一种基于点云优化与逆向工程建模的有限元遗址保护方法

技术领域

本发明涉及文物保护技术领域，具体涉及一种基于点云优化与逆向工程建模的有限元遗址保护方法。

背景技术

近年来，三维激光扫描仪具有在工作时不接触目标物体就能获取数据的优势，被应用到文物保护的研究领域，其利用高速激光快速扫描要保护的文物的表面，扫描后可以记录目标物体表面的数据点，而采用这种方式获得的三维数据通常被叫做点云数据，使用三维点云数据为基础，可以得到目标物体的三维实体模型，但是三维激光扫描仪在实际应用中仍然存在以下两个问题：(1)扫描仪为了追求精度，本身在扫描目标物体时会记录大量并且稠密的点云数据；(2)扫描过程中可能会导致采集到的点云数据在部分区域分布不均匀，也可能会采集到无用的点云数据，存在很多冗余数据，这会给后续的实验带来很多不必要的计算量。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种基于点云优化与逆向工程建模的有限元遗址保护方法，在进行模型构建前对获取到的文化遗址的点云数据进行预处理之后再构建模型，然后通过有限元模进行该模型的物理因素分析，最后根据分析结果提出科学保护遗址的措施。具体方案为：

一种基于点云优化与逆向工程建模的有限元遗址保护方法，所述保护方法包括以下步骤：

步骤一、获取目标遗址的三维点云数据；

步骤二、根据获取的所述三维点云数据构建三维曲面模型，对所述三维曲面模型与点云数据进行比对，并根据比对结果选择是否对所述三维点云数据进行优化，对所述三维点云数据进行精简和去噪处理；

步骤三，根据优化后的所述三维点云数据重建三维曲面模型；

步骤四，对重建后的三维曲面模型进行有限元分析，确定目标遗址的保护策略。

优选的，步骤二和步骤三中的曲面模型均通过泊松方程构建。

优选的，所述泊松方程构建曲面模型的过程为：

给定三维空间R

①将点云数据按照空间位置进行八叉树分隔，

定义三维点云数据的点集为S，八叉树结构的节点集为O，树的最大深度为D，S中的每个点都落在深度为D的叶子节点内，对每一个单位化的基函数F：R

式中o.c表示为节点o的中心，o.w表示为节点o的宽度；

②定义向量场

对每个节点的八个邻接节点进行线性插值操作，向量场近似表示为式(2)：

上式中s.p表示点s的位置信息，Ngbr

③求解方程χ∈F

最后，从指示函数中提取出等值面，得到三维曲面模型。

优选的，所述三维点云数据的优化方式包括数据去噪和/或数据精简；

所述数据去噪采用半径滤波算法；

所述数据精简采用曲率精简算法。

优选的，所述半径滤波算法的步骤为：

首先，输入待去噪数据；

然后，设置数据去噪处理的圆半径以及圆内点数量的阈值；

最后，通过设置不同的阈值，观察不同阈值下的过滤效果，选取数据过滤最优的阈值参数进行数据去噪。

优选的，使用visualization将步骤二中重建后的曲面与原始点云显示在同一个窗口内进行对比。

优选的，采用Geomagic studio对步骤三中重新构建好的曲面模型优化处理。

优选的，所述Geomagic studio的优化步骤为：

首先，根据重新构建的曲面模型的边缘特征绘制轮廓线划分曲面；

然后，对模型表面进行栅格化处理；

最后，重新拟合曲面，生成可供有限元分析的实体模型导出并保存。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

1.本发明提出对三维激光扫描获得的点云数据进行预处理，通过点云分割去除与目标遗址无关的无效点云，再使用半径滤波算法对点云数据去噪，使用曲率精简算法可以精简整体点云的数量，能够有效减少稠密点云构建曲面的所需要的时间，避免由于遗址模型的点云数据比较复杂、扫描仪获取的点云数据冗余较多，导致后续曲面重建的计算量增大的问题；

2.本发明提出对重建后曲面的质量与点云数据进行对比，可以选择继续去噪和精简点云，可以很好的结合点云数据携带的特征信息针对性的优化点云模型，进一步降低泊松曲面重建的计算量，使得目标遗址从点云数据最后优化为可供有限元分析的实体模型过程中所需的时间减少。

3.本发明能够实际将现实中存在的目标遗址数字化存储在计算机中，并且能够保存遗址的特征信息，克服传统保护方案容易破坏遗址原本结构的缺点，完全数字化进行分析，是一种完全低成本的分析方法，能够有效降低人力资源的浪费，同时使用数字化的方式去评估所有预防性保护方案的有效性，为遗址预防性保护领域提供更多的行之有效的科学方法。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中泊松曲面重建的流程图；

图3为本发明中原始点云和初步构建曲面的对比图；

图4为本发明实施例中点云精简和滤波前后的效果图；

图5为本发明实施例中点云和重构曲面的对比图；

图6为本发明实施例中有限元分析的实体模型；

图7为本发明实施例中添加载荷分析后的结果效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于点云优化与逆向工程建模的有限元遗址保护方法，所述保护方法包括以下步骤：

