基于“几何-拓扑”迭代优化的三维网格模型修复算法

针对三维网格模型孔洞保特征修复问题,提出一种基于"几何-拓扑"迭代优化的三维数据修复算法.给定残缺的三角网格模型,首先识别孔洞区域,利用动态规划方法对孔洞区域进行初始的三角剖分,赋予孔洞区域拓扑连接关系;然后识别孔洞边界一对特征点,基于特征点及其法向粗略拟合特征曲线,在特征曲线的指导下调整孔洞局部的拓扑结构,即孔洞区域拓扑连接关系优化;最后基于孔洞及其N环邻域构建保特征的局部总变分能量函数,迭代求解孔洞及其邻域的顶点几何位置,即局部顶点几何位置的优化,重复局部拓扑连接关系优化和顶点几何位置优化,直到拓扑结构优化处理中不再发生连接关系调整,即完成了三维网格模型的修复.在现有的完整三维网格模型上人为去除部分构造带孔洞的残缺模型,以此作为数据,与其他修复算法进行对比实验的结果表明,所提算法可以有效地恢复孔洞区域的显著特征,并且在修复时间和误差统计上占有明显优势.     

结合Delaunay 三角面分离法与搜索球策略的三维曲面重建算法

基于曲面重建在计算机图形学、三维GIS、逆向工程等领域有重要应用,结合区 域生长法与Delaunay 三角剖分的优势,提出了一种新的散乱点云曲面重建算法。首先根据曲面 中轴性质提出了分离角定义并推导了相关结论,利用局部Delaunay 三角形分离角性质抽取大量 位于模型表面三角形,从而构建种子三角网增加初始区域的生长面积其次运用自适应搜索球法 加快邻域三角形搜索并识别曲面边界。对比传统的基于Delaunay 法和传统区域生长法,该方法 只需要一次三角剖分,无需极点与法向量计算,重建速度快,具有Delaunay 三角网格的优良结 构特性,孔洞数量少,重建出的三维模型几何信息与拓扑关系准确。实验表明,结合Delaunay 三角剖分与区域生长法重构有向的流形三角网格模型,能够提高三维模型的重建效果与速度, 有效地自动识别曲面边界。     

结构光视觉三维点云逐层三角网格化算法

针对结构光视觉恢复的大规模三维点云的可投影特点,提出一种基于投影网格的底边驱动逐层网格化曲面重建算法。该算法首先将点云投影到一个二维平面上;然后基于点云投影区域建立规则投影网格,并将投影点映射到规则二维投影网格上,建立二维网格点与三维点云间的映射关系;接着对投影网格进行底边驱动的逐层网格化,建立二维三角网格;最后根据二维投影点与三维点的对应关系及二维三角网格拓扑关系获得最终的三维网格曲面。实验结果表明,算法曲面重建速度快,可较好地保持曲面细节特征。     

基于三维模型几何信息的纹理图像压缩

为进一步压缩三维模型数据,提高网络传输的速度,同时不降低模型渲染的视觉表现效果.提出了一种基于三维模型几何信息的纹理图像压缩算法.首先对模型三维网格做重网格化,使网格具备半正则的规则拓扑结构;然后利用半正则网格表面的几何信息对模型的三维特征点进行提取,对三维特征点在纹理空间的映射点应用k-means聚类算法获取感兴趣区域;最后结合基于感兴趣区域的嵌入式零树小波压缩算法,实现对模型纹理图像数据的编码和解码操作.实验结果表明,该算法提取的纹理图像感兴趣的细节区域更精确、压缩比高,经过解码和重建后的纹理图像在对三维模型表面贴图映射后具有更好的视觉效果.     

