基于特征保持的网格模型处理技术研究

【摘要】随着三维硬件扫描技术和软件建模技术的不断发展,三维几何模型已经越来越常见,成为一种新的数字媒体形式,在许多领域得到广泛应用,例如：计算机动画、游戏,工业和机械设计、计算机仿真、数据可视化、医疗诊断等。在过去十几年里,网格模型的建模、渲染、编辑等技术取得重要发展。在网格处理中,模型显著特征的获取是一个基础问题。显著特征是指网格模型中相对比较重要的区域,该区域包含了独特的、重要的信息,它对模型的后期处理具有重要的指导作用。传统的方法主要基于法向、曲率这样的纯几何属性来识别网格的特征,但很多情况下纯几何属性并不能准确找到网格的显著特征。例如传统方法一般把高曲率区域当作是重要特征,但是大量重复的细节特征即使具有较高曲率也容易被人的视觉系统抑制,反而被高曲率包围的平坦区域更容易引起观察者的注意。网格显著性(meshsaliency)是一种新的基于人的视觉特点来寻找模型中显著特征的方法。研究人员已经对图像的显著性进行了大量研究,并把它广泛应用于图像目标识别、图像检索、图像分割以及图像编辑等领域。网格模型因为更复杂,包含顶点位置、拓扑、法向、曲率、贴图等信息,对其进行显著性计算更为困难,时间复杂度也更高。因此针对网格显著性的研究比较少,其应用也较少。本文针对网格显著性的计算以及其在模型简化、模型缩放等技术中的应用展开深入研究,具体内容包括：(1)现有的网格显著性计算方法通常只考虑局部显著性,本文提出一种同时考虑顶点的局部显著性和全局显著性的网格显著性计算方法。该算法以网格中顶点的离散平均曲率为基础属性来计算网格的显著性,先在不同的邻域范围内对顶点的曲率进行高斯卷积,然后根据人类视觉的中央一周围(center-surround)机制,使用多尺度高斯差分算子(DifferenceofGaussian)计算顶点的局部显著性。为提高全局显著性的计算效率,该算法依据高斯卷积后的曲率对顶点进行简单聚类,然后以聚类为单位计算每类顶点同所有其它顶点的曲率差作为该类顶点的全局显著性。最后,把局部显著性和全局显著性进行加权合并,得到网格模型的显著性图。(2)网格模型的简化是指在保持模型重要特征的基础上尽可能地减少模型中几何元素的数量。本文把网格显著性计算的结果应用于网格模型的简化,提出一种新的基于边折叠的模型简化算法。在计算折叠边的折叠代价时,同时考虑模型的几何特征和视觉显著性。视觉显著性的值作为权重使显著边获得更大的折叠代价,因此模型的重要视觉特征在简化过程中得到了更好的保护,生成的简化模型具有更好的视觉效果。(3)网格的非均匀缩放是指在保持网格敏感特征不变的基础上,沿不同方向调整模型的大小。同一个网格模型在沿不同的方向缩放时表现出不同的敏感性,现有的网格显著性因为没有考虑方向因素,无法直接应用于网格缩放。本文提出一种新的适用于网格缩放的显著性计算方法。首先给出一种区域描述因子,反应了该区域对某一缩放方向的敏感程度,然后基于该描述因子计算区域同它的邻域的对比度,以此作为区域的显著性。为了避免被模型上的细小特征误导,采用了一种层次式的计算方法。对网格模型构造一个层次式分割,在粗约、中等和精细三个不同的分割层次上计算网格的显著性,并把各层次的计算结果用非线性的方法合成到一起。基于模型的显著性图,提出一种网格的非均匀缩放方法,把模型的每条边看做一个弹簧,通过边的伸缩来缩放模型。算法通过显著性控制每条边的缩放比例,并引入一个Laplacian项来防止模型产生严重形变。(4)以往的网格缩放算法通常只能产生具有较好视觉效果的缩放模型,无法精确保持模型的重要特征。本文提出一种网格模型的带约束快速缩放算法,能够对模型进行全局尺寸调整,同时精确保持局部细节。该算法把待缩放模型置于一个二次B样条体中,通过调整B样条体的控制点间接实现模型的缩放。为了实现带约束缩放,B样条体的控制点被分成三类分别进行处理。其中,和模型关键特征相关的控制点引入硬约束,从而实现模型特征的精确保持,其它控制点的分布则通过使目标能量最小的优化方法求得,使模型的变形尽量均匀分布到全局。
【作者】贾世祥；
【导师】张彩明；
【作者基本信息】山东大学，计算机应用技术，2014，博士
【关键词】三维网格；网格显著性；网格简化；网格缩放；特征保持；

【参考文献】
[1]姜庆利.检测柯萨奇病毒、副流感病毒基因芯片的建立[D].吉林大学,内科学,2013,硕士.
[2]吴彰良.油封表面缺陷自动在线图像检测关键技术研究[D].天津大学,2013.
[3]王翠平.致密含气砂岩储层参数及可动流体的定量评价[D].吉林大学,地球探测与信息技术,2013,硕士.
[4]邓彬.电网运行风险评估及管控研究[D].浙江大学,2014.
[5]纪启芳.贵州喀斯特地区坡面不同植被的减流减沙作用[D].南京大学,环境科学,2013,硕士.
[6]姚银萍.赝热源关联成像的理论和实验研究[D].中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）,光学工程,2013,硕士.
