三維模型特征提取與檢索.pdf

1、三維模型數(shù)量在最近10年間呈現(xiàn)出幾何級增長的態(tài)勢，而互聯(lián)網(wǎng)的急速發(fā)展和廣泛普及又方便了多媒體信息之間的交流，因此研究三維模型檢索的理論與技術(shù)，開發(fā)高效率的三維模型檢索系統(tǒng)勢在必行。三維模型檢索的核心問題之一是“特征提取”。但是與圖像檢索相比，三維模型的空間組織結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，很難找到合適的特征對其進(jìn)行描述，其結(jié)果是目前已提出的特征也很難滿足實際檢索的需要，同時也沒有非常成熟的三維模型檢索系統(tǒng)可以提供。 以是否需要旋轉(zhuǎn)規(guī)一化預(yù)處理為

2、標(biāo)準(zhǔn)，三維模型特征可分為旋轉(zhuǎn)相關(guān)特征與旋轉(zhuǎn)無關(guān)特征。從目前的研究情況看來，前者總的檢索性能略優(yōu)于后者，然而對于某些規(guī)則性較差的模型，旋轉(zhuǎn)規(guī)一化很容易失敗，在這種情況下后者反而更有優(yōu)勢。在國家自然科學(xué)基金項目《基于球面小波的三維模型檢索技術(shù)研究》(60573146)的支持下，本文對這兩種特征都進(jìn)行了深入的研究和探索。首先分析了三維模型兩種預(yù)處理過程(旋轉(zhuǎn)規(guī)一化和各向同性化)，并在旋轉(zhuǎn)規(guī)一化的基礎(chǔ)上提出了深度圖像和區(qū)域熵兩種旋轉(zhuǎn)相關(guān)特征，分

3、別應(yīng)用于不同類別的三維模型，提升了相應(yīng)的三維模型檢索性能。另外，為了克服旋轉(zhuǎn)相關(guān)特征嚴(yán)重依賴旋轉(zhuǎn)規(guī)一化的缺點，提出了一種基于球面圖像的旋轉(zhuǎn)無關(guān)特征。根據(jù)上述研究工作，開發(fā)了一套具有初步實用價值的三維模型檢索系統(tǒng)。本文的研究成果和主要貢獻(xiàn)可以概括為如下四點： 1.提高了旋轉(zhuǎn)規(guī)一化的穩(wěn)定性，簡化了各向同性化的進(jìn)程。首先重點探索了提高旋轉(zhuǎn)規(guī)-化工具-PCA穩(wěn)定性的途徑。從PCA的基本原理出發(fā)，分析了三種可能的失敗情況，并針對每種情況提

4、出了相應(yīng)的解決方案，減少了旋轉(zhuǎn)規(guī)一化失敗率，并盡可能消除了失敗帶來的負(fù)面影響。另外，鑒于各向同性化預(yù)處理可以用來提高特征的檢索性能，也對其進(jìn)行了深入的分析。著重論證了各向同性化與PCA之間的本質(zhì)聯(lián)系，據(jù)此提出了利用PCA矩陣進(jìn)行各向同性化的思想，并在實現(xiàn)中采用了一種基于迭代策略的各向同性化方法，使三維模型表面達(dá)到充分同性化。 2.提出了一種基于深度圖像的特征提取算法，在檢索效率與時間消耗上找到了一個比較合理的平衡點。將三維模型沿

5、PCA坐標(biāo)面切分，各部分投影到對應(yīng)的立方體包圍盒平面上形成六個深度圖像。對深度圖像采用聯(lián)合使用不變矩和極坐標(biāo)傅立葉變換提取其特征，然后通過對三維模型的協(xié)方差特征值進(jìn)行分析，賦予z-y面、y-z面和z-x面投影不同的權(quán)值以組成整個三維模型的特征。實驗顯示該特征可以得到與光場法相差無幾的檢索性能，但時間消耗卻遠(yuǎn)低于光場法。對于較為規(guī)則的三維模型來說，此特征描述符效果較好。 3.對由散亂三角面片組成的三維模型采用體素化的策略使其以規(guī)則

6、信號表示，為諸多經(jīng)典信號分析工具得以應(yīng)用提供了一個有利的平臺。使用了一種基于位操作的立方體與空間三角形相交快速判斷算法，極大地提高了二值體素化的速度。為了更加精確地表示三維模型，提出了“灰度體素化”的概念，即將包含在體素內(nèi)的三維模型表面積映射為該體素的灰度值，并研究了灰度體素化在體可視化中的作用。根據(jù)灰度體素化的結(jié)果，進(jìn)一步提出了一種基于區(qū)域熵的特征提取算法，即將體素化模型分為若干區(qū)域并計算各區(qū)域的熵值，再把這些熵值以特定的方式組合起來

7、形成原始三維模型的特征。實驗顯示該特征具有良好的區(qū)分性和聚類性，可以用于較為復(fù)雜三維模型的檢索。 4.提出了一種基于球面圖像的特征提取算法，作為旋轉(zhuǎn)無關(guān)特征，它并不需要事先進(jìn)行PCA處理，因此非常適合檢索旋轉(zhuǎn)規(guī)一化可能失敗的三維模型。首先將正二十面體映射到球面上形成球面網(wǎng)格，并對球面網(wǎng)格進(jìn)行若干次1-4剖分，形成球面像素格式；然后將球面與體素化模型求交，得到若干不同半徑的同球面圖像；再對這些球面圖像進(jìn)行蝶形小波分析，將其分解并降

8、階，把最終得到的20個小波系數(shù)作為該圖像的特征；最后將所有球面圖像的系數(shù)組合起來形成三維模型的特征。實驗顯示這種特征的檢索性能比同樣旋轉(zhuǎn)無關(guān)的形狀分布法及形狀直方圖法有了明顯的提高。另外，為了解決因維數(shù)過高而導(dǎo)致的檢索速度慢的問題，使用了一種基于超球集合的特征庫組織結(jié)構(gòu)，快速排除了明顯不相似的三維模型，極大地提高了檢索的速度。 三維模型檢索是目前計算機圖形學(xué)研究的熱點方向之一，本文圍繞“特征提取”展開了四個方面的具體研究：深入分