激光扫描获得的原始点云数据进行处理.原始点 云数据的

9、排序、精简、平滑滤波都将通过利用 U(；/()penAPI开发的应用接口 H接在UG中实现. 图1所示为实现点云预处理的系统框架.三维打描顶始数据后续曲面拟合图1接口系统框架Fig. 1 Frame of interface s strni2点云预处理方法如图1所示，本文中点云的预处理习包括对原 始点云数据的排序、椿简和滤波.21点云排序经激光扫描设备和三维数字化采样得到的离散 数据集如图2所示，图3是将图2多边形化得到的 多边形点云数据.首先需耍对这些点按一定的规则 排序，使之在某一个方向(如z向)按从小到大的顺 序进行排列,这种排序规则被赋了 f特定的儿何或 拓扑意义，是下一步平滑滤波的基

10、础.图2散乱的点云数据Fig. 2 Scattered point doud (htaX I 图4 >，方向排列的多边形点云数据Fig. 4 Polygonal point cloud data arrangement iny-direction图5 *方向排列的多边形点云数据Fig. 5 Polygonal point cloud data arrangement indirection波法.Jt中高斯滤波在指定域内的权雨为高斯分布, 其平均效果较小，能较好地保持原数据的形貌，所以 本方法采用高斯滤波通过设计介适的滤波函数，对 呈现高频信号的噪音数据进行科学、介理的平滑处 理研究采用岛

11、斯分布函数作为岛斯滤波的权函数, 将某一数据点与前后各n个数据点加权平均.这是 一种低通滤波方法,对符合高斯分布的高频噪声数 据有很好的抑制作用.在实际操作时那些远大丁操 作距离的点被处理成固左的端点，有助丁识别间隙 和端点.对丁连续型随机变量兀，存在实数和0(。 0),若其概率密度函数为"丿2P(x)=图3多边形点云数据Fig. 3 Polygonal point cloud data从图3中可以看出其点云数据是杂乱无章的. 如果将图2中的点云数据按某一个方向从小到大的 顺序进行排列就可以得到如图4和图5所示的多 边形点云数据.Fig. 6 Ordered point ck)ud

12、for smoothing2.2高斯滤波对于点云数据，常用的滤波方法有鳥斯(Gaus ian)滤波、均£( averaging)滤波和中值(median)滤“ n- Ii- m- I£ IIP小-Pi II >£ IIP - P/Al |© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 则称X服从参数为口、。的止态分布或高斯分布.图 6所示是岛斯Illi线函数和待光顺的测最数据.采用 高斯法平滑点云时，需要确定参数口和o.则令“

13、10= £ PjU- Pi II/= I否则，令卜I0=刀 Pi- P/Al II/= <对丁排序后的点云P二Pi9 i= 0, 1, 2,定义点P的拓斯参数为"IXi =刀 II Pl - PkK IIA 二 i则平滑后H- n- 1H- n- 13系统接口3. 1 U(y (JpcnAPI对图1系统框架中各种心云数拯的预处理都通 过 UG/()penAPI|6,ff 发实现.U (；/ OpenAPI 由一系 列函数和过程组成,通过它可以在C/C+ +程序中 以库函数的形式调用UG内部2 000多个操作. 利用U G/ OpenA PI编程调用这些函数，通过向暈、

14、 矩阵算法实现对点云数据的处理，同时在UG主界 而中为该功能创建了良好的交互式程序界而.利用AP1内部模式(Internal),将Internal程序 编译成* .(111的动态链接库，在UG的界而环境中 运行，运行结果在U(；界而的图形窗口中显示.从而 实现在同一套显示窗口中完成新增功能的动态交互 操作和点云处理效果观察.3.2 Nlat lab 引華设计的点云预处理算法，需耍对大量的点云数 据进行矩阵运算.利用VC平台实现1(；与专业数 值分析、矩阵运算软件Mat lab的接口驚调用Ma!- lal,引擎完成海暈的点云数据运算.通过对UG/OpenAPI开发和Mat lab引擎的接 口编写

15、，完成了如图7所示的点云原始数据预处理 接口框架.UG/()penAPI UG接口 VC+环境Matlab引擎Matlab图7点云数据预处理接口Fig. 7 Interface of point d(Hid preprocessing连串的点简洁通用的点云数据屈r刨j形式这种 形式的点云数据组成一个n X 3的二维数组.其屮“ 代表点云数据有多少个点.每个点用其三维坐标 (x 9 y,z )來描述其屮幣个点云数据的“、)、乙坐标 可以分别用3个“ x 1的一维数组來表达.但冃前该 类型文件无法被UG软件直接读取,U(；软件只能 读取显示*dat、*prt.* igs、* stp等类型软 件为实

