结合表面纹理与断裂轮廓的碎片拼接方法

陶土制文物在自然环境及人为发掘等过程中,碎片易受损缺失,断裂部位难以保证完整性,传统采用几何驱动的拼接方法受到限制。为此,针对断裂部位几何信息缺失的陶制文物碎片,提出一种结合表面几何纹理及断裂轮廓的拼接方法。使用Splatting lines生成方法提取碎片纹理特征线,对三维模型密集点采样,用不同参数溅射渲染2个深度图像,由两图像间差值生成线图。计算纹理形状边角信息,构造破损纹理约束条件,完成初步匹配。对断裂边界轮廓上的离散点集,利用遗传算法计算匹配点对,得到最终结果。实验结果表明,该方法能够实现缺损文物碎片的拼接,匹配度稳定在0. 53以上,且对纹理特征显著及缺损严重的碎片拼接效果较优。     

基于关键点特征描述子的三维文物碎片重组

对多个文物碎片进行重组时,确定文物碎片之间的邻接关系时间复杂度非常高;文物断裂部位因受损而存在一定的几何特征缺失,仅依靠断裂区域的几何特征进行拼接或重组难免会出现错误.鉴于此,提出一种基于关键点特征描述子的三维文物碎片重组方法.首先利用已有的文物"模板",采用内在形状签名算法提取文物"模板"和文物碎片原始面上的关键点;然后计算关键点的快速点特征直方图特征描述子;再通过比较其相似性来确定文物碎片在"模板"上的对应位置,即确定各个碎片断裂面之间的邻接关系;最后采用顺序拼合的方式及迭代最近点算法对多个碎片进行重组.实验结果表明,该方法能够有效地提高文物碎片虚拟拼接的效率.     

基于表面邻接约束的交互式文物碎片重组

为了有效地解决文物虚拟复原中因断裂部位表面受损严重而造成的几何特征缺失,导致已有的模型重组方法失效的问题,提出一种基于文物模型表面纹饰几何特征的交互式破损文物重组方法.首先通过生成显示脊线得到碎片表面纹饰的几何结构和主动轮廓线;然后领域专家根据几何纹饰的连贯性确定待拼合碎片的邻接关系,并给出初始位置及碎片的表面邻接约束,采用区域生长方法确定表面邻接约束点的最终位置;再以表面邻接约束点为中心获取初始匹配点集,并采用线段约束筛选出待拼合碎片间的最优匹配点对集;最后采用基于穷举搜索的形状匹配方法计算刚体变换,实现碎片拼合.实验结果表明,该方法能够实现复杂碎片的准确拼合.     

基于轮廓与断面匹配的秦俑碎片拼接方法

针对兵马俑第3次发掘大量破碎俑片的虚拟复原需求,分析秦俑碎片拼接的特殊性,归纳陶制碎片的分类原则,提出一种结合碎片边缘轮廓和断裂面匹配的混合拼接方法。依据俑体碎片断裂面厚度,将其映射到空间曲线模板或空间曲面模板。基于积分不变量计算俑体碎片特征向量,采用一致性约束方法获取碎片初始匹配点对。利用筛选算法去除伪初始匹配点对,应用几何哈希算法寻找碎片最优匹配点对。其中,空间轮廓曲线匹配基于多边形弧串匹配法,空间曲面匹配基于多尺度积分不变量法。对破碎兵俑和陶马的拼接结果表明,该方法能正确得到碎片间的匹配关系,具有较好的鲁棒性。     

文物碎块虚拟拼接中的表面特征优化

为了有效地度量空间曲面相似性,针对噪声敏感、部分匹配的受损文物碎块模型,提出一种基于空间曲面特征优化的匹配算法.首先计算模型表面点体积积分不变量形成匹配约束簇,提取匹配约束簇特征,并结合曲面凹凸互补性得到初始匹配簇对;然后定义3类空间几何一致性约束,并采用最大独立集方法对非正确匹配对进行消除,求解粗匹配最优化问题;最后在粗匹配实验基础上,采用不变特征迭代最近点进行精确对齐.实验结果表明,该算法能较好地实现高噪声影响下存在部分匹配关系的受损文物虚拟拼接.     

