基于三维激光扫描的物体重构建模

物体拍摄环境具有测量数据量大、物体外轮廓信息复杂等特点,采用当前方法能够获得物体精确的三维点云数据,但缺乏颜色和纹理信息,导致物体重构精度不高,真实感较差;为此,提出一种基于三维激光扫描的物体重构建模方法;该方法通过三维激光扫描技术获取物体点云数据,采用显式的欧拉积分方法对物体整个三维曲面进行平滑,依据三角生长法进行物体三维空间三角划分,将物体网格顶点向球面进行映射,由此构造物体三角网格模型,通过迭代最近点算法对物体非同步点云数据初步匹配结果进行精确配准,利用最近点搜索算法将经多视图立体视觉算法优化后的物体颜色信息和三维点云数据坐标相融合;实验结果表明,所提方法可以快速精确地建立物体三维重构模型,验证了所提方法的可行性。     

基于点云能量计算的半刚性配准算法

针对3D复杂点云模型,提出一种基于能量值的半刚性配准算法。该算法首先对点云进行基于法向量夹角距离的分割处理从而生成多个刚性子点云。通过整数规划法计算子点云间的配准能量从而推测配准的初始3D变换矩阵。基于初始矩阵,点云的最终配准结果由子点云间刚性配准方法 ICP实现。实验结果证明该方法可有效应用于模拟场景以及真实复杂场景的配准应用中。     

飞行时间3维相机的多视角散乱点云优化配准

针对目前基于飞行时间(TOF)原理的3维相机实现物体完整表面的3维点云重建过程中,多视角散乱点云配准精度低的问题,提出一种优化配准方法。该方法通过构建一个目标功能函数,并结合相邻点云的转换矩阵对该目标函数进行最小化求解,直接获取任意位置的点云到基准点云所处坐标系的绝对转换矩阵,避免了对连续点云之间的配准而引起误差的累加。对不同的物体进行实验,实验结果表明,该方法在保证点云配准速度的同时,提高了多视角点云配准的精度,物体点云模型重建效果较好,有利于实现后期3维曲面网格的重建。     

一种基于降采样后关键点优化的点云配准方法

针对工件点云数据多而导致点云配准耗时长的问题,提出一种基于降采样后关键点优化的点云配准方法。计算点云若干体素的重心,利用kd-tree快速遍历重心的邻近点来代替该体素;提出自适应的点云平均距离计算方法,对降采样后的点云提取ISS3D关键点,并采用基于球邻域的边界点判断方法对其优化;对优化后的关键点进行FPFH特征描述,利用SAC-IA求解近似变换阵,使用ICP算法精配准而解得工件的精确位姿信息。实验结果表明,相较于其他四种配准算法,配准精度分别提高了96.9%、98.1%、93.3%和3.5%,配准速度分别提高了77.2%、77.7%、76.9%和85.4%,表明了该方法的有效性。     

面向三维模型分割的边界感知点云神经网络

为了能够更好地应用深度神经网络学习三维模型的空间特征,获得更好的三维模型分割效果,提出面向三维模型分割的边界感知点云神经网络.首先,采用边界感知的网格点云化方法,将网格分割问题转化成点云标记问题;然后,利用数据切片方法对转化而来的点云数据进行重采样;最后,利用不同大小卷积核的滤波器提取点云数据的空间特征,并将点云标记的结果对应到原网格模型,得到三维模型分割的结果.在ShapeNetCore数据库上的实验结果表明,该方法不仅能够明显地提高分割的准确率,而且具有边界感知的特性,能够有效地避免过分割现象.     

基于多幅实拍照片为真实景物模型添加纹理

利用实拍照片为基于真实景物创建的几何模型添加纹理的方法正在受到广泛的关注,实拍照片与几何模型的配准是这项技术的关键.以往方法采用3D-2D特征点匹配或侧影轮廓线匹配的方法进行配准,因此对空间物体的表面特征或轮廓线形状有特殊的要求.提出了一种新的配准方法来解决这一问题,由于采用了基于图像重建的采样点模型与已知几何模型在空间中匹配的方法实现配准,因而充分利用了物体几何形状本身的拓扑和曲率等信息,并可以一次性地实现所有图像与空间物体的配准.实验结果表明,该方法可以解决一部分用以往的方法尚无法处理的实际问题,且在重建空间采样点分布较为合理的情形下,纹理映射效果非常理想.     