[7]周友唐.改革现行信号显示雏议[J].中国铁路.1993(01)
[8]金素奎.当归提前抽薹的生理机制与防止措施研究[D].兰州大学,植物学,2013,硕士.
[9]张晓曼.构建我国区域性产权交易市场研究[D].新疆财经大学,金融学,2013,硕士.
[10]杨双双.股票期权定价研究[D].哈尔滨工业大学,金融,2014,硕士.
[11]靳新涛.微孔注塑喷嘴的设计及工艺参数的优化研究[D].吉林大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[12]付正伟.武汉市可再生能源体系构建研究[D].湖北工业大学,产业经济学,2014,硕士.
[13]朱晓东.热泵空调系统采暖的节能设计及节能运行研究[D].大连理工大学,动力工程,2003,硕士.
[14]李亚军.试论中国水墨画对现代平面设计的影响[D].山西师范大学,美术学,2014,硕士.
[15]孙凤俊.PH公司生产运作策略研究[D].华东理工大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[16]方勇杰,徐海波.基于本地电气量的无故障跳闸新判据[J].电力系统自动化,2008,03:33-35+65.
[17]张文娟.独一味新制剂创面止血作用和机理的初步研究[D].兰州大学,药理学,2013,硕士.
[18]颜栩.基于Pd催化的重氮化合物，异氰以及亚胺参与的多组分合成烯基脒的反应研究[D].湖南师范大学,有机化学,2013,硕士.
[19]胡安忆.菜粕类有机肥土壤熏蒸处理防治辣椒疫病的研究[D].南京农业大学,植物病理学,2012,硕士.
[20]王宇宁.我国非上市股份公司股权转让研究[D].中国政法大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[21]孙建伟.武汉市行政治庸问责研究[D].华中师范大学,公共管理,2014,硕士.
[22]周建甫.补肾疗法治疗男性不育症的临床观察及系统评价[D].广州中医药大学,中医学（专业学位）,2013,硕士.
[23]何月红.蔬菜标准园收后处理中心设施与设备配置研究[D].南京农业大学,物流工程,2012,硕士.
[24]白静.A汽车公司内部控制的问题与对策研究[D].首都经济贸易大学,会计学,2014,硕士.
[25]冯丽凤.DGT的制备、性能测试及在海水分析中的应用[D].厦门大学,环境科学,2014,硕士.
[26]关益.日本对六朝贵族制的研究和论战[D].湖南师范大学,中国古代史,2014,硕士.
[27]张富超.我国全日制体育硕士专业学位研究生培养模式研究[D].曲阜师范大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[28]郑俊晖.朱熹主要音乐著述的文献学研究——以《朱文公文集》为中心[D].福建师范大学,音乐学,2004,硕士.
[29]吴辉.单载波频域均衡的信道估计与均衡算法研究[D].湖南大学,信息与通信工程,2011,硕士.
[30]胡寿松,周川,王源.基于小波神经网络的组合故障模式识别[J].自动化学报,2002,04:540-543.
[31]许瑞罡.先秦儒家生命伦理思想研究[D].辽宁医学院,伦理学,2012,硕士.
[32]郑艳云.Nb-Hf-Ni(Co)合金组织与渗氢性能[D].哈尔滨工业大学,材料加工工程,2014,硕士.
[33]张伟.盘式锚杆加固技术的研究[D].北方工业大学,岩土工程,2013,硕士.
[34]袁小征.论中国“画字”意匠之美[D].河北师范大学,美术学,2014,硕士.
[35]宋菲菲.双环新苑保障房项目可行性研究[D].天津大学,项目管理,2013,硕士.
[36]姜遵群.分级纳米结构的聚苯胺及其复合物的制备与电化学性能[D].华东理工大学,2011.
[37]丁明,徐宁舟,毕锐,陈自年,罗亚桥,宋卓.基于综合建模的3类电池储能电站性能对比分析[J].电力系统自动化,2011,15:34-39.
[38]吴宏鑫.智能特征模型和智能控制[J].自动化学报,2002,S1:30-37.
[39]张静音.增城市国税系统提升基层党组织执行力水平研究[D].兰州大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[40]杨小舟.在自由与控制之间[D].南京师范大学,传播学,2012,硕士.
[41]蔡朝洪,须文波,徐振源,李莲花.延迟反馈引导混沌系统到周期解[J].控制与决策,2002,04:457-460.
[42]黄雅亭.新世纪初期印度对华政策研究[D].内蒙古大学,马克思主义理论,2013,硕士.
[43]潘阳阳.碳纤维增强石墨烯-TiO_2/氰酸酯复合材料及抗电子辐照研究[D].哈尔滨工业大学,2013.
[44]庄银波.周至县新区沙河段滨河景观生态恢复设计及研究[D].西安建筑科技大学,艺术设计,2013,硕士.
[45]王龙兴.集成电路的过去、现在和将来(四)集成电路技术更有绚丽多彩的将来[J].集成电路应用,2014,04:38-40.
[46]李南.宫颈癌介入化疗前后TS、TP的表达及临床意义[D].青岛大学,妇产科学,2013,硕士.
[47]秦兴生.具有连续和离散变量的软件系统需求建模[D].浙江理工大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[48]杨星星.高中英语优质课中的教师话语分析[D].广西师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[49]汤光辉.骨髓间充质干细胞抑制水通道蛋白4的上调减轻脑缺血诱发的脑水肿的分子机理研究[D].上海交通大学,生物学,2014,硕士.
[50]方晓冬.中石化基于现代物流理念的销售体系重塑[D].广西大学,2005.