14、3D数据的表示、存储与可视化

3D数据的表示、存储与可视化

1. 引言

3D数据的获取技术和应用场景丰富多样，相应地，用于3D数据表示、压缩、存储、搜索、操作和可视化的系统也种类繁多。3D数据表示作为数据获取和应用之间的中介，受到来自这两方面的约束。

在很多情况下，数据的获取方式决定了其特定的原生表示格式。例如，经典的立体视觉通过恢复视差来获取每个像素的深度值，通常以距离图像的形式表示。而目标应用也会对表示方法施加限制，使用特定的3D表示时，某些操作会更高效，因此可能需要在不同表示之间进行转换，这可能会涉及一定程度的近似。

常见的3D数据集规模跨度极大，从微观的分子、微观组织结构、材料科学中的3D微观结构，到人体尺度的3D心脏、3D面部、3D人体扫描，再到宏观的建筑和景观3D建模，甚至是天体物理数据的3D建模。数据的规模、分辨率和压缩程度决定了存储的数据量，随着数据量的增加，存储、操作和可视化这些数据的挑战也会增大。

2. 3D数据的表示

3D数据的表示是许多重要应用（如计算机辅助几何设计、可视化和图形学）的基础。3D表示主要可分为三类：原始数据（由3D传感设备提供）、表面（嵌入在3D空间中的2D流形）和实体（具有体积的3D对象）。

2.1 原始数据

3D传感器的原始输出有多种形式，如点云、深度图和多边形。以这些原始形式表示的数据通常需要进一步处理才能进行分析，而且这些表示可能允许非流形或有噪声的表面存在，这会对后续分析造成阻碍。
- 点云 ：最简单的3D数据形式是点云，用 $P = {v_1, …, v_n}$ 表示，其中 $v_i \in R^3$。通常，包含 $n$ 个