索春寶 孫秀寧

(山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266590)

基于VTK的點(diǎn)云可視化

索春寶 孫秀寧

(山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266590)

針對.las格式的數(shù)據(jù)文件,給出了以QT為平臺,基于VTK、libLAS的點(diǎn)云可視化方法,并利用該方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法靈活、方便,更便于對多功能交互的發(fā)掘和實(shí)現(xiàn)。

VTK 點(diǎn)云可視化 LAS數(shù)據(jù)讀取

1 引言

激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，它突破了單點(diǎn)測量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢。激光掃描技術(shù)可以快速獲取物體表面的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)場景的渲染。隨著激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，激光掃描相關(guān)理論和技術(shù)的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)問題。散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化是激光掃描技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文針對.las格式散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，結(jié)合庫的使用，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的顯示和基本的交互操作。

2 開發(fā)環(huán)境配置

本文以QT為開發(fā)工具，但QT并不能直接繪制、顯示三維坐標(biāo)點(diǎn)，故借助VTK來實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)坐標(biāo)的繪制和顯示。

2.1 VTK介紹

VTK(visualization toolkit)是由kitware團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建和擴(kuò)展的，開源的、可跨平臺的可視化工具包，主要用于三維計(jì)算機(jī)圖形、圖像處理和可視化。VTK是在面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，采用c++構(gòu)建核心內(nèi)容。另外VTK能夠進(jìn)行自動(dòng)語言轉(zhuǎn)換，故可同時(shí)支持Tcl/Tk，Java和Python等多種語言。VTK作為可視化工具包使可視化應(yīng)用更加普及，為人們提供了一種較簡便、通用的可視化方式。它擁有豐富、多樣的可視化算法：標(biāo)量、矢量、張量、紋理和體積的可視化方法，和先進(jìn)的建模技術(shù)：隱式建模，減少多邊形，網(wǎng)格平滑，切割，描繪輪廓和Delaunay三角網(wǎng)等。除了可視化功能以外，VTK還擁有一套三維交互控件，涵蓋了基本的點(diǎn)云顯示時(shí)所需的人機(jī)交互操作，且可以進(jìn)行交互操作的自定義。

2.2 linux下VTK庫的配置

VTK官方網(wǎng)站http：//www.vtk.org/為我們提供了source文件，首先利用Cmake對source文件進(jìn)行編譯，然后在平臺下進(jìn)行創(chuàng)建。

完成VTK的安裝后，還需要在QT中進(jìn)行配置：主要是路徑的包含和庫文件的添加：

圖1 VTK Pipeline的可視化流程

圖2.LAS數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)提取流程

3 VTK可視化管線的設(shè)計(jì)

VTK的可視化管線設(shè)計(jì)是基于管線流的設(shè)計(jì)模式，將要處理的數(shù)據(jù)作為流動(dòng)介質(zhì)在管線中流動(dòng)，不同的階段對數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理，最終完成處理數(shù)據(jù)的顯示。VTK的可視化管線設(shè)計(jì)如圖1所示[1]。

在可視化過程中，首先確定數(shù)據(jù)源(DataSource)，可以是利用vtk功能創(chuàng)建的數(shù)據(jù)源，更多的是數(shù)據(jù)文件，通過對數(shù)據(jù)文件的讀取使數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式在管線中流動(dòng)[2]；選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，使數(shù)據(jù)流到達(dá)過濾(Filter)階段對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成新的數(shù)據(jù)集；這時(shí)的數(shù)據(jù)已經(jīng)不再是離散的點(diǎn)，而是具有一定的幾何結(jié)構(gòu)，接下來是幾何數(shù)據(jù)到圖形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換階段：映射(Mapper)階段?？梢暬Ｐ蛣?chuàng)建完畢，接下來是圖形模型的建立，首先是圖形數(shù)據(jù)的承載者角色(Actor)，主要負(fù)責(zé)設(shè)置修飾效果；其次是渲染窗口(Renderer Window)的設(shè)置，主要有兩個(gè)應(yīng)用：渲染環(huán)境的設(shè)置和人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)；在一切準(zhǔn)備就緒后就可以由渲染器(Renderer)發(fā)出Render()命令，進(jìn)行渲染，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的顯示后，我們還需要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的多角度觀察，也就是交互問題。在可視化管線中vtkRenderwindowInteractor類為我們提供了簡便的實(shí)現(xiàn)交互的方式，根據(jù)需求，選擇vtkInteractor Style的子類vtkInteractorStyleTrackballCamera來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等交互操作。