多视角下的改进ICP算法

在逆向工程中,为处理庞大的三维点云数据,重建物体的表面,提出一种基于多视角的改进ICP算法。通过采集多视角下的点云数据,利用Delaunay三角剖分以及深度值信息对相邻两组点云的重合部分进行提取,根据三角面片重心与待测物体重心之间的距离将获得的点云数据进行分类配准,计算最优的旋转矩阵与平移向量,提高ICP算法的效率。实验结果表明,该算法能够提高配准精度,缩短配准时间,具有良好的稳定性。     

面向点云三维重建的空间感知对抗神经网络

为了解决由原始点云数据局部密度稀疏、不均匀或者法向量错误等制约因素引起的重建网格质量问题,利用对抗神经网络中权重共享的特性和对抗的训练过程,提出一种基于对抗网络的点云三维重建方法。首先,利用预测器对网格模型边的偏移量进行预测,从而得到每一个顶点的位移,并进行拓扑保持的顶点重定向,得到新的网格模型。然后,利用判别器中的点云分类器,提取原始点云数据和网格模型表面采样点集的高维特征,并基于高维特征进行空间感知的判别,用于区分原始点云与采样点集数据。最后,使用对抗的训练方式将预测器与判别器的输出数据关联起来,通过多次迭代优化网络模型,从而得到满足点云空间特征的三维网格模型。在不同的点云数据集上进行实验,并使用MeshLab软件进行效果展示,结果表明,该方法能够重建出满足点云空间信息的三维网格模型,同时能够解决粗劣的点云数据引起的网格质量问题。     

散乱点云的三角划分算法研究

通过对当前的三角网格划分方法进行比较分析,提出了一种散乱点云的3D三角网格划分算法。该算法不需如同二维划分方法那样要对散乱点云对应的自由曲面分片投影,而是直接在3D空间,根据离散点集所对应的曲面形态变化,利用网格扩展、边界环分裂和边界环封闭,逐层收缩生成三角网格。该算法能方便地处理空间多种曲面的散乱点云数据,并且生成的三角网格形态优良,布局合理。     

基于结构光3D视觉的空间姿态识别系统设计

为提高产品零件空间姿态识别的精度和收敛速度，提出基于结构光3D视觉对空间姿态识别的方法。首先，采用投影仪和相机获取产品零件图像信息，利用相移法获取深度信息，通过深度图点云重建获取3D点云数据；然后对3D点云数据进行特征处理和分类时，建立点云网络(Point Network, PointNet)模型；最后，采用改进的迭代最近点(Iterative Closest Point, ICP)算法对3D点云数据配准，从而实现产品零件姿态的识别。实验结果表明，该方法在对产品零件点云特征分类性能上，准确率能达到96%左右，召回率能稳定在92%左右；在配准精度和收敛速度上，较其他两种方法更优越，进一步验证了该方法的有效性和可行性。     

The extraction of survey lines on partial edentulous models

Survey lines are important features on the dental meshes for removable partial denture frameworks design, but few researche has been done by surveying digital models. This article describes a method for identifying survey line on dental meshes and displays survey line in real time. At the beginning, we segment tooth based on morphologic operators to get the tooth parts. The second step is to calculate the viewing direction perpendicular to the occlusal plane. Finally, we extract boundary points on 2D plane, thereby obtaining a survey line in the surveying direction. We have developed a module to demonstrate survey line in real time.     

A partial mesh replacement technique for design modification in rapid prototyping

Most rapid prototyping machines accept the .STL format as the universal format of the geometric model, where the substance of the .STL format is essentially a triangular model. A partial replacement of the meshes in such a model is practically necessary, but has been received little attention. The purpose of this study is to develop a partial mesh replacement technique for replacing a region of meshes along a closed region of profile. The proposed method is primarily composed of three steps: cutting path computation, mesh segmentation and mesh stitching. The cutting path computation is employed to evaluate the intersecting points of all meshes lying under the projection of the boundary curve. Mesh segmentation is employed to divide the original meshes into two parts: preserved and replaced meshes. Mesh stitching is finally employed to sew the boundaries of the preserved and new meshes. Several examples are presented to demonstrate the feasibility and application of the proposed method.     

A new intrinsic numerical method for PDE on surfaces

In this note, we introduce a simple, effective numerical method, the local tangential lifting method, for solving partial differential equations for scalar- and vector-valued data defined on surfaces. Even though we follow the traditional way to approximate the regular surfaces under consideration by triangular meshes, the key idea of our algorithm is to develop an intrinsic and unified way to compute directly the partial derivatives of functions defined on triangular meshes. We present examples in computer graphics and image processing applications.     