一种三角网格模型的轮廓生成方法

从三维网格模型中提取轮廓信息是一个具有挑战性的过程。现有的方法一般是基于局部形状特征 分析,如曲面的曲率和相邻面法向之间的夹角,但其特性通常对模型中的局部特征变化敏感。为了解决这个问题, 提出一种基于三维形状几何近似的轮廓提取方法。利用完善的变分几何分割算法来得到一套完整的描述性特征曲 线,首先基于变分几何近似方法划分模型为若干分片;其次提取所有分片的内部特征曲线,并过滤较短的特征曲 线;然后将分片的边界曲线平滑化;最后合并分片边界曲线与特征曲线,并延伸曲线得到闭合的轮廓。该方法的 优点是：在几何近似的基础上结合特征提取方法,使轮廓能够体现三维形状的全局结构。通过在各类网格模型上 进行实验和比较表明,该方法在提取模型轮廓的正确性和完整性方面优于现有方法。     

基于凸壳与有向包围盒的骨架提取方法

为获取三维模型的几何及拓扑信息,提出一种基于凸壳与有向包围盒(OBB)的线性骨架提取方法.首先将三维网格模型进行分割生成多个子网格模型;然后对各子网格中的点集求取凸壳作为该子网格点集的近似,由凸壳顶点的形心构成原始骨架点;再用OBB进行重叠计算求出相交点集,以生成关节骨架点;最后对原始骨架点与关节骨架点进行连接,经冗余检测后形成完整骨架.实验结果表明,该方法快速、有效,提取出的骨架能保证连通性与中心性且能很好地提取关节骨架点,为蒙皮关节动画、模型形状分析等提供有效信息.     

基于区域生长的三角网格模型孔洞修补方法

为复原残缺三角网格模型的原始形状,针对丢失尖锐特征的模型,提出一种基于区域生长的孔洞修补方法。在根据模型的拓扑连接关系提取孔洞边界信息后,利用广度优先算法以孔洞边界为起点对孔洞周边网格进行区域划分,由对应孔洞特征区域的几何性质计算新补丁面片的法矢,并据此逐层迭代地向孔洞内部进行异步生长,同时为每个孔洞边界网格设置一个控制信号控制区域生长的异步性,对不同区域的新面片求交恢复以确定尖锐特征线和特征角。实验结果表明,对于尖锐特征丢失的残缺模型,该方法在修补孔洞的同时能够完整地恢复模型的原始形状。     

基于单幅图像的真实感人体动画合成

由于单幅图像缺失三维信息以及完整的纹理信息,基于单幅图像的真实感三维人体动画合成极具挑战性。针对单幅图像三维信息缺失问题,提出了一种基于SMPL参数模型的三维人体几何重建方法。该方法以单幅图像为输入,先根据输入图像人体轮廓信息变形标准的SMPL参数模型分别生成与目标轮廓一致的正反面的三维几何模型,然后利用基于B样条插值的网格拼接融合算法拼接正反面三维几何,最后为了恢复正确的手部几何,利用基于B样条插值的网格拼接融合算法,将重建后的模型上错误的手部几何用标准SMPL参数模型上正确的手部几何替换。同时,针对单幅图像中纹理缺失的问题,提出了一个称为FBN（front to back network）的对抗生成网络,用于恢复被遮挡的人体背面纹理。实验结果表明,该方法生成的具有完整纹理的人体几何能够由3D运动数据驱动运动,生成具有高度真实感的三维人体动画。     

基于二维轮廓序列的膝关节三维重建

提出了一个基于二维轮廓序列的四面体网格生成方法,用于医学图像三维几何模型重构.该方法首先对各选定的断层图像提取目标轮廓并做分支匹配等处理,然后生成各轮廓内部平面域的三角网格,最后在相邻断层之间根据三角网格连接四面体单元.该方法被应用于人体膝关节虚拟手术系统的三维几何建模,得到的膝部股骨模型包含494个节点和2 046个四面体单元,膝部脂肪模型包含2 854个节点和14011个四面体单元,这些模型被成功地应用于膝关节手术仿真,从而证明了该三维模型重建方法的可行性和有效性.     

蒙太奇网格融合

三维物体融合是一种新的几何造型方法,它利用三维模型之间的剪贴操作从两个或多个现有的几何模型中光滑融合出新的几何模型.提出了一种基于局部调和映射的三维网格蒙太奇融合新方法.首先利用网格上的近似等距线算法来抽取出待融合区域,然后对两个待融合区域进行带内孔的调和映射参数化,最后通过拓扑合并和融合控制来实现网格的光滑融合.与原有的基于全局调和映射的融合方法相比,新方法的算法效率大幅度提升,求解时间不再随融合模型顶点数的增加而呈指数增长;减少了二维网格拓扑合并中奇异情况出现的概率,提高了算法的稳定性;被剪切网格的细节得到完整保留;消除了原算法对融合区域拓扑的限制.实验结果表明,此方法可以用来生成许多三维动画中的特殊夸张造型效果,在影视动画中具有应用价值.     