VTK Pipeline采用串聯(lián)方式將實(shí)現(xiàn)不同功能的各階段連接起來，形成管線，方便數(shù)據(jù)流的流動(dòng)：上一階段的輸出作為下一階段的輸入，不斷延續(xù)下去，直到碰到Mapper或sink。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)格式多種多樣，數(shù)據(jù)量急劇增加，這對科學(xué)可視化數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)傳播提出了很大的挑戰(zhàn)[3]。

4 LAS數(shù)據(jù)讀取

LAS數(shù)據(jù)文件包含的是標(biāo)準(zhǔn)LIDAR數(shù)據(jù)格式，現(xiàn)已發(fā)展為四個(gè)版本，分別是：LAS1.0，1.1，1.2，2.0(擬定版)[4]。隨著版本的不同，其數(shù)據(jù)存儲越來越靈活，信息越來越豐富。標(biāo)準(zhǔn)的LAS數(shù)據(jù)存儲格式包含三個(gè)部分：公共文件頭區(qū)，用于記錄LAS文件的普通信息，如點(diǎn)的個(gè)數(shù)等；變長記錄區(qū)，主要包含元數(shù)據(jù)，文件采用的坐標(biāo)系等等；格式點(diǎn)集記錄區(qū)，用于記錄點(diǎn)的X、Y、Z和屬性[5]。LAS數(shù)據(jù)文件的一般數(shù)據(jù)提取流程如圖2所示。

LAS文件是二進(jìn)制格式，但由于它有自己特定的文件頭結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)組織，故需要專業(yè)軟件進(jìn)行讀取。LibLAS是針對LAS文件的讀與寫的庫，利用庫函數(shù)可以方便、快捷的進(jìn)行.las文件數(shù)據(jù)的讀取。本文針對LAS數(shù)據(jù)文件，利用libLAS庫的liblas：：Reader實(shí)現(xiàn)文件內(nèi)數(shù)據(jù)的讀取，并將數(shù)據(jù)賦值給vtkPoints，從而傳遞到vtk可視化管線中。

5 結(jié)語

VTK支持并行處理，且是開源的，具有可移植性。在實(shí)踐中，我們可以利用VTK，結(jié)合語言平臺，實(shí)現(xiàn)多種功能。例如，我們可以利用QT平臺的界面創(chuàng)建優(yōu)勢，結(jié)合VTK庫可視化管線，進(jìn)行數(shù)據(jù)成果展示，軟件開發(fā)等。VTK的開源特性方便了我們添加自己需要的功能，為新功能的發(fā)掘和實(shí)現(xiàn)提供支持。另外，我們也可以在遵循VTK本身設(shè)計(jì)模式的基礎(chǔ)上，定義新的類，嵌入其中，進(jìn)一步完善VTK。

[1]許慶功,李昌華.VTK框架結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)制的探討[J].洛陽理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,18(1)：67-70.

[2] William J. Schroeder, Lisa S. Avila, Kenneth M. Martin. The Visualization Toolkit User's Guide[M], GE Corporate Research &Development.

[3] Will Schroeder, Ken Martin, Bill Lorensen. The Visualization Toolkit[M].USA, Pearson Education,Inc.

[4]劉春,姚銀銀,吳杭彬.機(jī)載激光掃描(LIDAR)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式(LAS)的分析與數(shù)據(jù)讀取[J].遙感應(yīng)用,2009：38-42.

[5]趙自明,史兵,田喜平,趙松.LAS格式解析及其數(shù)據(jù)的讀取與顯示[J].測繪技術(shù)裝備,2010,12(3)：17-20.

索春寶(1989—),男,碩士生,主要從事視覺/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方面的研究工作。孫秀寧(1989—),女,碩士生,主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)測量數(shù)據(jù)采集與處理。

索春寶。