基于分布式并行的大規(guī)模點云復雜空間曲面重構方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于分布式并行的大規(guī)模點云復雜空間曲面重構方法。其包括以下步驟：主控PC讀入初始細節(jié)、劃分子塊，將點云數(shù)據放入子塊，將子塊分發(fā)給節(jié)點PC預處理，子塊網格化、將點云數(shù)據放入網格，構建平面三角網，構建平面約束三角網，構建空間三角網并塊內平滑，全局平滑并主控PC顯示重構曲面。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用并行方案為大規(guī)模點云數(shù)據重建曲面提供了足夠的內存空間，減少了曲面構建過程中數(shù)據所占用的內存空間與平面Delauany三角網的構建時間，大大提高曲面構建的效率。
【專利說明】基于分布式并行的大規(guī)模點云復雜空間曲面重構方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于空間曲面重構方法【技術領域】，尤其涉及一種基于分布式并行的大規(guī)模點云復雜空間曲面重構方法。

【背景技術】
[0002]空間點的曲面重構是三維地質建模中的一個組成部分，是運用計算機技術，進行曲面重建，其本質是利用三維空間中的離散點按一定順序連接成曲面的問題?；邳c的點云處理技術是隨著數(shù)據測量技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門學科，該項技術以點作為重建物體的基礎，在提高物體繪制與重建的速度，加強大規(guī)模數(shù)據處理能力和計算機處理量等方面具有巨大的優(yōu)勢，是逆向工程研究的一個熱點，目前隨著社會對石油，天然氣等資源的需求的不斷增大，石油行業(yè)得到了高度的重視和迅速的發(fā)展，并且對石油和天然氣的地質勘探的要求也越來越高。隨著石油勘探與開發(fā)力度的逐步擴大，勘探工區(qū)規(guī)模不斷增長，需要處理的點云數(shù)據量相應的也越來越大(特別在盆地級的工區(qū)中)，使用單個處理器串行處理的方式已經越來越不能滿足對海量點云數(shù)據的處理。因而本方案提出使用分布式并行處理的方式處理點云數(shù)據，以達到擴大點云數(shù)據的處理規(guī)模，減少運行時間，提高計算性能的目的。按照實現(xiàn)曲面重建的方法的不同，現(xiàn)有的空間地質曲面重建技術可以分為下面幾類:(1)參數(shù)曲面重建是一種常見的參數(shù)曲面技術，主要包括插值和擬合的曲面處理方法。曲面插值是嚴格通過給定的數(shù)據點來構造曲面，并根據原始數(shù)據點值來插補空白區(qū)的值，這類方法不改變原始數(shù)據點值。而曲面擬合則是利用相對簡單的數(shù)學曲面來近似構造復雜的地學曲面，根據一定的數(shù)學準則，使所給出的數(shù)學曲面最大限度地逼近地質曲面或者構建一個面通過這些原始點。主要的曲面插值方法有按近點距離加權平均法、按方位取點加權法、反比距離加權法、雙線性插值法、Kriging插值法以及最新的離散光滑插值技術。而曲面擬合方法主要有雙三次樣條函數(shù)插值法、曲面樣條函數(shù)插值法和曲面磨光插值法等。同時還包括一些其他的參數(shù)曲面方法，例如Loop細分曲面與蝶形細分曲面方法等；
