基于手绘的三维建模系统的研究和实现*

研究基于手绘(sketch)的三维建模方法并实现相应的建模系统。通过对输入的手绘笔画(strokes)进行去噪、分段、识别等操作,将手绘笔画识别为直线、椭圆等基本图元,再根据图元之间的相应关系构建出三维模型,实现对用户输入意图的自动三维解释。实验结果表明,该方法能够对输入的strokes进行精确的分析处理,实现对输入手绘笔画的三维建模。     

基于单幅图像的三维对称自由形体重建

为了方便快捷地重建出输入图像中的物体,基于单幅图像,提出一种利用二维手绘线画图重建生成三维对称自由形体的方法.在以单幅图像为背景的画布上,用户首先根据图像中的物体位置为待重建模型指定一个对称面;然后为确定了对称面的物体绘制出其各个子部分的手绘线条,每个子部分通常由4条手绘曲线表示,即1对对称曲线和1对非对称的一般曲线,对称曲线的深度坐标信息可以利用物体对称面信息进行计算,一般曲线的深度坐标信息则可以由同一子部分的三维对称构造曲线计算得到;利用恢复了深度信息的三维构造曲线,自由形体的每个部分可以分别由1对对称构造曲线和1对非对称构造曲线利用旋转混合方法生成其参数曲面,并离散化为三角网格表示;根据输入图像中物体的纹理信息进一步合成自由形体每一部分的表面纹理,最终得到三维物体.实验结果表明,该方法得到的三维自由形体具有较强的真实感.     

手绘输入的三维建模和编辑技术

对当前基于手绘建模技术的研究现状进行分析,提出一个融合手绘识别与几何约束推理为一体的智能化建模体系,突出了概念建模过程中的逐步提纯、快速三维模型生成和编辑特性;针对手绘输入的二义性,提出对于多笔画连续输入的适应性逻辑推理模型以及自顶向下的约束树求解方法,不断组合历史信息,确定并创建出任意的三维模型.实验结果有效地显示和验证了此技术的高效性.     

一种基于手绘草图的三维建模方法研究

研究一种基于手绘草图进行三维建模的方法。将用户界面分为手势区、轮廓区、控制区、信息提示区等。根据手势区输入的手势以及控制区输入的控制信息,对轮廓区输入的二维信息构建三维模型。采用模板匹配的方法识别用户手势,采用容差环的方法识别用户输入的物体轮廓,根据生成的三维数据之间的分层信息构建物体表面三角网格,对物体进行三维建模。     

基于手绘花瓣的花朵建模方法

针对现有花朵建模方法形成的花瓣式样与形态单一的缺陷,提出一种基于手绘花瓣的交互式花朵建模方法。该方法首先根据手绘花瓣的轮廓图提取花瓣模型的二维控制点,然后通过弯曲控制函数得到花瓣的三维控制点,继而利用三维控制点构造三维花瓣模型,最后由经过真实感渲染的单个花瓣构建花朵。实验结果表明,与其他建模方法相比,该建模方法能够方便地生成各种裂瓣状花瓣的花朵且真实感更强。     

在线手绘草图识别中的用户建模方法

提出了一种在线手绘草图识别的用户建模方法。该方法首先利用用户输入笔划的速率和曲率特性进行笔划特征点抽取和笔划分段,从而将用户的输入草图分解成基本图元表示;进而,利用决策树收集和记录用户输入草图的时序信息,实现对复杂手绘草图的用户建模和在线识别,并通过对用户输入模式使用频率的统计实现对用户模型的动态管理和更新。实验表明:该方法不仅能显著提高复杂图形的识别效率,而且具有在线训练能力。     

型面分析法及其在自由曲面建模教学中的应用研究

自由曲面建模是三维建模软件教学的难点,也是许多三维建模工作者的薄弱点。该文从建模软件应用而非软件开发人员的视角,通过对自由曲面构成规律的总结,介绍了以型面分析法为核心的自由曲面三维建模方法的基本内容和分析方法,指出了三维自由曲面数字建模教学中的关键知识与内容。     

用自由曲面表示三维形体以及数据结构的设计

本文首先介绍了用于表示三维形体的两类常见的方法,它的适用范围及特点。然后重点讨论如何用自由曲面构造三维形体,它的数学描述及其拼接。最后,给出一种适用于曲表面构造三维形体的数据结构。     

融合手绘风格的卡通角色动画生成方法

手绘风格的卡通动画具有灵活、自然、表现力强等特点.为了快速地创作体现手绘风格的卡通角色动画,提出一种基于多视点手绘图的动画生成方法.首先利用手绘图构建角色的三维网格和骨架子空间模型;然后结合姿态重建和微分域网格变形算法,创建一组与多视点手绘图相匹配的视点相关模型,以表达手绘风格;最后通过运动标注和启发式泛化算法将手绘风格融入输入的运动序列,使生成的动画既保留运动序列的原始特征,又体现手绘图的笔画风格.实验结果表明,该方法能够有效地生成体现手绘风格的卡通角色动画.     

