一种多源数据融合三维建模系统及方法与流程

本发明涉及一种多源数据融合三维建模系统及方法，属于三维数字几何重建。

背景技术：

1、当前三维数字几何重建中，常用做法是通过最小化网格能量泛函来融合多源点云数据，重构系统通常在网格形变模型中设置数据项和空间平滑项，使网格表面逐步逼近测绘得到的表面，同时尽量保持几何模型的拓扑流形结构完整和表面连续。

2、在对异型非标设备进行三维重建时，不同测绘仪器的测距原理和噪声分布并不一致，多源点云数据完成配准后，在不同数据交界的接缝位置仍可能存在几何误差，网格形变计算过程处理这类数据时，不同传感器数据对网格顶点的牵引方向可能不一致，容易使网格顶点的位移方向反复摆动，导致网格表面产生局部剪切变形，该剪切变形会沿网格连接关系向周围传递，进而影响顶点法向方向，并在相邻区域诱发接缝开裂、网格自交以及拓扑面片重叠等不连续缺陷，传统处理方式通常通过调大平滑项权重来压制局部剪切变形，或者通过增大点云采样频率来强行逼近真实边界，然而，各向同性平滑项不区分曲率方向，容易把模型中原本尖锐的拐角过度平滑，使特征边界发生法向收缩并被钝化成圆弧，增大点云密度又会提高稠密矩阵非线性迭代解算的计算负荷，并且仍难以避免异质噪声引起的非线性梯度下降步不收敛问题，在仪器视线遮挡造成点云缺失的区域，数据牵引突然失效，前沿网格顶点还容易沿缺少约束的方向发生无界偏离。

3、因此，如何在线捕捉网格演进过程中的局部网格边长畸变状态以调整多源逼近权重，并在融合各向异性曲率约束与阻尼耗散规则的前提下，重构拓扑流形自洽的三维模型，成为本发明所要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中的问题，本发明的技术方案如下：一种多源数据融合三维建模系统，包括：

2、非线性几何能量形变控制单元，构建网格能量泛函，在更新网格顶点坐标前计算网格顶点的网格边长畸变率；在网格边长畸变率超出安全边界时进入各向同性松弛模式，计算网格顶点的一阶邻域顶点的算术平均中心坐标作为临时坐标值；

3、各向异性曲率张量评估单元，在各向同性松弛模式下提取网格顶点的局部曲率特征，在最大主曲率值超过临界曲率阈值2.5时，限制网格顶点在切平面内沿着各向异性曲率张量的最小主曲率方向完成射影滑动；

4、几何先验拓扑结构填充单元，监测网格顶点的坐标迭代变化量以建立几何形变场向量，在局部区域数据置信度低于安全极限阈值0.05且几何形变场向量的方向反转时，切断对应区域网格能量泛函中的数据逼近项，控制局部区域的网格顶点依据网格曲率走向完成几何趋势填充；

5、流形网格拓扑修正单元，在网格顶点更新坐标后重新核算网格边长畸变率，在网格边长畸变率回归至安全边界内时切回数据驱动模式。

6、优选的，非线性几何能量形变控制单元中，安全边界设为0.8至1.2；在网格边长畸变率小于0.8或大于1.2时，判定网格顶点的网格形变超限，非线性几何能量形变控制单元控制网格顶点的更新机制进入各向同性松弛模式，并强行将网格能量泛函中的第一数据点云逼近权重与第二数据点云逼近权重配置为0，用以阻断异构点云数据之间的空间几何对齐残差对网格顶点坐标更新的扰动作用。

7、优选的，非线性几何能量形变控制单元中，网格能量泛函由激光点云坐标约束项、密集摄影测量点云坐标约束项以及拉普拉斯二阶微分曲率平滑项加权构建，其中各对应权重的数值分布由激光点云与密集摄影测量点云的空间置信度分布场确定。

8、优选的，多源数据融合三维建模系统还包括与各向异性曲率张量评估单元连接的局部网格细分单元；各向异性曲率张量评估单元中，在网格顶点的更新机制处于各向同性松弛模式时，各向异性曲率张量评估单元控制局部网格细分单元对网格顶点所在的超限区域完成一变四拓扑网格加密，用以提高超限区域的数字几何表征自由度，限制高曲率边缘在拉普拉斯二阶微分曲率平滑项的约束下发生收缩或塌陷畸变。

9、优选的，各向异性曲率张量评估单元中，在网格顶点的最大主曲率值超过临界曲率阈值2.5时，各向异性曲率张量评估单元限制网格顶点仅在平行于网格顶点的切平面内沿着各向异性曲率张量的最小主曲率方向完成射影滑动，用以阻断由拉普拉斯平滑均值更新导致的网格表面向内法向收缩。