车身冲压模型腔表面四边形网格的局部粗化

给定一车身冲压模型腔表面上结构化的四边形网格，通过单元合并对网格进行自动的粗化，其目的在于简化冲压仿真模型，提高仿真计算速度，首先，根据单元节点曲率半径的分布，搜寻出满足单元合并条件的初始四边形区域，接头，判断初始合交区域的边界过渡条件，最后，进行单合并，冲压成型仿真应用实例证明，文中算法既提高了仿真速度，又保持了仿真精度，该算法可以推广到任意曲面结构化四边形网格的局部粗化问题。     

Generalized Discrete Ricci Flow

Surface Ricci flow is a powerful tool to design Riemannian metrics by user defined curvatures. Discrete surface Ricci flow has been broadly applied for surface parameterization, shape analysis, and computational topology. Conventional discrete Ricci flow has limitations. For meshes with low quality triangulations, if high conformality is required, the flow may get stuck at the local optimum of the Ricci energy. If convergence to the global optimum is enforced, the conformality may be sacrificed. This work introduces a novel method to generalize the traditional discrete Ricci flow. The generalized Ricci flow is more flexible, more robust and conformal for meshes with low quality triangulations. Conventional method is based on circle packing, which requires two circles on an edge intersect each other at an acute angle. Generalized method allows the two circles either intersect or separate from each other. This greatly improves the flexibility and robustness of the method. Furthermore, the generalized Ricci flow preserves the convexity of the Ricci energy, this ensures the uniqueness of the global optimum. Therefore the algorithm won't get stuck at the local optimum. Generalized discrete Ricci flow algorithms are explained in details for triangle meshes with both Euclidean and hyperbolic background geometries. Its advantages are demonstrated by theoretic proofs and practical applications in graphics, especially surface parameterization.     

高精度自适应的四边形网格重建

提出了海量数据点集的四边形网格重建算法。首先根据精度要求简化数据 点,按一定规则连接相邻的简化数据点生成多边形网格,对网格中高斯曲率较大的顶点进行 局部细分提高其精度,然后对多边形网格进行整体细分使其全部转化为四边形网格,最后分 裂度较大的顶点对其进行优化。实验结果表明,算法对拓扑结构较为复杂的海量数据点集的 四边形网格重建是行之有效的。     

混合网格的可调细分算法

论文主要研究混合网格的曲面细分问题,提出了一种带有可调参数的细分算法。该算法适用于多边形网格、三角形网格,以及两者的混合网格情形,且对开的和闭的拓扑结构都能进行处理。由于在算法中引入了可调参数,这样既可产生光滑曲面,也可产生具有尖锐特征的曲面,且通过调整参数还可产生标准的Catmull-Clark细分和Loop细分。另外,实现该算法不需要复杂的数据结构。     

Efficient methods to visualize finite element meshes

This article describes implementation details of a graphical editor which is intended for efficient 3D visualization of finite element meshes. The purpose of this program is to prepare the input data for the finite element method – a widely known method for numerical solutions of scientific and engineering problems described by partial differential equations. Nowadays, increasing demand on accuracy of the calculation through the boom of parallel computing involves the use of finer and more detailed finite element meshes. However, the meshes with a very large number of elements and nodes cause problems with visualization in commonly used programs that are very slow, unresponsive and for some operations often unusable. Therefore, efficient data structures and algorithms were designed and implemented to enable fast work with very large finite element meshes.     

网格融合技术在列车过隧道运动网格数值模拟中的应用

在高速列车过隧道问题的数值模拟中,为提高模拟准确性而考虑转向架、受电弓导流罩、车厢连接处等细部结构后,几何模型变得复杂。为了得到质量高、适用性强的计算网格,在列车附近生成非结构化四面体网格,运动网格及计算区域其余部分划分块结构化六面体网格。在融合面上,利用网格融合技术处理四面体网格的三角形面网格和六面体网格的四边形面网格的联结问题,通过控制节点位置的变化满足拓扑一致,实现无缝连接。通过三维数值模拟计算结果与一维实验结果的对比发现,在同等精度要求下,采用网格融合技术及分区思想生成的网格整体上数量更少,生成速率更高,该方法可推广应用于更复杂几何模型的网格划分中。     

基于整体映射的不规则三维模型多细节层次描述

针对无孔洞、有边界的不规则三维模型，提出一种整体映射的多细节层次描述方法：先通过整体映射变换，将三维网格无遮挡、均匀地映射到平面正方形中；再通过正方形中初始网格的自动细化和重采样，得到所需的网格简化模型；获取不同层次简化模型，从而构建多细节层次描述。相对于传统的几何元素删除型网格简化局部型算法，以及新近的基于几何图像描述的整体型算法，该方法算法快速、简单、稳定，描述效果也较好。