大規(guī)模點(diǎn)云模型幾何造型技術(shù)研究.pdf

1、三維幾何模型已成為繼聲音、圖象和視頻之后一種重要的數(shù)字媒體。點(diǎn)云模型是以離散采樣點(diǎn)為基元的幾何模型，是三維幾何模型的一種自然表示方式。點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、存儲空間緊湊，具有表達(dá)復(fù)雜表面細(xì)節(jié)的能力。隨著三維光學(xué)掃描設(shè)備的快速發(fā)展，大量高精度的光學(xué)掃描數(shù)據(jù)唾手可得。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對以點(diǎn)云模型為研究對象的基于點(diǎn)的計算機(jī)圖形學(xué)作了大量的基礎(chǔ)研究，取得了大量的研究成果。點(diǎn)云模型預(yù)處理、表示、渲染等研究領(lǐng)域取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。這些研究成果為基

2、于點(diǎn)的圖形學(xué)的繼續(xù)深入研究及點(diǎn)云模型的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。幾何造型是通過用戶交互對三維幾何模型進(jìn)行編輯和變形的過程，是三維幾何模型應(yīng)用的最重要的環(huán)節(jié)。由于各種原因，點(diǎn)云模型幾何造型技術(shù)的發(fā)展相對滯后。 本文以大規(guī)模點(diǎn)云模型為研究對象，研究了適用于大規(guī)模點(diǎn)云模型的表示、特征分析、幾何造型相關(guān)技術(shù)。本文的研究內(nèi)容涵蓋了建立一個點(diǎn)云模型幾何造型系統(tǒng)所必須的一些重要研究課題。在所研究的主題中取得了若干創(chuàng)新的研究成果。本文的研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)主

3、要包括以下幾個方面： 1)點(diǎn)云模型預(yù)處理技術(shù)本文提出了一種新的大規(guī)模點(diǎn)云模型簡化算法。算法由兩個階段組成：第一階段根據(jù)幾何近似原理將點(diǎn)云模型分割成與平面近似的多個分片；第二階段在分片的基礎(chǔ)上進(jìn)行層次空間分割簡化。這種新的簡化算法將分片技術(shù)與簡化技術(shù)結(jié)合，以分片作為層次空間分割的前處理步驟，能有效減少直接層次空間分割簡化所產(chǎn)生的幾何誤差，而且同時具有層次空間分割簡化算法速度快的優(yōu)點(diǎn)。 2)點(diǎn)云模型分解與骨架提取三維幾何模型

4、分解是計算機(jī)圖形學(xué)研究的基礎(chǔ)問題之一。本文提出了一種多分辨率點(diǎn)云模型分解技術(shù)。首先構(gòu)建點(diǎn)云模型帶連接拓?fù)湫畔⒌暮喕硎?。基于該簡化表示，本文將網(wǎng)格模型的模糊聚類層次分解方法思想推廣至點(diǎn)云模型分解。對于大規(guī)模點(diǎn)云模型，我們先在低分辨率下將模型進(jìn)行粗分解；然后構(gòu)建各分解部分的高分辨率，并進(jìn)行更深層次的分解。多分辨率技術(shù)與層次分解技術(shù)結(jié)合，成功地解決了大規(guī)模點(diǎn)云模型分解速度和分解效果的矛盾。本文還提出了一種新的大規(guī)模點(diǎn)云模型特征骨架提取算法。

5、我們首先構(gòu)建了大規(guī)模點(diǎn)云模型的非流形簡化表示。在此簡化表示的基礎(chǔ)上，依據(jù)Morse理論，通過選擇合適的Morse函數(shù)確定模型的中心點(diǎn)和各特征點(diǎn)。依次用最小測地線連接中心點(diǎn)與各特征點(diǎn)，得到表面骨架。采用可見反力場方法，將表面骨架推至模型內(nèi)部并作光順后處理得到位于模型內(nèi)部的特征骨架線。我們的算法能直接處理大規(guī)模點(diǎn)云模型，而且穩(wěn)定性好、速度較快。 3）點(diǎn)云模型幾何造型技術(shù)本文提出并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模點(diǎn)云模型融合造型方法。使用本文的融合造型方

6、法，用戶可以采用點(diǎn)云模型表面拖拽的方式靈活選擇融合位置完成融合，也可以選定融合區(qū)域進(jìn)行拼接融合。融合過渡區(qū)域由基于徑向基函數(shù)隱式曲面構(gòu)建，能獲得自然光滑的過渡效果。由于沒有連接拓?fù)浼s束，我們用一種簡潔的方式完成點(diǎn)云模型的融合后處理。 骨架驅(qū)動的皮膚變形是一種重要的三維幾何模型變形方法。本文提出了一種彈性與剛性變形相結(jié)合的骨架驅(qū)動的皮膚變形分析方法。骨架驅(qū)動的皮膚變形分為剛性變形和彈性變形兩部分，剛性變形可由骨架的剛體旋轉(zhuǎn)直接求得