(2)網格曲面重建又叫分片線性曲面重建，它的原理是用許多的非常細小的三角形面片來無限逼近需要重構的曲面，而三角形網格曲面對于計算機三維可視化更容易，所以現(xiàn)在很多的處理數(shù)據的形式都是三角形。目前，最為常見的網格曲面重建方式為Delaunay三角網與VOTonoi圖的構建。這些方法都能按照地質信息較大程度的還原地質曲面。(3)隱式曲面重建是將需要重建的曲面用隱式函數(shù)的方式來表達。用隱函數(shù)可以非常容易的表示多值曲線曲面的封閉曲線曲面，因此隱式曲面重建曲面的方法漸漸的成為了人們的研究熱點，并且已經取的了比較大的成效。隱式曲面在近年來越來越多的受到國際學者的重視，成為一種重要的曲面表示方法。其在構造拓撲結構復雜的曲面重建問題中具有不可替代的優(yōu)勢。然而由于地質曲面多約束的復雜性，隱式曲面在地質中的應用并不廣泛。分布式計算是利用互聯(lián)網上的計算機的CPU的閑置處理能力來解決大型計算問題的一種計算科學，它把需要進行大量計算的工程數(shù)據分隔成小塊，由多臺計算機分布計算，最后把這些計算結果綜合起來。分布式計算能夠在兩個或多個軟件中實現(xiàn)互相共享信息，而這些軟件既可以運行在同一臺計算機上，也可以通過網絡在多臺計算機上運行。分布式計算技術利用網絡中的多臺計算機協(xié)同工作，能夠提供高性能的計算能力，可以解決大規(guī)模的計算和存儲問題。在網絡的任何一個節(jié)點，都可以獲取到這種能力。隨著人類社會對石油，天然氣等自然資源的需求不斷持續(xù)性增大，石油工業(yè)得到了國家高度的重視和高速的發(fā)展。為了能更多的獲取地下埋藏的油氣資源，就需要石油化工企業(yè)擁有更為精確的地質勘探方法。這些地質勘探方法的重點是弄清楚地下的各種地質構造，同時利用計算機技術輔助進行支持。于是，利用計算機圖形學技術還原地下地質構造的各種技術也應運而生，并且成為了近些年來的一個研究重點。但在現(xiàn)有的點云處理系統(tǒng)中，往往存在交互定義多，對輸入數(shù)據有嚴格限制等不足，同時，對大規(guī)模點云數(shù)據處理亦存在運行時間過長，點云數(shù)據規(guī)模有一定限制等問題。


【發(fā)明內容】

[0003]為了解決以上問題，本發(fā)明提出了一種基于分布式并行的大規(guī)模點云復雜空間曲面重構方法。
[0004]為了方便描述本發(fā)明的內容，首先對以下術語進行解釋:
[0005]術語1:層位:是指在地層層序中的某一特定位置，地層的層位可以是地層單位的界線，也可以是屬于某一特定時代的標志層等。
[0006]術語2:斷層:地殼巖層因受力達到一定強度而發(fā)生破裂，并沿破裂面有明顯相對移動的構造稱斷層。
[0007]本發(fā)明的技術方案是:一種基于分布式并行的大規(guī)模點云復雜空間曲面重構方法，包括以下步驟:
[0008]S1.通過主控PC讀入層位點云數(shù)據和斷層多邊形數(shù)據，并將重建曲面區(qū)域劃分為多個大小相同的子塊；
[0009]S2.根據點云數(shù)據坐標將點云數(shù)據放入對應子塊中，求取斷層多邊形與子塊邊界的交點，并將交點放入與子塊相鄰的兩個子塊中；
[0010]S3.將步驟S2中的對應子塊分發(fā)到節(jié)點PC，并通過節(jié)點PC對子塊中的點云數(shù)據進行預處理；
[0011]S4.根據子塊中點云數(shù)據和斷層多邊形數(shù)據的分布，對子塊進行網格化，并將點云數(shù)據放入相應網格內；
[0012]S5.求取每個子塊中斷層多邊形數(shù)據與網格邊界的交點，并將交點作為新的點云數(shù)據放入相應網格內，作為約束邊界；
[0013]S6.根據每個網格內的點云數(shù)據，構建平面Delauany三角網；
[0014]S7.根據步驟S5中的約束邊界，在每個子塊內將步驟S6中的平面Delauany三角網連接為平面約束Delauany三角網；
[0015]S8.根據步驟S7中的平面約束Delauany三角網連接空間Delauany三角網拓撲，并進行塊內平滑處理；
[0016]S9.通過主控PC與節(jié)點PC協(xié)調通信，對步驟S8中的空間Delauany三角網進行全局平滑處理，并由主控PC進行重構曲面顯示。