Wireframe Projections: Physical Realisability of Curved Objects and Unambiguous Reconstruction of Simple Polyhedra

The reconstruction of an object from a single 2D projection of a 3D wireframe model is a vision problem with applications in CAD/CAM and computer graphics.We propose an algorithm for the interpretation of wireframe projections based on assigning semantic and numerical depth labels to lines. This method allows us to state necessary and sufficient conditions for the physical realisability of a wireframe projection of a curved object. The presence of linear features provides further constraints on the positions of object vertices. For example, each straight line gives rise to a coplanarity constraint between a set of object vertices.We show that extra information, such as vanishing points, parallel lines or user-entered depth-parity information, is sufficient to uniquely determine the face-circuits in wireframe projections of polyhedra with simple trihedral vertices. In fact, a polyhedron with simple trihedral vertices can be unambiguously reconstructed from its 3D wireframe model.     

Parameterization and parametric design of mannequins

This paper presents a novel feature based parameterization approach of human bodies from the unorganized cloud points and the parametric design method for generating new models based on the parameterization. The parameterization consists of two phases. First, the semantic feature extraction technique is applied to construct the feature wireframe of a human body from laser scanned 3D unorganized points. Secondly, the symmetric detail mesh surface of the human body is modeled. Gregory patches are utilized to generate G¹ continuous mesh surface interpolating the curves on feature wireframe. After that, a voxel-based algorithm adds details on the smooth G¹ continuous surface by the cloud points. Finally, the mesh surface is adjusted to become symmetric. Compared to other template fitting based approaches, the parameterization approach introduced in this paper is more efficient. The parametric design approach synthesizes parameterized sample models to a new human body according to user input sizing dimensions. It is based on a numerical optimization process. The strategy of choosing samples for synthesis is also introduced. Human bodies according to a wide range of dimensions can be generated by our approach. Different from the mathematical interpolation function based human body synthesis methods, the models generated in our method have the approximation errors minimized. All mannequins constructed by our approach have consistent feature patches, which benefits the design automation of customized clothes around human bodies a lot.     

基于直线平行垂直关系美化三维线框模型

针对计算机线图解释中直线间几何关系可能存在不准确,从而出现视觉 表达问题的不足,研究了基于直线平行垂直关系美化三维线框模型方法。首先,计算正视投 影空间中三维线框模型中棱线方向矢量并选择基准棱线;然后,采用直线间平行垂直约束对 线框模型中出现几何错误的直线进行校正,重新选择已校正棱线为基准棱线重复上述操作; 最后根据新的棱线参数确定三维线框模型顶点新坐标。通过算例结果表明,该方法能够有效 地解决线框模型中出现的平行垂直几何问题,达到线框模型视觉上的美化。     

基于双目视觉的三维测量技术研究

本文对基于双目视觉的三维测量技术研究进行了深入挖掘,主要包括摄像机模型、双目相机的标定、图像校正、立体匹配等。同时借鉴机器学习的分类思想,将角点提取转化为二分类问题,利用随机森林算法来实现角点提取,再利用随机森林的预测结果来实现亚像素级角点提取。该方法相对于传统三维测量中的角点提取算法具有更好的自动化性能,能避免角点集群现象,能实现较高精度的亚像素级角点提取,获得更高精度的二维像素坐标。从而利用高精度的二维像素坐标来获得点的三维世界坐标,这也是基于双目视觉的三维测量技术的基础与核心。     

