三维模型的表达、分析及其在三维仿真与模型检索中的应用

摘要

三维模型的应用已经逐渐从最初的工业仿真设计领域普及到了大众的娱乐行业中，开始走入了人们日常的生活中，越来越丰富的基于三维场景的软件和服务给人们提供着前所未有的视觉体验。随之而来的问题是需要表达和分析大量的三维的物体，使用有效的特征去表达它们，并对它们进行物理力学的分析。在可以预见的未来，三维模型的应用会越来越丰富，同时也给计算机处理这些三维模型带来了越来越多的挑战。目前，针对三维模型的数据采集过程已经日趋完善，可以使用很多已有的商业软件采集到非常高精度的三维模型数据，并根据应用需求对原始数据进行采样、编辑网格等处理。然而在对三维模型的分析和处理方面，仍然还有很大的发展空间。三维模型的分析与处理已成为立体视觉、机器学习等多学科交叉的一个研究重点与热点。
　　 本文尝试从物理性质和形状特征两个方面对三维模型进行有效的表示与分析，并以此来解决两个相关的科学问题：模型的受力形变分析以及模型的特征提取和检索。围绕这一选题，本文完成了以下成果：
　　 (1)在模型受力形变分析的问题上，提出了一个新的基于物体物质材料性质的统计模型Mr-SDM。该模型把有限元分析方法和统计可变形模型结合起来，同时解决了统计模型的小样本问题和有限元分析资源消耗的问题，得到了既准确又高效的物体受力形变的计算结果。该模型总结了物体的材料性质，因此也可以被用于估计物体的材料参数。
　　 (2)提出了基于Mr-SDM的整容手术术后面部形变预测的方法，并把该方法扩展成为解决一般物体(不同形状，不同物质参数)受力形变的通用方法。通过实验证明了该方法的准确性和高效性。
　　 (3)在模型的特征提取和检索的问题上，提出两种视觉主题去表达模型的形状特征，它们分别是：通过对相对角度分布聚类得到形状主题，通过对投影轮廓聚类得到的视图主题。这种视觉主题从模型的原始特征中总结出具有代表性和表达能力的特征，并以此来表达三维模型。在此基础上，本文还提出了多分辨率的主题表达方式，它是提取模型在不同平滑状态下的主题特征，以满足不同类型检索的需求。
　　 (4)提出了基于视觉主题表达的三维模型检索方法，把三维模型的检索问题转化为基于关键字的类似文本检索问题，使用不同的相似度计算模型去计算模型的相似度，并对检索结果做出了比较。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

声明

第1章引言

1.1研究背景

1.2本文的研究动机

1.3本文的主要工作和创新之处

1.4本文的组织结构与章节安排

1.4.1组织结构

1.4.2内容安排

第2章三维物体的形变分析模型Mr-SDM

2.1.研究背景及现状

2.2质点弹簧模型

2.2.1简介

2.2.2模型的建立和分析

2.3有限元分析

2.3.1单元分析与合并

2.3.2网格划分

2.3.3实际应用过程

2.4统计可变型模型

2.4.1简介

2.4.2模型的建立

2.4.3一个新的缺失数据恢复算法DRU

2.4.4基于统计模型的物体形变求解算法

2.5 Mr-SDM：基于物质材料性质的统计模型

2.5.1动机

2.5.2模型的建立和分析

2.6本章小结

第3章基于Mr-SDM的物体形算法

3.1虚拟颌骨手术仿真

3.1.1虚拟颌骨手术背景介绍

3.1.2基于Mr-SDM的形变计算

3.1.3多分辨率的Mr-SDM

3.1.4结果分析

3.2一般物体形变的计算

3.2.1不同物体的Mr-SDM计算及准确度分析

3.2.2不同物质材料参数(μ)的形变计算和参数估计

3.2.3 Mr-SDM计算的效率

3.3本章小结

第4章基于视觉主题特征的三维模型表达

4.1研究背景及现状

4.2原始特征提取

4.2.1直方图和旋转图

3.2.2相对角度分布

4.2.3投影

4.3特征关键字

4.3.1基于相对角度分布的视觉关键字

4.3.2基于投影聚类的视图关键字

4.3基于平滑渐变的特征提取

4.3.1动机

4.3.2平滑渐变(球谐函数)

4.3.3不同平滑程度下的特征提取-多分辨率的特征

4.4本章小结

第5章基于视觉行为特征的三维模型检索

5.1基于相对角度分布视觉关键字表达的模型相似度计算

5.1.1模型相似度的计算

5.1.2实验结果及分析

5.2基于投影视图关键字的模型相似度计算

5.2.1模型相似度计算

5.2.2实验结果及分析

5.3基于多分辨率特征的模型检索方法和参数选择

5.4本章小结

第6章结束语

6.1本文工作总结

6.2进一步工作思路

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果