[0017]進一步地，上述步驟S8中的塊內平滑處理具體為:根據步驟SI中讀入的點云數(shù)據的空間Z值，對所有點云數(shù)據的空間Z值賦予一個初值。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用并行方案為大規(guī)模點云數(shù)據重建曲面提供了足夠的內存空間，并利用多分辨重建方法，減少了曲面構建過程中數(shù)據所占用的內存空間與平面Delauany三角網的構建時間，大大提高曲面構建的效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的基于分布式并行的大規(guī)模點云復雜空間曲面重構方法流程示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明的多分辨重構方法示意圖。
[0021]圖3是本發(fā)明的多分辨重構方法示意圖。
[0022]圖4是本發(fā)明的多分辨重構方法示意圖。
[0023]圖5是本發(fā)明的并行方案網絡拓撲圖。

【具體實施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0025]如圖1所示，為本發(fā)明的基于分布式并行的大規(guī)模點云復雜空間曲面重構方法流程示意圖。通過主控PC與節(jié)點PC的協(xié)調合作，不僅滿足了大規(guī)模點云數(shù)據構建曲面所需內存，且大大提高了復雜空間曲面的重建效率。一種基于分布式并行的大規(guī)模點云復雜空間曲面重構方法，包括以下步驟:
[0026]S1.通過主控PC讀入層位點云數(shù)據和斷層多邊形數(shù)據，并將重建曲面區(qū)域劃分為多個大小相同的子塊。
[0027]這里用戶將點云數(shù)據和斷層多邊形數(shù)據傳入主控PC，并由主控PC負責對重建曲面區(qū)域劃分子塊。
[0028]S2.根據點云數(shù)據坐標將點云數(shù)據放入對應子塊中，求取斷層多邊形與子塊邊界的交點，并將交點放入與子塊相鄰的兩個子塊中。
[0029]這里我們將大規(guī)模點云數(shù)據的曲面重建簡化為各子塊中點云數(shù)據的曲面重建。
[0030]S3.將步驟S2中的對應子塊分發(fā)到節(jié)點PC，并通過節(jié)點PC對子塊中的點云數(shù)據進行預處理。
[0031]S4.根據子塊中點云數(shù)據和斷層多邊形數(shù)據的分布，對子塊進行網格化，并將點云數(shù)據放入相應網格內。
[0032]這里我們通過對子塊進行網格化，減少了曲面變換較為平緩的區(qū)域的數(shù)據量，保留了曲面變化較為崎嶇的區(qū)域的特征，提高了曲面重建的效率。
[0033]S5.求取每個子塊中斷層多邊形數(shù)據與網格邊界的交點，并將交點作為新的點云數(shù)據放入相應網格內，作為約束邊界。
[0034]S6.根據每個網格內的點云數(shù)據，構建平面Delauany三角網。
[0035]這里我們采用分割歸并算法，遞歸的將整個點集進行分割，直到每一個子集僅有三個點而自然的形成了一個三角形，然后再將這些細小的三角形單元逐一的進行合并，完成平面Delauany三角網的構建。
[0036]S7.根據步驟S5中的約束邊界，在每個子塊內將步驟S6中的平面Delauany三角網連接為平面約束Delauany三角網。
[0037]本發(fā)明采用多分辨重建方法簡化復雜曲面重建的部分運算，具體包括以下步驟:
[0038]步驟1.如圖2所示，主控PC將劃分好的塊數(shù)據與點云數(shù)據分發(fā)到節(jié)點PC中，節(jié)點PC根據點云數(shù)據的密集程度，確定當前塊的分辨率，并將塊網格化；
[0039]步驟2.如圖3所示，在各個塊網格化完成后，相鄰的塊通過主控PC對塊邊界的點數(shù)據進行交互，將相鄰塊中當前塊所沒有的邊界點數(shù)據放入當前塊中相應的網格中，并在在構建平面Delauany三角網時加入構建；