智能像卡输入的手绘电气符号识别研究

电气符号的自动输入与识别是手绘电路图的数字化表示最为关键的技术之一。针对脱机手绘电气符号输入与识别．提出了一种特定输入方式下的手绘电气符号识别新方法,首次采用智能像卡作为手绘电路图图形输入设备;提出了一种称为扩展网格比较特征提取法来提取手绘电气元件符号的特征;构造三层BP神经网络作为识别器。实现了手绘电气符号的脱机识别。通过对典型电气符号的识别实验表明：智能像卡是一种可行的图形输入工具,所提方法对手绘电气符号识别具有较高的识别效果。     

Interactive modeling of complex geometric details based on empirical mode decomposition for multi-scale 3D shapes

In this paper we develop an interactive modeling system for complex geometric details transformation based on empirical mode decomposition (EMD) on multi-scale 3D shapes. Given two models, we aim to transfer geometric details from one model to another one in an interactive manner. Taking full advantages of the multi-scale representation computed via EMD, different-scale geometric details can be transferred individually or in a concerted way, which makes our algorithm much more flexible than cut-and-paste and cloning based methods in transferring geometry details. In this process, the target surface with new transferred details could be generated by a mesh reconstruction method widely used in Laplacian surface editing. With the original positions of target surface serving as the soft constraints, the overall shape of the target model will be fully preserved. Our method can also support real-time continuous details transfer. Compared with state-of-the-art algorithms, our method provides an easier-to-use modeling tool and produces varied modeling results. We demonstrate the effectiveness of our modeling tool with various applications, such as detail transfer and enrichment, model reuse and recreation, and detail recovery for shape completion.     

基于曲率流的四边形主导网格的光顺方法

网格模型是计算机图形学和数字几何处理中运用最为广泛的三维几何表达方式.四边网格(以四边形为主的网格)由于其符合人们对几何形状变化的自然感知,在表示三维几何上有其独有的优势,并且可以更为直接地应用在几何造型、细分曲面、建筑设计等方面.文中针对四边形主导网格含有噪声的情况,设计了一种基于表面微分属性的光顺方法,该方法具有易实现、计算效率高的特点.基于曲率流的几何扩散可以有效地保持原网格的几何特征,同时还针对四边形主导网格的T-顶点进行了特殊处理.     

基于周期性晶格的3D打印模型轻量化方法

为了获得3D打印模型节材效果和优化的物理力学性能,从晶格的形状多变性出发,提出了一种基于晶格的3D打印轻量化结构生成方法,由此产生的轻量化结构用来替代给定模型的实体空间.首先,提出了一种通用的晶格描述方法,进而对晶格的几何和拓扑特征进行个性化设计.其次,通过在模型包围盒内周期性排列晶格单元,构造出了实体建模所依附的拓扑...     

A spatial warping method for freeform modeling based on a level-set method

Providing an intuitive and effective tool for freeform geometric modeling is important for product design. We introduce in this paper a level-set based spatial warping method for freeform modeling, allowing shape deformation to be initialed by rigid body transformations of volumetric tools. Intuitive user operations including imprinting, deformation and smoothing are developed to shield the user from the underlying geometric complexity. Unlike mesh-based spatial warping methods, the developed method represents a digital model by implicit distance field data and describes its change of geometry by the level-set method. This guarantees the generation of topologically correct triangular mesh models and circumvents the error-prone remeshing and mesh-repairing processes, thus preventing topological errors such as self-intersections. We present this method with algorithm details, numerical experiments and modeling examples.     

Non-rigid 3D shape tracking from multiview video

We present a fast and efficient non-rigid shape tracking method for modeling dynamic 3D objects from multiview video. Starting from an initial mesh representation, the shape of a dynamic object is tracked over time, both in geometry and topology, based on multiview silhouette and 3D scene flow information. The mesh representation of each frame is obtained by deforming the mesh representation of the previous frame towards the optimal surface defined by the time-varying multiview silhouette information with the aid of 3D scene flow vectors. The whole time-varying shape is then represented as a mesh sequence which can efficiently be encoded in terms of restructuring and topological operations, and small-scale vertex displacements along with the initial model. The proposed method has the ability to deal with dynamic objects that may undergo non-rigid transformations and topological changes. The time-varying mesh representations of such non-rigid shapes, which are not necessarily of fixed connectivity, can successfully be tracked thanks to restructuring and topological operations employed in our deformation scheme. We demonstrate the performance of the proposed method both on real and synthetic sequences.     