10、优选的，几何先验拓扑结构填充单元中，几何先验拓扑结构填充单元在空间网格更新迭代过程中在线计算网格顶点的坐标迭代变化量，在局部区域数据置信度低于安全极限阈值0.05且几何形变场向量的方向发生反转时，控制多源数据融合三维建模系统进入网格防塌陷锁定状态，切断对应区域网格能量泛函中的数据逼近项。

11、优选的，网格防塌陷锁定状态包括：通过网格顶点更新步长衰减算子控制空缺网格区域中心顶点的更新步长随搜索深度呈对数衰减；调用邻域流形曲率的二阶差分外推算子控制目标区域的网格顶点维持几何趋势演进，顺应外围既有流形表面完成数据盲区的几何拓扑闭合，用以消除网格无边界漂移与向内塌陷畸变。

12、优选的，流形网格拓扑修正单元开展流形网格拓扑自检与修复时包括：对度数小于3的非流形网格边控制多源数据融合三维建模系统完成网格边翻转拓扑规整；对多于两个面片共享的非流形网格边控制多源数据融合三维建模系统完成几何面片剪切拆分拓扑分离。

13、优选的，一种多源数据融合三维建模系统，流形网格拓扑修正单元中，在通过每隔3次梯度迭代控制多源数据融合三维建模系统重新核算所有相连网格边的网格边长畸变率之后，若判定所有相连网格边的网格边长畸变率均回归至0.8至1.2内，流形网格拓扑修正单元控制多源数据融合三维建模系统恢复数据驱动模式下的第一数据点云逼近权重与第二数据点云逼近权重的数值分布。

14、一种多源数据融合三维建模方法，其用于运行一种多源数据融合三维建模系统，包括以下步骤：

15、步骤s1，由非线性几何能量形变控制单元构建网格能量泛函，在通过梯度下降更新网格顶点坐标前计算网格顶点的网格边长畸变率；在网格边长畸变率超出安全边界时进入各向同性松弛模式，计算网格顶点的一阶邻域顶点的算术平均中心坐标作为临时坐标值；

16、步骤s2，由各向异性曲率张量评估单元在各向同性松弛模式下提取网格顶点的局部曲率特征，在最大主曲率值超过临界曲率阈值2.5时，限制网格顶点在切平面内沿着各向异性曲率张量的最小主曲率方向完成射影滑动；

17、步骤s3，由几何先验拓扑结构填充单元监测网格顶点的坐标迭代变化量以建立几何形变场向量，在局部区域数据置信度低于安全极限阈值0.05且几何形变场向量的方向反转时，切断对应区域网格能量泛函中的数据逼近项，控制局部区域的网格顶点依据网格曲率走向完成几何趋势填充；

18、步骤s4，由流形网格拓扑修正单元在网格顶点更新坐标后重新核算网格边长畸变率，在网格边长畸变率回归至安全边界内时切回数据驱动模式。

19、相比于现有技术，本发明的有益效果是：

20、1、在多源数据融合三维建模中，非线性几何能量形变控制单元在网格顶点更新过程中引入网格边长畸变率判断，能够及时识别多源点云在接缝区域产生的局部拉伸、压缩和剪切异常，当网格形变超出安全边界时，系统使相关网格顶点进入各向同性松弛模式，并切断冲突点云数据对该处顶点的牵引作用，使顶点先按邻域网格的平均位置完成局部缓和，由此可以减少异构点云残差在接缝处持续拉扯网格表面的情况，降低局部剪切畸变向周围网格传递的风险，从而避免表面叠影、网格自交和拓扑撕裂等问题，使多源数据融合后的三维模型在接缝区域保持较好的连续性。

21、2、各向异性曲率张量评估单元在网格进入各向同性松弛模式后继续关注局部曲率变化，能够区分普通平滑区域和尖锐边缘区域，对于高曲率边缘，系统限制网格顶点沿各向异性曲率张量的最小主曲率方向完成射影滑动，并配合局部网格细分提高该区域的网格表达能力，这样可以减少拉普拉斯平滑对尖锐棱角的过度拉平，避免高曲率边缘发生法向收缩、钝化或塌陷，使重建模型在保持表面平滑的同时，仍能保留异型结构中的边界轮廓和棱角特征。

22、3、几何先验拓扑结构填充单元在点云缺失或置信度较低的区域引入网格防塌陷锁定状态，能够避免盲区网格在缺少数据牵引时沿无约束方向漂移，系统通过切断对应区域网格能量泛函中的数据逼近项，并控制空缺区域网格顶点的更新步长逐步衰减，使盲区内的网格更新不再被不可靠数据牵引，与此同时，系统依据邻域流形曲率延续外围已有表面的几何趋势，使空缺区域能够顺着周围表面的形状完成闭合，由此可以减轻网格无边界漂移、向内塌陷和法向交叠重影，提升遮挡盲区处三维重建结果的表面连续性。