亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        海量點云數(shù)據(jù)管理方法的研究

        2013-12-04 09:29:02胡敏捷
        船舶設(shè)計通訊 2013年2期
        關(guān)鍵詞:八叉樹格網(wǎng)視點

        胡敏捷 謝 洪

        (1.上海船舶研究設(shè)計院,上海201203;2.武漢大學(xué),湖北 武漢400439)

        0 前言

        隨著計算機技術(shù)飛速進步,基于矢量圖形信息的三維可視化和基于實景影像信息的三維可視化技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。激光掃描技術(shù)作為一種三維空間信息的實時采集手段,以日新月異的速度發(fā)展[1]。目前,相位式激光掃描儀的掃描速度可達每秒近百萬點,一次掃描可以采集被測對象表面上億點的三維空間坐標(biāo),形成GB級的點云數(shù)據(jù)。因此,必須建立有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)快速索引機制,才能開展后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析。

        八叉樹(Octree)是一種用于描述三維空間的數(shù)狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種方法即可以看成是四叉樹方法在三維空間的推廣,也可以認(rèn)為是用三維體素陣列表示形體方法的一種改進。八叉樹的每個節(jié)點表示正方體的體積元素,每個節(jié)點有八個子節(jié)點,將八個子節(jié)點所表示的體積元素加在一起就等于父節(jié)點的體積。

        1 數(shù)據(jù)管理

        1.1 建立點云數(shù)據(jù)八叉樹索引

        在建立八叉樹的過程中,八叉樹的根節(jié)點為激光點云數(shù)據(jù)的外接包圍盒,從根節(jié)點開始進行空間八方向劃分,形成八個子節(jié)點立方體,其中一部分含有點,一部分不包含點。不包含點的立方體成為葉節(jié)點,不再繼續(xù)劃分,含有點的立方體成為新的父節(jié)點繼續(xù)劃分,直到所有立方體中包含的點數(shù)小于設(shè)定閾值。在基于數(shù)據(jù)庫的點云管理時,每一個目標(biāo)所對應(yīng)的點云數(shù)據(jù)作為一個表空間,八叉樹的每一層節(jié)點數(shù)據(jù)均作為一個單獨的表存儲。根據(jù)Morton編碼在表空間中建立對應(yīng)數(shù)據(jù)的索引表實現(xiàn)快速訪問。利用數(shù)據(jù)庫的二進制數(shù)據(jù)類型來存儲每層節(jié)點中的點云數(shù)據(jù),以便實現(xiàn)多分辨率的分層數(shù)據(jù)的存儲和快速訪問。在基于硬盤文件的管理時,同樣可以類似于數(shù)據(jù)庫的存儲方式來采用多文件的方式存儲八叉樹的各層節(jié)點數(shù)據(jù)。點云八叉樹的索引如圖1所示。

        圖1 點云八叉樹索引

        1.2 海量點云數(shù)據(jù)管理和動態(tài)更新

        圖2 量化格網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

        針對點云數(shù)據(jù)的管理,根據(jù)點云數(shù)據(jù)文件的大小主要提供三種不同的管理方式:①對于點云數(shù)據(jù)量處于幾百GB級別的數(shù)據(jù),采用基于Oracle數(shù)據(jù)庫的管理方式,對原始點云數(shù)據(jù)建立八叉樹索引并存入數(shù)據(jù)庫,并根據(jù)八叉樹索引實現(xiàn)海量點云數(shù)據(jù)在瀏覽、量測等操作時的數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)度;②對于點云數(shù)據(jù)量處于幾百MB到幾十GB級的數(shù)據(jù),可采用直接基于硬盤外存(out of core)的八叉樹索引多文件(multifile)點云管理方式,并通過動態(tài)調(diào)度引擎(Dynamic Swap Engine)來進行八叉樹節(jié)點的動態(tài)調(diào)度,以實現(xiàn)點云的多層次細節(jié)處理;③對于點云數(shù)據(jù)量為幾十MB的數(shù)據(jù),可直接采用基于內(nèi)存(in-core)的管理方式,即將點云數(shù)據(jù)全部讀入內(nèi)存以便高效的點云后處理操作。

        在海量點云數(shù)據(jù)的處理過程中,為了實現(xiàn)海量點云的快速高效的動態(tài)更新,采用八叉樹內(nèi)節(jié)點格網(wǎng)量化方法進行點云數(shù)據(jù)的重采樣,將簡化的多分辨率點云數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)的中間節(jié)點中,并在此基礎(chǔ)上進行點云數(shù)據(jù)的動態(tài)更新操作。

