三维表面的曲面描述与相似性判别

针对三维物体表面的描述和识别问题,从描述三维表面变化的基本参数-法向量出发,以法向量累积分布曲线NVCDC为不变量,对比较光滑的三维曲面,给出了一个描述形状的方法方法和相似性判别准则,并依法向量的方向角将三维空间分割成子空间,然后统计落入每个子空间的法向量个数,以得到法向量的分布,再将其排序后,即得到法向量累积分布曲线NVCDC,由于与不同的法向量累积分布曲线对应的三维曲面也是不同的,所以采用NVCDC之间的差异为相似性判别准则,对不同三维曲面进行了一对一的相似性判别,为检验该方法的效果,还对足底表面进行了实验,结果表明,该曲面描述方法与相似性判别则是有效的。     

利用径向基函数重建飞机表面的Cp值曲面

利用风洞实验获得的复杂飞机表面上部分散乱点的Ｃｐ值,重建出整张曲面上的Ｃｐ值是气动力学分析中的一个难题。该文提出一种新的重建Ｃｐ值曲面方法,先将形状复杂的飞机表面转化为与其拓扑等价的规则曲面,再利用径向基函数对这些散乱点的值进行光滑插值加密计算重建出全局值。通过大量标准函数测试以及实际应用证明,该方法简单、准确、有效。     

基于曲率流的点模型编辑方法*

为了对点模型表面进行保细节的自由形状编辑,提出了一种基于曲率流的点模型形状编辑方法。该方法定义了基于平均曲率流的光顺算子,通过此光顺算子获得点模型不同光滑程度的曲面表示。运用对应曲面上点之间的向量差进行相应几何细节的抽取,在相邻的曲面表示之间将几何细节剥离出来。用户可以在不同的曲面上进行自由形状编辑,而无须关心几何细节。在变形后的曲面上再将相应的几何细节映射回去,实现对模型保细节的变形。实验结果表明该方法是一种有效的点模型造型算法,在变形的同时,有效地保持了模型表面的细节特征。     

基于曲率流的点模型编辑方法*

为了对点模型表面进行保细节的自由形状编辑,提出了一种基于曲率流的点模型形状编辑方法。该方法定义了基于平均曲率流的光顺算子,通过此光顺算子获得点模型不同光滑程度的曲面表示。运用对应曲面上点之间的向量差进行相应几何细节的抽取,在相邻的曲面表示之间将几何细节剥离出来。用户可以在不同的曲面上进行自由形状编辑,而无须关心几何细节。在变形后的曲面上再将相应的几何细节映射回去,实现对模型保细节的变形。实验结果表明该方法是一种有效的点模型造型算法,在变形的同时,有效地保持了模型表面的细节特征。     

逆向工程中基于三目视觉自动提取并构造复杂曲面边界技术

在逆向工程中复杂曲面零件表面的几何模型的构造是研究重点之一，根据零件表面 的数字化数据提取零件表面的边界是构造零件几何模型的关键步骤．本文提出基于三目视觉 方法来提取和构造复杂曲面边界的技术．从一幅图像中提取反映物体边界的特征点，再利用 图像匹配方法得到这些特征点的空间坐标，最后以这些特征点构造出物体边界B样条曲线．     

基于异形曲面拟合引导的深度信息修复算法

为了克服异形投影曲面RGB-D空间的深度信息出现非预期抖动、表面采样缺失等问题,提出一种基于异形曲面拟合引导的深度信息修复算法。通过将格雷码序列图像投射于异形投影曲面对其赋予高可用纹理特征,使纹理形态为原始深度信息的修复过程提供强约束引导参照,以实现异形投影曲面的非重建式平缓区域划分。再利用原始深度信息划分结果对各平缓区域分别进行曲面拟合,然后根据拟合曲面方程对该区域内原始深度信息进行平滑修复,从而增强异形投影曲面深度信息的可用性及可信性。算法验证结果表明,该深度信息修复算法不仅能够实现异形曲面的空洞填补与平滑修复,还能够有效地减少深度信息过修复、欠修复等情况发生。     