基于形状骨架图匹配的文物碎片自动重组方法

为了有效解决文物碎片自动重组中由于断裂部位受损造成几何信息丢失,采用传统几何驱动方法容易失效的问题,本文提出一种基于形状骨架图匹配的文物碎片自动重组方法,将碎片匹配问题转化为碎片表面纹饰中非完整纹元的互补匹配问题.首先,通过提取文物碎片表面特征线得到碎片表面的纹饰信息;然后根据完整纹元的特征确定非完整纹元互补匹配的约束条件,采用视觉骨架剪枝的方法提取完全位于断裂部位的非完整纹元的形状骨架图,基于形状骨架图语法及匹配约束条件判定非完整纹元是否互补匹配;接着,将碎片上非完整纹元的顺序作为上层约束条件,采用基于带剪枝深度优先的搜索方法搜索匹配碎片;最后,以邻接碎片上非完整纹元间公共弦的端点作为邻接约束点,采用最小二乘法计算刚体变换参数得到碎片的初始位置,并采用迭代最近点方法将邻接碎片精确对齐.实验结果表明,该方法能够有效解决断裂部位存在缺损文物碎片的自动重组问题.     

基于显著几何特征的文物碎片分类

采用传统的基于文物碎片形状特征的分类方法对外形受损的文物碎片准确率低下。 有浮雕或者印记的文物表面存在一些规律性的显著几何特征,提取此类特征结构可更好地描述 受损文物形状特征。提出一种基于显著几何特征的文物碎片分类方法。首先给出显著几何特征 的定义并计算代表模型表面局部区域的局部表面描述符,然后通过对局部表面描述符聚类来提 取兵马俑碎片表面的显著几何特征,最后运用EMD 方法对显著几何特征进行匹配并确定分类。 实验结果表明该方法对兵马俑碎片的分类具有较高的准确率。     

基于凹凸区域的断裂面匹配算法

针对破碎刚体复原给出一种断裂面匹配算法。根据平均曲率判断顶点的凹凸性,对凹凸顶点进行聚类将断裂面划分为多个凹凸特征区域;定义特征区域的协方差矩阵,根据其主成分和主方向定义特征区域的尺寸特征和各向异性特征,面积相近、类型相同和特征相近的区域为相似区域对,之后再根据距离主方向约束排除伪区域对;采用穷举法对每3对质心不共线的相似区域对,计算三维变换,将断裂面粗略对齐,再根据最近点迭代算法的收敛程度得到最优匹配,同时将两断裂面精细校准。实验结果表明,该算法能够实现较复杂断裂面的部分和完全匹配。     

基于角边特征的纸质碎片自动拼接复原算法

针对人工复原纸质文物碎片存在尝试次数多、拼接速度慢、复原准确性与完成度低等问题，提出一种依据碎片角度与边长特征进行纸质文物碎片自动拼接复原的算法。首先，将碎片图像进行预处理并根据碎片的角度值进行粗匹配，得到角度值相等的碎片图像；然后，在粗匹配的基础上，利用碎片的角边长进行细匹配减少重叠情况，得到碎片图像的基本匹配结果；最后，利用凹凸函数对方向相对的碎片图像情况进行遗漏弥补，并运用震荡函数对最终匹配图像进行缝隙弥补得到完整拼接结果。理论分析和碎片拼接仿真实验结果表明，与特征点、近似多边形拟合、角序列匹配等碎片自动拼接算法相比，所提算法的拼接准确率、拼接完成度与拼接耗时分别至少提高了12个百分点、11个百分点与10个百分点。所提基于角边特征的碎片拼接算法减少了繁琐的图像计算步骤，精确了碎片匹配结果，使得在实际文物修复等工程中能够实现非规则碎片高效、高精准的匹配。     

基于生成树代价和和几何约束的文物碎片自动重组方法

在文物碎片自动重组过程中, 针对传统基于几何驱动重组的方法容易受噪声影响会产生误匹配等问题, 本文提出一种基于生成树代价和和几何约束的文物碎片自动重组方法. 首先, 采用曲度函数提取碎片断裂面上凹凸性显著的n个特征点; 进而, 对其进行拓扑重构, 以特征点空间位置之间的欧氏距离为权值, 构造n阶带权无向完全图及其最小、最大生成树, 以生成树的代价和为邻接约束, 快速筛选潜在匹配碎片; 然后, 再以特征点的主曲率构造特征串, 引入Hausdorff距离来衡量两个特征串之间的相似程度, 可以有效找出配对碎片; 最后, 采用四元数法估算旋转平移矩阵将碎片粗对齐, 再采用迭代最近点算法实现精确对齐. 实验结果表明, 重组误差小于1 mm, 与传统方法相比, 该方法特征点数量较少, 计算量小, 有效提高了碎片重组的效率和准确性.     