步骤一、获取目标遗址的三维点云数据；

步骤二、根据获取的所述三维点云数据构建三维曲面模型，对所述三维曲面模型与点云数据进行比对，并根据比对结果选择是否对所述三维点云数据进行优化，对所述三维点云数据进行精简和去噪处理；

步骤三，根据优化后的所述三维点云数据重建三维曲面模型；

步骤四，对重建后的三维曲面模型进行有限元分析，确定目标遗址的保护策略。

进一步的，步骤二和步骤三中的曲面模型均通过泊松方程构建。

进一步的，所述泊松方程构建曲面模型的过程为：

①将点云数据按照空间位置进行八叉树分隔；

定义点云数据的点集为S，八叉树结构的节点集为O，树的最大深度为D，S中的每个点都落在深度为D的叶子节点内，对每一个单位化的基函数F：R

其中R为单位化一维基向量，对于任一节点o∈O，节点函数F

式中o.c表示为节点o的中心，o.w表示为节点o的宽度；

②定义向量场

对每个节点的八个邻接节点进行线性插值操作，向量场近似表示为式(2)：

上式中s.p表示点s的位置信息，Ngbr

③求解方程χ∈F

最后，从指示函数χ中提取出等值面，得到三维曲面模型。

进一步的，在步骤二中，所述三维点云数据的优化方式包括数据去噪和/或数据精简；

所述数据去噪采用半径滤波算法；

所述数据精简采用曲率精简算法。

进一步的，所述半径滤波算法的步骤为：

首先，输入待去噪数据；

然后，设置数据去噪处理的圆半径以及圆内点数量的阈值；

最后，通过设置不同的阈值，观察不同阈值下的过滤效果，选取数据过滤最优的阈值参数进行数据去噪。

进一步的，使用visualization将步骤二中重建后的曲面与原始点云显示在同一个窗口内进行对比。

进一步的，采用Geomagic studio对步骤三中重新构建好的曲面模型优化处理。

进一步的，所述Geomagic studio的优化步骤为：

首先，根据重新构建的曲面模型的边缘特征绘制轮廓线划分曲面；

然后，对模型表面进行栅格化处理；

最后，重新拟合曲面，生成可供有限元分析的实体模型导出并保存。

需要说明的是：

泊松方程重建曲面是一个复杂的过程，首先将点云数据分割八叉树，计算其向量场，求解泊松方程，最后提取等值面生成曲面模型，其中八叉树是一种树形的结构，每个节点，都有八个子节点，对空间进行八叉树划分，将点云加入到八叉树中。

首先将遗址点云模型加入到空间划分后的八叉树当中；

再选择基函数，将其表示为每个节点的线性和；

然后计算点云数据的向量空间得到每个点所对应的法向量，使遗址点云数据结合其法向量变为一个有向点集，此时有向点集的梯度是相同的，引入拉普拉斯散度算子求解泊松方程，模型表面的指示函数可以看作是一个常数，指示函数的梯度在除了模型表面附近点之外都是零，最后可以根据梯度数值的变化得到等值面，将遗址从点云数据重建为曲面模型，具体为：

首先，将点云数据分割八叉树，具体为：

定义点集S，八叉树O，树的最大深度为D，S中的每个点都落在深度为D的叶子节点内。对每一个单位化的基函数F：R

式中o.c表示为节点o的中心，o.w表示为节点o的宽度；

其次，定义向量场

为了确保计算的准确，需要对每个节点的八个邻接节点进行线性插值操作，向量场可以近似表示为式(2)：

上式中Ngbr

然后，求解方程χ∈F

最后，从指示函数中提取出等值面，得到重建后的曲面模型。

本申请在重构曲面之前，通过对获取到的目标物体的点云数据与原始模型进行对比，根据对比结果自主选择点云数据是否优化，能够一直选择优化后的点云进行曲面重建，直到曲面质量达到使用标准时停止优化；

通过对获取到的目标物体点云数据进行优化处预处理，剔除点云模型中的离群点，删除与曲面重建无关的冗余点数据，使用曲率精简算法能够更加准确地保留模型的特征，提高模型的重建精度；

本申请采用八叉树的结构存储点云数据，能够更加准确的计算八个邻接节点的向量场，求解泊松方程后能够从指示函数中提取出等值面，拟合出效果更好的曲面模型，

本申请采用泊松方程方法构建模型的意义在于，泊松方程方法重建后的曲面是封闭的，能够表示出遗址整体的结构特征，封闭的曲面更有利于后续优化为实体模型的过程，能够为后续模型处理降低计算量；

本申请中采用半径滤波和曲率精简算法优化点云数据，能够解决激光扫描仪获取到点云数据所带来的缺点，半径滤波能够设置半径阈值去除与遗址本体关联性不够强的离群点，增强主题模型点云数据的有效性，曲率精简算法能够根据点云数据的曲率精简模型，曲率变化越大的部位对应的特征信息越多，保留越多的点云数据能够丰富后续曲面模型的特征，