基于扩展测地线的鞋楦围长测量

通过扩展测地线的定义,把鞋楦围长测量问题转化为求解鞋楦曲面上带宽度属性的测地线问题.首先以传统测地线为初始曲线在鞋楦曲面上构造具有一定宽度的子曲面,对子曲面进行离散点采样并构造弹簧质点系统;用带曲面约束的弹簧质点系统的运动能量作为子曲面的运动能量,再基于迭代优化的方法最小化子曲面能量,基于测地线思想计算出的鞋楦表面最短路径即为鞋楦围长;此外,对耗时较多的曲面约束计算采用GPU并行加速,进一步缩短了计算时间.实验结果表明,鞋楦围长测量结果达到了行业精度要求.     

基于空间网格表面距离的插值曲面

主要讨论基于空间网格表面距离的插值曲面.定义了一种空间网格表面距离,基于空间网格表 面距离,给出了两种定义在空间网格上的插值曲面：基于网格表面距离的径向基函数插值曲 面和基于网格表面距离的Kriging插值曲面,讨论了曲面的无穷阶光滑性,给出了一种计算网 格表面距离的折线跟踪算法.作为整体曲面,此类插值曲面与网格表面形状较为相符,比较适 合于局部插值与参数估计,如梯度、法方向的估计等计算.     

基于散乱点的增量式曲面逼近

针对用接触式三维点数据获取设备快速输入的物体表面散乱点云数据，提出了增量式B样条曲面快速逼近算法．该算法首先要获得重建曲面的边界数据，以生成初始曲面；然后对输入的散乱数据点云用投影法计算出其参数值；再用模板子块在曲面上移动，反算出模块子块的控制点；最后更新整个曲面的相应控制点，实现边输入、边逼近，即增量式曲面逼近．在输入过程中可看到曲面逐渐逼近目标曲面的过程，在误差大的区域可以增加输入点来改善曲面逼近效果．对于复杂曲面进行多次投影计算散乱数据点参数及曲面逼近，可达到良好效果．     

反求工程中的隐式曲面快速自适应性多边形算法

论文给出一种反求工程中基于三角形细分的隐式曲面快速自适应性多边形化方法。该文先由输入的三维扫描数据点利用空间延展的MarchingCubes方法得到隐式曲面较为粗糙的三角形表面网格形状,再利用该文的自适应性优化方法对粗糙网格从三个方面自适应性调整,即调整网格顶点法向,控制曲率,再补偿网格抽样率。从而生成的三角网格和采样点具有局部适应性,能随着曲率的变化自动控制采样点的疏密程度,消除了逼近网格中的T-形边。实验表明,恢复的隐式曲面能很好地反映形状特征,能满足反求工程的实时需求。     

固体火箭发动机点火试验燃面退移最优重建方法研究

为了在固体火箭发动机点火试验中实际测试过程仅能够获得有限的燃面投影数据背景下,实现燃面退移图像的最优重建,一方面在ART算法基础上采用最小化图像全变分约束技术,以提高图像边缘重建质量;另一方面在获取的初步微波CT成像场的磁力线路径基础上,通过电磁场的传播规律增加磁力线路数,以增加成像信息量,从而得出不同直径固体火箭发动机燃面退移最优重建图像;经仿真实例得出了不同直径燃面在应用此最优重建方法得出的图像结果与实际数值之间的误差小于1 mm,符合重建要求,验证了固体火箭发动机点火试验燃面退移最优重建方法的有效性.     

