基于二维自由输入图形的三维模型重构系统的开发与研究

摘要

随着计算机视觉和虚拟现实的发展,三维模型重构问题目益成为计算机科学中的一个重要课题,3D模型广泛应用于对象识别,工业自动设计,视频游戏,动画制作,数字文物档案建立,建筑物原貌恢复等方面,而三维重建技术正是快速、有效获取3D模型数据的重要手段之一。 目前的三维重建算法主要集中在基于工程三视投影图的重建上,而本课题主要研究基于二维自由手绘图形的三维重建,以平板电脑的手写输入设备作为系统硬件平台,在VC++开发环境下配合Open Inventor三维图形库研发一套三维重建系统。该系统可实现两个方面的三维重建。一是对三维形体轮廓的重建,二是对特殊自由曲面的重建。 在重构三维形体轮廓部分,针对常用的三维重建方法的多解性和病态性的难点问题,提出一种基于Harris多尺度角点检测的图像分割算法,将复杂的工程图像分离成若干个简单基本几何形体,分别对其重建以避免直接恢复深度信息的病态解问题。改进的Harris角点检测算法具有旋转、平移和尺度的不变性。 在自由曲面的重建部分,提出一种用小波神经网络解决SFS(Shape from Shading)问题的优化方法。构造一个由3个小波神经网络并行而成的网络,建立其非线性学习机理,针对最优化方法的平滑因子对表面形状的均匀控制缺陷,提出一种具有自适应平滑的目标函数,使得重建表面形状的变化与图像亮度的变化一致。 在系统集成方面,将三维拓扑轮廓图与三维曲面图组合成一个完整的三维实体,并可在三维视窗内对其进行交互操作。对三维场景数据,经数据整合(依照IGES标准)后能导入到二维图形处理软件(如:AutoCAD)中进行尺寸标注和规范投影视图,也能导入三维建模软件(如：3D Max)中,进行纹理、色彩、灯光等外观效果的渲染。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的研究工作及组织结构

1.3.1研究目标及内容

1.3.2论文的组织结构

第2章Open Inventor技术

2.1 Open Inventor基础知识

2.1.1 OpenGL简介

2.1.2 Open Inventor的概念和框架

2.1.3 Open Inventor与OpenGL之间的关系

2.2绘制二维图形的相关技术研究

2.2.1绘图设备的创建和配置

2.2.2图形绘制

2.2.3窗口的重画处理

2.2.4绘图资源的释放

2.3三维视窗下的交互操作

2.3.1标准三维视窗的应用

2.3.2创建标准三维视窗的主要方法

2.4三维场景数据的读取、存储与转化的研究

2.4.1Ⅳ数据格式

2.4.2 STL数据格式

2.4.3 IV格式向STL格式的转化

2.5本章小结

第3章基于单幅线图的三维形体轮廓重建算法的研究

3.1角点检测技术及其常用方法

3.1.1基于灰度图像的角点检测

3.1.2基于二值图像的角点检测

3.1.3基于轮廓曲线的角点检测

3.2 Harris多尺度角点检测算法的研究与改进

3.2.1经典Harris角点检测原理及局限

3.2.2改进的Harris多尺度角点检测算法原理

3.2.3改进算法的实验结果分析

3.3形体分割算法研究

3.3.1角点点对的直方图

3.3.2角点点对的对齐度匹配

3.3.3邻域角点数匹配

3.3.4角点间距匹配

3.3.5形体分割算法流程

3.4三维形体轮廓重建实验及结论

3.5本章小结

第4章自由曲面的三维重建算法研究

4.1明暗恢复形状(SFS)的几类典型算法分析与评价

4.1.1最小值方法

4.1.2演化方法

4.1.3局部分析方法

4.1.4线性化方法

4.1.5各类算法性能比较与评价

4.2基于小波神经网络的SFS算法研究

4.2.1小波神经网概述

4.2.2基于小波神经网络的SFS算法的研究与改进

4.3自由曲面的三维重建应用

4.3.1人工模拟图的三维重建

4.3.2自然图形的三维重建

4.4本章小结

第5章三维重建系统的设计与实现

5.1系统方案设计

5.1.1开发环境的配置

5.1.2系统流程及功能模块介绍

5.1.3系统界面及菜单层次

5.2系统的软件架构

5.2.1 MVC设计模式

5.2.2软件架构

5.3类库设计

5.3.1控制类的层次结构

5.3.2核心数据类的继承关系

5.3.3数据结构的存储方式

5.4系统测试结果

5.4.1系统整体评价

5.4.2重建效果

5.5本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果及获奖情况

致谢