半径滤波算法的具体操作是先输入需要处理的数据集合，再根据处理数据的实际情况设置适宜的圆半径以及圆内点数量的阈值，通过设置不同的阈值，观察不同阈值下的过滤效果，以此选定效果比较好的方法，该方法的基本思想是假定原始点云中每个点在指定的半径邻域中至少包含一定数量的近邻点，原始点云中符合假设条件的点被视为正常点进行保留，反之，则视为噪声点并进行去除；该方法对原始激光点云中存在的一些悬空的孤立点或无效点具有很好的去除效果。

其中，曲率精简算法是以目标数据点的曲率为精简标准，对原始点云数据进行精简的一种点云优化算法，由于模型特征明显的区域往往存在很多细节，曲率变化也非常明显，因此该区域保留更多的数据意味着对模型特征保存的比较完好。相反模型平滑的区域所包含的信息量比较少，曲率变化不明显，在这些区域矛盾较少的点对于模型整体特征影响不大。使用曲率精简算法能够更加准确地保留模型的特征，提高模型的重建精度。

使用Geomagic studio能够优化泊松曲面重建后的模型，能够将曲面模型分割为单独的面片，独立的进行栅格化处理，生成可用于有限元分析的实体模型；

在本申请，对实体模型进行载荷分析的过程为：将实体模型导入ANSYS有限元分析软件中，添加静态力学计算单元，在模型上加入加速度载荷，导入国际通用的EI-Centro波水平方向加速度数据模拟地震发生时的状况，将连续的实体模型划分为和原始模型有相同性能的有限个数的单元组合体，各单元在顶点处以节点的方式连接在一起，形成划分后的网格。之后分别对各单元进行形状、结构、材料和荷载情况的计算及分析，最终将各单元计算结果进行整合分析得到应力、应变、位移、等模拟结果，得到计算结果云图。

本申请使用有限元分析软件ANSYS能够完整展示建筑实体的整体结构，并且分析处实体遗址中稳定性薄弱部位，根据分析结果分析应该使用何种加固方式提高遗址的稳定性，为后续实际施工提供科学依据，减少施工成本。

下面通过一个具体的实施例对本申请进行具体说明，在该实施例中，目标遗址为一个墓冢遗址，所述墓冢遗址保护方法包括以下步骤：

步骤一、采用三维激光扫描仪采集所述墓冢遗址的点云数据；其中激光扫描仪采集到的数据具有特定的格式，根据墓冢遗址在三维空间中的位置保存数据，使用代码读取到包括*.txt、*.pcd、*.ply等格式的点云数据，读取三元组(p.x,p.y,p.z)中的数据表示点云PointXYZ在三维空间中的数据信息；

步骤二、将读取到的点云数据的三维格式信息利用visualization类进行可视化显示。

步骤三、采用泊松方程根据获取的点云数据所携带的信息估计点云模型表面的指示函数和提取等值面，使得点集构建成为一个由三角面片组成的曲面模型；然后使用visualization类将采集到的原始的点云数据和构建的曲面显示在同一个窗口内进行对比，如附图3所示为本实施例中原始点云和初步构建曲面的对比图，由附图3可得出，原始点云数据中空间点数量较多，使用泊松曲面重建能够表现出物体的表面结构。

步骤四、根据步骤三中的对比结果选择是否对获取的点云数据进行优化处理，如果判断结果为“是”则对获取的点云数据进行优化处理，直到优化之后的结果选择为“否”；其优化过程为，使用半径滤波对点云去噪，删除冗余的点云数据，结合曲率精简算法精简点云数据中点的个数，降低优化后曲面重建的计算量；如附图4为本实施例中点云精简和滤波前后的效果图，由图4可看出原始点云的点密度远高于处理后的点云，由于所采用的是曲率精简算法，能够保存原始点云的曲面特征，降低点云精简对后续曲面重建效果的影响。

步骤五、重新构建步骤四中选择结果为“否”的点云数据的曲面模型，附图5所示的为本实施例中点云和重构曲面的对比图，由图5可看出，精简后点云最大化保存了物体的表面结构，降低了整体点云数据的密度，能够提升曲面重建的速率，减少花费的时间；半径滤波去除了原始点云数据中的离群点，使得重建后的曲面更加光滑。

步骤六、将重新构建的三维重建曲面数据后的曲面模型导入Geomagic studio中进行优化，根据模型的边缘特征绘制轮廓线划分曲面，将遗址模型的每个曲面分割处理，然后对模型表面进行栅格化处理，最后重新拟合曲面生成如附图6所示可供有限元分析的墓冢遗址的实体模型导出并保存；

步骤七、将墓冢遗址的实体模型导入ANSYS有限元分析软件中，添加静态力学计算单元，在模型上加入加速度载荷，导入国际通用的EI-Centro波水平方向加速度数据模拟地震发生时的状况，判断构建的目标实体模型的稳定性是否达标；对模型进行网格划分，根据网格数据计算地震时模型各个部位发生的定向形变和受到的应力变化，得到计算结果云图。根据计算云图分析出所述墓冢遗址中稳定性薄弱部位，根据分析结果分析应该使用何种加固方式提高遗址的稳定性，为后续实际施工提供科学依据，减少施工成本。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。