[0040]步驟3.如圖4所示，在各個塊內部平面Delauany三角網構建完成后，為使地形變化較為復雜的區(qū)域漸變過渡到地形變化較為平緩的區(qū)域，對相鄰兩個分辨率不同的塊，分辨率較小的塊的邊界Delauany三角形進行細分處理。
[0041]S8.根據步驟S7中的平面約束Delauany三角網連接空間Delauany三角網拓撲，并進行塊內平滑處理。
[0042]這里的塊內平滑處理具體為:根據步驟SI中讀入的點云數(shù)據的空間Z值，對所有點云數(shù)據的空間Z值賦予一個初值。
[0043]S9.通過主控PC與節(jié)點PC協(xié)調通信，對步驟S8中的空間Delauany三角網進行全局平滑處理，并由主控PC進行重構曲面顯示。
[0044]如圖5所示，為本發(fā)明的并行方案網絡拓撲圖。在大規(guī)模點云數(shù)據復雜曲面重建的并行實現(xiàn)流程中，用戶將點云數(shù)據傳入主控PC后，主控PC負責子塊劃分、數(shù)據分發(fā)、協(xié)調通信；而復雜運算，如=Delauany三角網構建、拓撲關系連接及塊內插值平滑等都由節(jié)點PC并行進行，同時，Delauany三角網的邊數(shù)據與三角形數(shù)據等主要的運算數(shù)據都在節(jié)點PC內存中，不僅滿足了大規(guī)模點云數(shù)據曲面重建的內存空間所需，而且大大減少了復雜運算所需時間，保證了重建曲面的快速顯示。
[0045]本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發(fā)明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種基于分布式并行的大規(guī)模點云復雜空間曲面重構方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.通過主控PC讀入層位點云數(shù)據和斷層多邊形數(shù)據，并將重建曲面區(qū)域劃分為多個大小相同的子塊； 52.根據點云數(shù)據坐標將點云數(shù)據放入對應子塊中，求取斷層多邊形與子塊邊界的交點，并將交點放入與子塊相鄰的兩個子塊中； 53.將步驟S2中的對應子塊分發(fā)到節(jié)點PC，并通過節(jié)點PC對子塊中的點云數(shù)據進行預處理； 54.根據子塊中點云數(shù)據和斷層多邊形數(shù)據的分布，對子塊進行網格化，并將點云數(shù)據放入相應網格內； 55.求取每個子塊中斷層多邊形數(shù)據與網格邊界的交點，并將交點作為新的點云數(shù)據放入相應網格內，作為約束邊界； 56.根據每個網格內的點云數(shù)據，構建平面Delauany三角網； 57.根據步驟S5中的約束邊界，在每個子塊內將步驟S6中的平面Delauany三角網連接為平面約束Delauany三角網； 58.根據步驟S7中的平面約束Delauany三角網連接空間Delauany三角網拓撲，并進行塊內平滑處理； 59.通過主控PC與節(jié)點PC協(xié)調通信，對步驟S8中的空間Delauany三角網進行全局平滑處理，并由主控PC進行重構曲面顯示。
2.如權利要求1所述的基于分布式并行的大規(guī)模點云復雜空間曲面重構方法，其特征在于:所述步驟S8中的塊內平滑處理具體為:根據步驟SI中讀入的點云數(shù)據的空間Z值，對所有點云數(shù)據的空間Z值賦予一個初值。
【文檔編號】G06T17/30GK104240300SQ201410439972
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權日:2014年8月29日
【發(fā)明者】姚興苗, 稅凡, 胡光岷 申請人:電子科技大學