最小能量约束与ARDP算法混合的病灶点云重建

针对传统面绘制方法随真实感的提升效率急剧下降,且交互性及灵敏度较差的问题,基于CT点云数据提出了一种肝脏病灶的表面重建方法。首先改进了点云数据的插值和自适应精简方法;然后提出将模型重构过程分为两部分,先通过最小能量约束和简化的MC算法由点云距离场快速创建粗糙的基底模型,接着提出一种线性最优化的ARDP算法用于自动计算点元投影向量,从而将当前模型表面节点直接映射至点云,通过交互式地确定迭代次数可按需逐步提高模型精确度,最终获取高质量模型,实现散乱点到平滑面的直接过渡。实验结果表明,利用该算法生成平均误差小于0.000 1的高精模型将大大缩短时间,且对不规则病灶模型有着良好的适应性。     

散乱数据拟合的自适应分片逆尺度空间算法

散乱数据拟合(逼近)是在信号处理、计算机图形学等领域中被广泛研究的问题, 近些年,利用优化方法获得散乱数据的稀疏表示逼近解也成为了优化和曲面重构交叉领域的热 点。基于由B 样条生成的PSI 空间中的散乱点曲面拟合问题和分片稀疏的联系,将分片稀疏性 引入到Bregman 逆尺度空间算法(ISS)中,提出一种自适应的分片逆尺度空间(aP_ISS)算法,处 理散乱数据的曲面拟合问题。通过对逆尺度空间系统分片符号一致性分析,得到了自适应分片 逆尺度空间系统的性能保证定理和避免了aP_ISS 参数的选取。应用到散乱点曲面重构问题上 的数值实验结果表明,该算法不仅可以有效拟合曲面,还能够较好保护分片稀疏性。     

RGBD融合明暗恢复形状的全视角三维重建技术研究

为了高效、高精度、低成本地实现对物体的全视角三维重建, 提出一种使用深度相机融合光照约束实现全视角三维重建的方法。该重建方法中,在进行单帧重建时采用RGBD深度图像融合明暗恢复形状(Shape from shading,SFS)的重建方法, 即在原有的深度数据上加上额外的光照约束来优化深度值; 在相邻两帧配准时, 采用快速点特征直方图（Fast point feature histograms, FPFH）特征进行匹配并通过随机采样一致性（Random sample consensus, RANSAC）滤除错误的匹配点对求解粗配准矩阵, 然后通过迭代最近点（Iterative closest point, ICP）算法进行精配准得出两帧间的配准矩阵; 在进行全视角的三维重建时, 采用光束平差法优化相机位姿, 从而消除累积误差使首尾帧完全重合, 最后融合生成一个完整的模型。该方法融入了物体表面的光照信息,因此生成的三维模型更为光顺,也包含了更多物体表面的细节信息,提高了重建精度;同时该方法仅通过单张照片就能在自然光环境下完成对多反射率三维物体的重建,适用范围更广。本文方法的整个实验过程通过手持深度相机就能完成,不需要借助转台,操作更加方便。     

Multiple reconstruction and dynamic modeling of 3D digital objects using a morphing approach

Organ segmentation and motion simulation of organs can be useful for many clinical purposes such as organ study, diagnostic aid, therapy planning or even tumor destruction. In this paper we present a full workflow starting from a CT-Scan resulting in kidney motion simulation and tumor tracking. Our method is divided into three major steps: kidney segmentation, surface reconstruction and animation. The segmentation is based on a semi-automatic region-growing approach that is refined to improve its results. The reconstruction is performed using the Poisson surface reconstruction and gives a manifold three-dimensional (3D) model of the kidney. Finally, the animation is accomplished using an automatic mesh morphing among the models previously obtained. Thus, the results are purely geometric because they are 3D animated models. Moreover, our method requires only a basic user interaction and is fast enough to be used in a medical environment, which satisfies our constraints. Finally, this method can be easily adapted to magnetic resonance imaging acquisition because only the segmentation part would require minor modifications.     

带噪声散乱数据的光滑曲面重构——变分水平集方法

带噪声散乱数据点的光滑曲面重构应用广泛,基于变分水平集方法提出一种求解该问题的新的能量模型,并由此能量得到一新的微分方程,该微分方程演化后得到的极限曲面即为要重构的光滑曲面.给出了一种快速建立初始曲面的方法,节约了重构时间;然后对该微分方程的初值问题运用水平集方法求解,其中的空间方向离散化采用本质无震荡或加权本质无震荡技术,时间方向采用具有高精度的TVD Runge-Kutta技术.提出一种变步长的TVDRunge-Kutta方法来重新初始化符号距离函数,保证了Runge-Kutta方法中每一欧拉步都满足迎风设计要求.实验结果表明,该方法高效且能产生良好的重建效果.     