行李处理系统设计中三维模型的研究

该文将研究行李处理系统设计中的三维模型,对比实体模型、网格模型、线框模型在BHS设计过程中的优缺点,找到满足BHS设计要求的三维模型类型及三维建模方法。     

基于物体特征有效提取和离散点三维重建的3D扫描系统原型研究

针对3D扫描技术的近期发展情况,以及市场关于被摄物体特征有效提取的迫切需求,通过系统的对照相机和投影仪测量的方法与计算,利用离散点三维重建算法、标准化算法详细分析了,作为3D扫描原型系统的关键技术,并深入的对三维坐标重复演算的过程,进行了实践研究与计算,论证了基于投影光编码技术的3D扫描仪原型系统,在物体特征有效提取和离散点三维重建中完全可以高效应用;同时,使用焦距标准化运算、逆向倾角变形运算、逆向扭曲变形运算三种方法,综合论述了物体特征有效提取和离散点三维重建过程的相关内容,测试了原型系统对真实文物的扫描情况,展开了该原型系统可应用于不同材料,不同种类物体的扫描,并能有效的进行数字化物体特征识别的研究结论。     

基于点云面的区域性三维重建及点云拼接*

目前基于点云面的三维重建方法中,重建的区域性选择存在着两个问题：重建区域过大会导致目标物体不明确,效果不佳,运行时间长;重建区域过小会导致目标物体不完整,信息丢失。针对重建窗口过大时,本文采用改进的snake的区域性重建算法,即通过轮廓提取只对窗口内的目标物进行重建;针对重建窗口过小时,本文采用基于投影面的点云拼接算法,即通过重建后的点云进行拼接的方法使目标物体恢复完整。以上两点改进弥补了点云三维重建及拼接时出现的应用局限性和不稳定性,减少重建时间,提高重建有效性,鲁棒性。     

3D Shape Reconstruction of Lumbar Vertebra From Two X-ray Images and a CT Model

Structure reconstruction of 3D anatomy from bi-planar X-ray images is a challenging topic. Traditionally, the elastic-model-based method was used to reconstruct 3D shapes by deforming the control points on the elastic mesh. However, the reconstructed shape is not smooth because the limited control points are only distributed on the edge of the elastic mesh. Alternatively, statistical-model-based methods, which include shape-model-based and intensity-model-based methods, are introduced due to their smooth reconstruction. However, both suffer from limitations. With the shape-model-based method, only the boundary profile is considered, leading to the loss of valid intensity information. For the intensity-based-method, the computation speed is slow because it needs to calculate the intensity distribution in each iteration. To address these issues, we propose a new reconstruction method using X-ray images and a specimen’s CT data. Specifically, the CT data provides both the shape mesh and the intensity model of the vertebra. Intensity model is used to generate the deformation field from X-ray images, while the shape model is used to generate the patient specific model by applying the calculated deformation field. Experiments on the public synthetic dataset and clinical dataset show that the average reconstruction errors are 1.1 mm and 1.2 mm, separately. The average reconstruction time is 3 minutes.      

Parametric Surface Representation with Bump Image for Dense 3D Modeling Using an RBG-D Camera

When constructing a dense 3D model of an indoor static scene from a sequence of RGB-D images, the choice of the 3D representation (e.g. 3D mesh, cloud of points or implicit function) is of crucial importance. In the last few years, the volumetric truncated signed distance function (TSDF) and its extensions have become popular in the community and largely used for the task of dense 3D modelling using RGB-D sensors. However, as this representation is voxel based, it offers few possibilities for manipulating and/or editing the constructed 3D model, which limits its applicability. In particular, the amount of data required to maintain the volumetric TSDF rapidly becomes huge which limits possibilities for portability. Moreover, simplifications (such as mesh extraction and surface simplification) significantly reduce the accuracy of the 3D model (especially in the color space), and editing the 3D model is difficult. We propose a novel compact, flexible and accurate 3D surface representation based on parametric surface patches augmented by geometric and color texture images. Simple parametric shapes such as planes are roughly fitted to the input depth images, and the deviations of the 3D measurements to the fitted parametric surfaces are fused into a geometric texture image (called the Bump image). A confidence and color texture image are also built. Our 3D scene representation is accurate yet memory efficient. Moreover, updating or editing the 3D model becomes trivial since it is reduced to manipulating 2D images. Our experimental results demonstrate the advantages of our proposed 3D representation through a concrete indoor scene reconstruction application.