基于区域分割的三角网格模型相似性比较

为了在工程应用中检索已有的三角网格模型,以便重用相应零件的设计信息,节省设计和加工成本,提出一种基于区域分割技术的三角网格模型相似性比较算法。依据三角网格模型的球面图像将模型分割为若干个区域;对每个分割得到的区域用一个10维向量表达其形状的几何特征和拓扑特征,一个三角网格模型的特征即可通过各分割区域所对应的10维向量组成的向量组表达;将该向量组作为三角网格模型的形状描述子,两个三角网格模型的相似性可通过相对应的形状描述子间的相似性表达。将描述子中的每个向量看成是一个带有属性的节点,通过两组节点组成的完全二分图的最优匹配进行两个形状描述子之间的相似性比较,实现两个三角网格模型之间的相似性比较。实验结果表明,该算法有效可行。     

基于整数维约束的分维形状映射生成方法

把整数维图形研究方法与分数维图形研究方法相结合，提出一种基于整数维规则几何形状的约束的分维形状映射生成方法，有于描述自然界和工程中出现的且具有特定基本形状趋势的随机现象和随机过程，首先，任意选取一个具有调配函数的自由形状构造一个有序参数空间，确定有序参数的取值规律和区域，把有序参数空间与自适应神经网络，随机性相结合，构造一个随机离散参数空间，并建立起有序参数与随机离散参数之间的参数对应关系，最后，通过有序与无序的参数对应关系，建立一个独立于任意规则几何形状的统一的分形映射关系，对相应整数维的任意规则参数几何形状分形映射，生成宏观形态趋势可预见和可控制的分维形状，该提出的方法适有于任意参数几何形状的分形映射，生成分形图形，且方法简明，易于实现。     

Eulerian shape design sensitivity analysis and optimization with a fixed grid

Conventional shape optimization based on the finite element method uses Lagrangian representation in which the finite element mesh moves according to shape change, while modern topology optimization uses Eulerian representation. In this paper, an approach to shape optimization using Eulerian representation such that the mesh distortion problem in the conventional approach can be resolved is proposed. A continuum geometric model is defined on the fixed grid of finite elements. An active set of finite elements that defines the discrete domain is determined using a procedure similar to topology optimization, in which each element has a unique shape density. The shape design parameter that is defined on the geometric model is transformed into the corresponding shape density variation of the boundary elements. Using this transformation, it has been shown that the shape design problem can be treated as a parameter design problem, which is a much easier method than the former. A detailed derivation of how the shape design velocity field can be converted into the shape density variation is presented along with sensitivity calculation. Very efficient sensitivity coefficients are calculated by integrating only those elements that belong to the structural boundary. The accuracy of the sensitivity information is compared with that derived by the finite difference method with excellent agreement. Two design optimization problems are presented to show the feasibility of the proposed design approach.     

多特征融合的网格模型简化方法

针对三维网格模型简化过程中的过简化和失真问题,提出一种利用多特征融合的度量方法引导三维网格模型的简化过程。该方法通过分析模型简化的误差度量准则和模型的特征信息,首先利用法向信息加权的二次误差方法度量模型的几何特征信息;然后采用三角形边长比信息加权的挠率度量模型的视觉特征信息;最后融合几何特征信息和视觉特征信息作为模型简化的多特征信息引导模型简化。实验结果表明,该方法可有效保证算法的计算效率,保持简化后模型的形态特征,解决了模型的过简化和失真问题。     

基于LEPP递变的四面体网格自适应剖分算法

为了更合理地进行四面体网格剖分,提出了一种根据待剖分对象形态不同进行网格密度自适应调整的四面体网格剖分方法。该方法首先采用BCC(body-centered cubic)网格初始化网格空间,并根据表面曲率的大小以及距离物体表面的远近,采用LEPP(longest edge propagation path)算法由外至内对初始化后的网格空间进行不同尺度的细分;然后对横跨表面的网格进行调整,以形成对象的表面形态;最后采用以质量函数引导的拉普拉斯平滑与棱边收缩(edge collapse)的方法对网格的质量进行优化来最终得到待剖分对象的四面体网格。结果表明,该方法所生成的网格不仅具有自适应的网格密度,而且网格质量比常用的Advancing Front算法也有所提高。对于基于3维断层图像或表面模型进行有限元建模,该方法不失为一种行之有效的好方法。