基于黎曼度量参数曲面四边形网格生成方法及UG 实现

论文给出了基于黎曼度量的参数曲面网格生成的改进铺砖算法。阐述了曲 面自身的黎曼度量,并且运用黎曼度量计算二维参数域上单元节点的位置,从而使映射到三 维物理空间的四边形网格形状良好。文中对原有铺砖法相交处理进行了改进,在运用铺砖法 的同时调用UG-NX 强大的二次开发库函数获取相应的信息,直接在UG-NX 模型的表面生 成四边形网格。算例表明,该法能在曲面上生成质量好的网格。     

Generation of bi-monotone patches from quadrilateral mesh for reverse engineering

Thanks to recent improvements, computational methods can now be used to convert triangular meshes into quadrilateral meshes so that the quadrilateral elements capture well the principal curvature directional fields of surfaces and intrinsically have surface parametric values. In this study, a quadrilateral mesh generated using the mixed integer quadrangulation technique of Bommes et al. is used for input. We first segment a quadrilateral mesh into four-sided patches. The feature curves inside these patches are then detected and are constrained to act as the patch boundaries. Finally, the patch configuration is improved to generate large patches. The proposed method produces bi-monotone patches, which are appropriate for use in reverse engineering to capture the surface details of an object. A shape control parameter that can be adjusted by the user during the patch generation process is also provided to support the creation of patches with good bi-monotone shapes. This study mainly targets shape models of mechanical parts consisting of major smooth surfaces with feature curves between them.     

G1 Hierarchical Bézier Surface over Arbitrary Meshes

This paper presents a method for constructing composite surfaces based on a collection of quadrilateral patches. A global parameterization using bilinear quadrilateral meshes and FEM like minimization procedure are introduced. Smoothing conditions such as C¹ and G¹ are handled by constraint equation and a related duality argument is implemented. The surfaces that can be constructed in this way include conforming and non-conforming connections (3 n 6, T-nodes) between elementary patches. Non-manifold surfaces are automatically treated also by this data structure. The underlying quadratic programming with linear constraints is solved by duality methods. Hierarchical data structure with bordering matrices methods are implemented to deal with local refinement (subdivision). The present work details the actual implementation for the case of Bézier patches.     

Artifact analysis on triangular box-splines and subdivision surfaces defined by triangular polyhedra

Surface artifacts are features in a surface which cannot be avoided by movement of control points. They are present in B-splines, box splines and subdivision surfaces. We showed how the subdivision process can be used as a tool to analyse artifacts in surfaces defined by quadrilateral polyhedra ( [Sabin et al., 2005] and [Augsd?rfer et al., 2011]).In this paper we are utilising the subdivision process to develop a generic expression which can be employed to determine the magnitude of artifacts in surfaces defined by any regular triangular polyhedra. We demonstrate the method by analysing box-splines and regular regions of subdivision surfaces based on triangular meshes: Loop subdivision, Butterfly subdivision and a novel interpolating scheme with two smoothing stages. We compare our results for surfaces defined by triangular polyhedra to those for surfaces defined by quadrilateral polyhedra.     

插值边界的四边网格离散极小曲面建模方法

如何实现极小曲面的快速三维建模,是几何设计与计算领域中的难点和热点问题.给定一条封闭的边界离散折线,本文研究如何构造以其为边界的四边网格离散极小曲面.首先从曲面的内蕴微分几何度量出发,给出了离散四边网格极小曲面的数学定义;然后利用保长度边界投影、四边网格生成、径向基函数插值映射和非线性优化技术,提出了由给定边界离散折线快速构造离散四边网格极小曲面的一般技术框架.最后通过若干建模实例验证了本文方法的有效性.该方法可实现四边网格极小曲面的高质量建模,在建筑几何领域具有一定的应用价值.     

破碎刚体三角网格模型的断裂面分割

针对基于断裂面匹配的破碎刚体复原,提出了一种分割断裂面的方法。首先,根据相邻三角片法矢的夹角,将碎块外表面以棱边为界限分割成多张曲面;然后,根据曲面法矢的扰动大小和扰动图像,经过二次分割,将曲面区分为原始面和断裂面。实验结果表明,所提方法能够正确快速地提取出形状较复杂碎块的断裂面。