        格網(wǎng)量化方法對于八叉樹中的每一個內(nèi)節(jié)點,首先建立一個單元個數(shù)為k3的格網(wǎng)(其中k的大小可以為128),然后將內(nèi)節(jié)點所對應(yīng)區(qū)域中的所有采樣點都量化到對應(yīng)的格網(wǎng)單元中,并選擇一個采樣點來表示該格網(wǎng)單元。為了在動態(tài)更新過程中正確修改相關(guān)格網(wǎng)單元,每個格網(wǎng)單元都存儲一個權(quán)值用于記錄該單元中采樣點的個數(shù)(如圖2所示)。該權(quán)值對于在點云動態(tài)更新的過程中有著十分重要的作用。同時,針對量化格網(wǎng)的存儲問題,采用一個哈希(hash)函數(shù)來存儲量化格網(wǎng)。根據(jù)采樣點量化的XYZ坐標(biāo),可以通過一個偽隨機哈希函數(shù)訪問動態(tài)哈希表中的某一數(shù)據(jù)塊,從而獲得內(nèi)節(jié)點中對應(yīng)格網(wǎng)單元的采樣信息。

        格網(wǎng)量化技術(shù)能夠支持點云的刪除與插入動態(tài)更新的高效實現(xiàn)。對于通過空間劃分已經(jīng)建好的點云多分辨率層次結(jié)構(gòu)而言,動態(tài)插入一個點需要區(qū)分以下兩種情況:待插入點可能位于八叉樹的根節(jié)點所對應(yīng)的空間區(qū)域之中,也可能在其之外。對于第一種情況,首先從根節(jié)點處開始遍歷,找到待插入點所處的最底層節(jié)點。如果該節(jié)點是葉節(jié)點,則將新的采樣點插入其中,如果其為中間節(jié)點,則根據(jù)待插入點的位置建立一個新的葉節(jié)點。此外,為了更新多分辨率層次信息,在遍歷的過程中還需要從根節(jié)點開始逐層向下將新的采樣點插入到下層子節(jié)點所維護的量化格網(wǎng)中,根據(jù)需要修改格網(wǎng)單元代表點的屬性值并將計數(shù)器加一,直到葉節(jié)點為止(如圖3)。當(dāng)待插入點位于八叉樹的根節(jié)點所對應(yīng)的空間區(qū)域之外時,可擴大原有的根節(jié)點包圍盒范圍,并且將原根節(jié)點變?yōu)樾赂?jié)點的一個子節(jié)點,然后根據(jù)待插入點的位置建立一個新的葉節(jié)點用于存放該插入點。此時必須計算新根節(jié)點的多分辨率層次信息,并由上而下逐層重復(fù)以上計算,直到舊的根節(jié)點為止。具體做法即采用與情況一相同的格網(wǎng)量化算法更新上述中間節(jié)點所維護的量化格網(wǎng),修改與之對應(yīng)的量化點云重采樣點集,從而完成整個多分辨率層次結(jié)構(gòu)的更新操作。

        圖3 點云數(shù)據(jù)的動態(tài)插入

        點云數(shù)據(jù)動態(tài)刪除操作相對比較簡單,具體做法為:首先找到待刪除點所在的葉節(jié)點,然后從該葉子節(jié)點所維護的點集列表中刪除該點。之后從葉子節(jié)點開始逐層向上更新上層父節(jié)點所維護的量化格網(wǎng)(如圖4所示)。對于在此過程中訪問的每一個中間節(jié)點,根據(jù)待刪除點的位置找到與之對應(yīng)的量化格網(wǎng)單元,將其計數(shù)權(quán)值減一,并修改代表點的屬性信息。如果計數(shù)權(quán)值變?yōu)榱?,該格網(wǎng)單元實體將會從存儲量化格網(wǎng)數(shù)據(jù)的哈希表中刪除。