16、现对通用文件的H主显示控制，基FU (；/ OPEN二次开发技术，开发适合* . asc文件格式的 显示模块.除了接口代码外，系统中读取和绘制点云 的基本语句如下：char * part _ name = dir; /定义一个部件文件 *叩ini metric_units = 1;/单位使用公制,2表示英制lag_t pari; /用丁标记新部件U F_ PART _ new ( pai l _ name, metric _ units, &part); /新建一个部件* .pH,并置为当前部件 while( * . asc文件未结束)/顺序读取点的三维坐标；U F_CURVE_cre

17、ate_point( P, & Point); 在部 件文件中生成点U F_MODL_create_points_fealure(点数，& Point, & f«iture_tag); /生成点特征文件指针下移 次；)该方法可以读取任意一个按照格式一连串的 点的三维坐标组成的* .血c点云文件.经过实验, 一个含有6597个点的点云文件，读取显示的时间 为2 s,完全可以满足工程上的需要.5实验结果使用本方法对多个点云文件进行处理,并将处 理结果与Imageware软件的处理结果进行比较.其 中儿个有代表性的点云结果如图8和图9所示.二维点云数据滤波如图8所示

18、图8a表示滤波 询的点云数据图Sb表示滤波后的点云数据比较 图8a和图8b可知滤波后的点云数据变得光顺.4显示控制采用木文的点衣显示方法，在u(;软件卜的显示效 果；图9b是來用木文所述方法进行的处理后，使用 UG软件调用点云数据的显示效果：图9c是使用 Imag ew a re软件中的去噪和(iaussia n滤波方法进由三维坐标测最机测得的点云数据一般以文件 的格式存储，如* . asc格式.点云数据文件可以有 两种类型：一连串的点，带有斜率和曲率的一 柠肚阳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、蛊畜腔庶遽報'图9是对一个少数民族面具的三维点云数据进 行处理前后的效果.其中图9a是处理前的点云数据第5期罗瑜等:It二次开发中的点加滤波预处理方法和实现 # 能够替代Imageware软件中的方法，从而使UG软件能够不依靠Im agew are等他方软件进彳丁处理第5期罗瑜等:It二次开发中的点加滤波预处理方法和实现 # 第5期罗瑜等:It二次开发中的点加滤波预处理方法和实现 # (时滤波前的点云数据(1>)滤波后的点云数据第5期罗瑜等:It二次开发中的点加滤波预处理方法和实现 # 图8二维点云数据滤波模块的实例(a)处理询的点云数据Fig. 8 Actuul twe-dim

20、ensional point cloud filtering module(b)处理后的点云数据(c) linages arc软件处理后的点云数据第5期罗瑜等:It二次开发中的点加滤波预处理方法和实现 # 图9三维点云数据处理模块的实例第5期罗瑜等:It二次开发中的点加滤波预处理方法和实现 # 第5期罗瑜等:It二次开发中的点加滤波预处理方法和实现 # Fifr 9Actual three dimensionalpoint cloud processing mndule第5期罗瑜等:It二次开发中的点加滤波预处理方法和实现 # 6结论针对l； G在逆向工程应用中的瓶颈问题，经过 UG接口的二次

21、开发,实现了对原始点云数据预处 理功能.利用UG的接口技术U G/ Open M enu- Script19',将该功能嵌入到UG系统界面中，实现了 接口系统一体化.对UG原有的显示控制模块进行 优化，使其能够支持通用的点云数据文件类型.本文方法己应用丁少数民族文物逆向工程开发 的研究项目中，结果表明，该方法突破UG可开启文 件格式的限制，实时地显示公噪、滤波的效果.参考文献：1 金 涛,陈建良，帝水光.逆向工程技术研究进展J.中国机 械丁程，2002.13(16):1 4301 436.2) 苏 发梁水波逆向设计中基三维测虽系统的快速测虽及数据处理J 中国制造业信息化.2006,35( 9): 28- 32.| 3| I-EE K II. U (X) 115 SU K T Data reduc-tion ni<<hods Co