A volumetric fusion technique for surface reconstruction from silhouettes and range data

Optical triangulation, an active reconstruction technique, is known to be an accurate method but has several shortcomings due to occlusion and laser reflectance properties of the object surface, that often lead to holes and inaccuracies on the recovered surface. Shape from silhouette, on the other hand, as a passive reconstruction technique, yields robust, hole-free reconstruction of the visual hull of the object. In this paper, a hybrid surface reconstruction method that fuses geometrical information acquired from silhouette images and optical triangulation is presented. Our motivation is to recover the geometry from silhouettes on those parts of the surface which the range data fail to capture. A volumetric octree representation is first obtained from the silhouette images and then carved by range points to amend the missing cavity information. An isolevel value on each surface cube of the carved octree structure is accumulated using local surface triangulations obtained separately from range data and silhouettes. The marching cubes algorithm is then applied for triangulation of the volumetric representation. The performance of the proposed technique is demonstrated on several real objects.     

基于闭环理论的自由曲面测量与实时重构

寻求更优的测量方法和更精确的重构模式一直是逆向工程中的研究重点。基此,对具有自由曲面特征的产品逆向,提出一种自适应测量、实时重构和在线评价的方法。依据几何特性,测量实物外形并用高次Bézier曲线拟合,微分推演探测点及矢量,指导三坐标测量机CMM（Coordinate Measuring Machining）自适应探测完整实物点云;借助非均匀B-spline架构曲面模型,基于扫描网格和实物特征从以上重构的曲面上抽取关键检测点,在线引导CMM确定上述检测点在实物上的准确位置并评价已构曲面误差,若误差高于阀值就将检测点加入更新曲面,逐步提高直至满足几何精度,集成测→构→评→添的全闭环逆向过程,建立精确的实物数字化模型。实例验证表明,该方法可利用曲面的几何特性,让测点分布随曲面曲率变化而呈疏密变化,以获得高质量的原始数据点云,实时模型重构、在线评价并及时添加检测点修正模型,可完整表述曲面的几何信息,可使重构模型精度达微米级。     

Three-dimensional surface reconstruction of tree canopy from lidar point clouds using a region-based level set method

In this article, a novel method is proposed for three-dimensional (3D) canopy surface reconstruction of trees using a region-based level set method. Both individual tree crowns and clusters of trees are first marked for further exploration. Multiple horizontal slices corresponding to different heights are obtained. The 3D structure of tree canopy is built using raw data from lidar point clouds. Also, new applications are proposed based on the new method for 3D forest reconstruction. The biomass parameters of the forest, including tree intersection area, tree equivalent crown radius, and canopy volume, can be calculated from stacking 2D slices of trees. Tree types are also identified and classified. The results indicate that this approach is effective for 3D surface reconstruction of forests including individual trees and clusters of trees, and that critical forest parameters (such as tree intersection area, tree position, and canopy volume) can be derived for the evaluation and measurement of biophysical parameters of forests.     

基于B 样条曲面插值误差控制的内超环面齿轮齿面建模

针对内超环面齿轮齿面数控加工精度难以保证的问题,提出一种基于B 样条曲面 插值误差控制的内超环面齿轮齿面建模的方法。该方法以内超环面齿轮理论齿面原型为依据, 运用B 样条曲面构造插值曲面,计算插值曲面片与理论齿面之间的误差。通过插值误差分析, 根据误差分布特点,将型值点网格不断细化,获得一组型值点阵,经插值重构后可得到满足精 度要求的内超环面齿轮齿廓模型。最后,通过数控加工验证了建模的有效性。基于B 样条曲面 插值误差控制的内超环面齿轮齿面建模方法为获得高精度的内超环面齿轮实体模型奠定了理 论基础。