        2 數(shù)據(jù)存儲、訪問及查詢

        2.1 索引數(shù)據(jù)存儲與訪問

        圖4 點云數(shù)據(jù)的動態(tài)刪除

        針對海量點云多分辨率層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲與動態(tài)調(diào)度,其基本思想是將點云八叉樹中的節(jié)點數(shù)據(jù)存儲在外存磁盤文件中,然后根據(jù)用戶的觀察視點參數(shù)只將那些用于繪制或編輯的節(jié)點導(dǎo)入到內(nèi)存中進行繪制并提供交互。當(dāng)改變原始數(shù)據(jù)中的某一個采樣點時,只需要訪問整條遍歷路徑(從根節(jié)點至葉節(jié)點)上的節(jié)點即可,一般情況下被訪問的節(jié)點個數(shù)十分少。在進行繪制時,由于視場角度與屏幕分辨率的限制,只有一小部分的節(jié)點會被繪制,而大多數(shù)的節(jié)點不會被使用。首先在內(nèi)存中維護了一小塊空間用于存儲需要使用的節(jié)點數(shù)據(jù),然后建立一個標(biāo)準(zhǔn)的LRU隊列用于交換不使用的節(jié)點數(shù)據(jù)。對于那些被修改的節(jié)點數(shù)據(jù),需要重寫回到硬盤上,而那些未發(fā)生變化的節(jié)點數(shù)據(jù)則直接刪除。由于數(shù)據(jù)操作具有一定的連貫性,在訪問某一節(jié)點時會根據(jù)相鄰原則先預(yù)提取一些節(jié)點數(shù)據(jù)(例如待處理點的父節(jié)點、子節(jié)點和兄弟節(jié)點),這樣就使得在下一步數(shù)據(jù)操作中可以直接訪問這些節(jié)點,而不用從外存中讀取數(shù)據(jù),從而提高了數(shù)據(jù)的訪問速度。為了有效隱藏外存訪問延遲,可利用多線程技術(shù)為節(jié)點數(shù)據(jù)的預(yù)提取操作建立一個獨立的線程,使得預(yù)提取操作能與內(nèi)核處理同時進行,從而進一步加快了數(shù)據(jù)訪問速度。關(guān)于節(jié)點數(shù)據(jù)的外存文件存儲,可將其存儲到多個文件中,每個文件由固定尺寸的數(shù)據(jù)塊組成,不同文件存儲不同大小的塊,塊的大小以2的階次方增加。具體做法如下:

        首先根據(jù)節(jié)點數(shù)據(jù)的大小依式(1)得到文件編號fn;

        然后將該節(jié)點數(shù)據(jù)存入到此文件中,并確定其所處的數(shù)據(jù)塊位置編號。

        使用這一方法可以減少數(shù)據(jù)訪問時間。這是因為在訪問節(jié)點時由于文件fn是由若干個大小為2 fn的數(shù)據(jù)塊組成,每個數(shù)據(jù)塊只需要一次查詢操作便能直接獲得(如圖5所示)。

        圖5 基于塊的點云數(shù)據(jù)存儲方式

        2.2 動態(tài)調(diào)度與繪制機制

        圖7 外存場景交互繪制框架

        對于點云數(shù)據(jù)量處于百萬級到千萬級甚至更高級的點云數(shù)據(jù),基于計算機內(nèi)存以及渲染限制,為了實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實時動態(tài)調(diào)度,通過動態(tài)調(diào)度引擎[2],采用前向投影(Forward Mapping algorithm)算法,根據(jù)觀察視點進行八叉樹節(jié)點的動態(tài)調(diào)度以實現(xiàn)點云的LOD瀏覽。海量點云動態(tài)調(diào)度示意圖如圖6所示。

        結(jié)合視點相關(guān)的層次細節(jié)、可見性剔除和外存繪制技術(shù),采用一種大規(guī)模外存場景的交互繪制算法,算法的框架如圖7所示。首先對場景進行空間分割,將場景表示為一個場景圖;然后采用連續(xù)分層層次細節(jié)模型(Continuous Hierarchical Level Of Detail,CHLOD)進行組織,場景圖層次在繪制時保留在內(nèi)存中,而場景CHLOD模型存儲在外存;同時將視點空間劃分為多個視點單元,并為每個視點單元計算恰好滿足單元內(nèi)任意視點屏幕像素誤差的場景圖節(jié)點列表,稱為cell-front。在實時繪制時,對當(dāng)前視點單元的cell-front進行層次可見性剔除,并對可見節(jié)點的CHLOD模型進行視點相關(guān)的局部細化。為了減少磁盤訪問造成的延遲,采用多線程技術(shù),利用相鄰視點單元之間cell-front的變化設(shè)計有效的預(yù)取機制,從而使CPU、GPU和IPO三者的效率能夠得到充分發(fā)揮。

        2.3 鄰域查詢

        對于點云的臨近點查詢、鄰域選?。?]等操作,采用二級K-D樹來對一級八叉樹索引中的葉節(jié)點建立高效快速的鄰近點查詢索引。由于一級八叉樹中的葉節(jié)點包含點云數(shù)目較小,能夠快速高效的動態(tài)建立更為精細的K-D索引,以充分支持點云的濾波、分割、建模等點云數(shù)據(jù)后處理操作?;诎瞬鏄浜蚄-D樹相結(jié)合的二級索引機制如圖8所示。

        圖8 結(jié)合八叉樹和K-D樹的二級索引機制

        對于八叉樹中葉節(jié)點中,為了實現(xiàn)單點的K鄰域查詢以便于后期的濾波、簡化、特征提取等操作,由于葉節(jié)點中的數(shù)據(jù)量較小,可以采用K-D樹構(gòu)建查詢索引并設(shè)計包含該索引的點云數(shù)據(jù)共享格式。K-D樹是二叉檢索樹的擴展,樹的每一層將空間分層兩個。樹的頂層節(jié)點按一維進行劃分,下一層節(jié)點按另一維進行劃分,以此類推。K-D樹劃分通常用來查找高維空間距離相近的向量,是一種便于空間中點搜索的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。首先按X軸尋找分割線,即計算所有點的x值的平均值,以最接近這個平均值的點的x值將空間分成兩部分;然后在分成的子空間中按Y軸尋找分割線,將其各分成兩部分;分割好的子空間在按X軸分割,依此類推;最后直到分割的區(qū)域內(nèi)最后一個點。這樣的分割過程就對應(yīng)于一個二叉樹。二叉樹的分支節(jié)點就對應(yīng)于一條分割線,而二叉樹的每個葉節(jié)點就對應(yīng)一個點。這樣,點的拓撲關(guān)系就建立了。

        3 結(jié)語

        本文采用了一種基于八叉數(shù)的點云管理方法。該方法借助八叉樹細粒度地劃分點云的三維空間,避免了海量點云的逐點插入操作,顯著提升索引效率。保證了深度平衡的樹狀結(jié)構(gòu),實現(xiàn)良好的空間查詢效率。通過研究點云數(shù)據(jù)動態(tài)更新、索引數(shù)據(jù)的存儲、動態(tài)調(diào)度與繪制、領(lǐng)域的查詢等技術(shù),形成了一套高效快速的海量點云數(shù)據(jù)管理方法。本文研究不僅為大規(guī)模點云數(shù)據(jù)提供管理支持,而且還可為點云后處理如點云壓縮、自動構(gòu)網(wǎng)提供支持。

        [1]徐源強,高井祥,王堅.三維激光掃描技術(shù)[J].測繪信息與工程,2010(4):9-10.

        [2]孟放.大型三維點云數(shù)據(jù)的交互繪制研究[D].北京:北京大學(xué),2005.

        [3]周儒榮,張麗艷,蘇旭.海量散亂點的曲面重建算法研究[J].軟件學(xué)報,2001(2):91-97.

        猜你喜歡
        八叉樹格網(wǎng)視點
        三維十字鏈表八叉樹的高效檢索實現(xiàn)
        實時電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)精度評估
        視點
        河南電力(2016年5期)2016-02-06 02:11:24
        基于空間信息格網(wǎng)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)損快速評估系統(tǒng)
        讓你每天一元錢,物超所值——《今日視點—2014精萃》序
        新聞前哨(2015年2期)2015-03-11 19:29:22
        兩會視點
        中國水利(2015年5期)2015-02-28 15:12:40
        平均Helmert空間重力異常格網(wǎng)構(gòu)制方法
        基于位置服務(wù)的地理格網(wǎng)編碼設(shè)計
        測繪通報(2013年2期)2013-12-11 07:27:50
        散亂點云線性八叉樹結(jié)構(gòu)在GPU中的實現(xiàn)
        基于密集型區(qū)域的八叉樹劃分算法
        科技傳播(2012年2期)2012-06-13 10:03:26
        少妇人妻在线视频| 风韵丰满熟妇啪啪区99杏| 国产精品久久久久久| 风间由美性色一区二区三区 | 在线视频播放观看免费| 一本一道久久精品综合| 99久久久国产精品免费蜜臀| 精品久久久久久久久午夜福利| 亚洲欧美日韩一区在线观看 | 国产一区二区三区精品免费av| 伊在人天堂亚洲香蕉精品区| 亚洲第一看片| 日本精品一区二区三区在线播放| av影院手机在线观看| 凹凸在线无码免费视频| 色综合88| 一区二区三区少妇熟女高潮| 精品国产一区二区三区三| 熟女少妇在线视频播放| 免费无遮挡无码视频在线观看| 国产精品久久久看三级| 无码熟妇人妻av在线网站| 日产国产精品亚洲系列| 亚洲人成18禁网站| 日本岛国一区二区三区四区| av无码国产在线看免费网站| 曰本女人与公拘交酡免费视频| 中文字幕亚洲精品人妻| av黄色在线免费观看| 区二区三区玖玖玖| 久久狠狠高潮亚洲精品暴力打| 国产毛片精品一区二区色| 丰满少妇被猛烈进入高清播放| 丰满老熟妇好大bbbbb| 久久精品无码一区二区三区免费| 中文字幕福利视频| 亚洲中国美女精品久久久| 国产成人久久精品一区二区三区| 国产午夜福利在线播放| 国产激情无码Av毛片久久| 精品人妻少妇丰满久久久免|