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1、章志勇：三维模型几何相似性比较研究 浙江大学博士学位论文 博博 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目论文题目 三维模型几何相似性比较的研究三维模型几何相似性比较的研究 作者姓名作者姓名 章志勇章志勇 指导教师指导教师 潘志庚 研究员（浙江大学） 潘志庚 研究员（浙江大学） 张明敏 副教授（浙江大学） 张明敏 副教授（浙江大学） 学科 学科(专业专业) 计算机科学与技术计算机科学与技术 所在学院所在学院 计算机计算机科学与技术科学与技术 提交日期提交日期 二零零五年六月二零零五年六月 浙江大学博士学位论文 II 三维模型几何相似性比较的研究三维模型几何相似性比较的研究* 章志勇章志勇 2005
2、.6 提交浙江大学研究生院提交浙江大学研究生院 申请博士学位申请博士学位 计算机学院计算机学院 *本博士论文研究工作受以下课题资助: (1) 国家自然科学基金项目面向内容检索的三维实体模型相似评价研究（项目编号: 60403049） (2) 浙江省自然科学基金科技人才培养专项基金项目（项目编号:RC40008） 浙江大学博士学位论文 III The Research for 3D Model Geometry Shape Similarity Matching Zhang Zhiyong June 2005 Submitted to the graduate school of Zhejian
3、g University in partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of philosophy Department of Computer Science we first calculate the depth perspective projection of 3D models from viewpoints, and then extract the topology characteristic and light distribution characteristic of the per
4、spective projection, finally we obtain shape similarity among 3D models via matching the similarity of the characteristrics of perspective projection. In our algorithm, we express the topology of projection with Reeb graph, and adopt multi-scale generic Fourier descriptor to express the light distri
5、bution of projection. We choose the best view angle and efficient distribution fashion via the retrieval experiments. Experimental results show that our visual-base search key is robust to rotation, noise and changes caused by mesh simplification or subdivision, and it provides better performance (i
6、n sense of precision-recall evaluation diagram) than some other competing approaches. The outline-based shape approach uses the distribution of vertices or polygons to judge the similarity between two 3D models. A novel outline- based shape similarity matching algorithm is presented. We construct a
7、new Feature Binary Tree of 3D model based on spherical harmonic descriptor, and consider it as a search key for 3D shape data sets. Experimental results show that our outline-base search key is robust to rotation, noise and changes caused by mesh simplification or subdivision, and it provides better
8、 performance (in sense of precision-recall evaluation diagram) than some other competing approaches. In this paper, we present a content-based image similarity matching approach based on spherical harmonic descriptor. Experimental results show that this descriptor provides better performance (in sen
9、se of precision-recall evaluation diagram) than some other descriptors, and it is invariant to rotation and invariant to roll back. Keywords: Multimedia retrieval, 3D models retrieval, Shape matching, Topology matching, 3D models retrieval system. 浙江大学博士学位论文 - 1 - 目 录 目 录 独创性声明. I 摘 要.II ABSTRACT .
10、IV 第一章 三维模型检索系统发展与现状. 1 1.1 通用领域三维模型检索系统 1 1.1.1 通用领域三维模型检索系统现状 2 1.1.2 通用领域三维模型检索系统特点 9 1.1.3 通用领域三维模型检索系统发展趋势. 10 1.2 专业领域三维模型检索系统 . 11 1.2.1 生物分子模型检索系统. 12 1.2.2 机械零件模型检索系统. 12 1.2.3 地形匹配检索系统. 12 1.3 其他多媒体检索系统 . 13 1.3.1 文本检索系统. 13 1.3.2 图像检索系统. 14 1.3 本文的主要工作 . 14 第二章 三维模型几何相似性比较算法综述 16 2.1 基于轮廓
11、的几何相似性比较算法 . 16 2.1.1 基于统计直方图的算法. 16 2.1.2 基于扩展高斯图像的算法. 21 2.1.3 基于函数分析的算法. 23 2.1.4 其他基于轮廓的几何相似性比较算法. 26 2.2 基于拓扑结构的几何相似性比较算法 . 27 2.2.1 基于Reeb图的几何相似性比较算法. 27 2.2.2 基于中轴线的几何相似性比较算法. 30 2.3 基于视觉的几何相似性比较算法 . 30 2.4 小结 . 33 浙江大学博士学位论文 - 2 - 第三章 三维模型几何相似性比较预处理 37 3.1 三维模型预处理 . 37 3.2 坐标系归一化预处理 . 38 3.2
12、.1 坐标系原点归一化. 38 3.2.1 坐标系比例归一化. 38 3.2.2 坐标系旋转归一化. 39 3.3 三维模型各向同性变换 . 44 3.3.1 各向同性变换原理. 44 3.3.2 各向同性变换实验. 46 3.3.3 各向同性变换预处理检索实验. 47 3.4 小结 . 49 第四章 基于透视投影的三维模型几何相似比较算法 50 4.1 三维模型的视觉图像 50 4.1.1 三维模型的视觉图像. 50 4.1.2 人对视觉图像的理解. 51 4.2 视觉图像特征计算 . 52 4.2.1 视觉图像的拓扑结构特征计算. 53 4.2.2 视觉图像亮度分布特征. 54 4.3 算
13、法主要步骤 . 62 4.3.1 透视投影图像计算. 62 4.3.2 透视投影变换视点布置. 63 4.3.3 三维模型相似度计算. 64 4.4.4 算法主要步骤. 65 4.4 实验分析 . 65 4.4.1 视点密度实验分析. 66 4.4.2 透视角度实验分析. 68 4.4.3 不同算法对比实验分析和算法鲁棒性实验分析. 70 4.4.4 各向同性预处理实验分析. 72 4.5 小结 . 74 浙江大学博士学位论文 - 3 - 第五章 基于球面调和的多尺度三维模型几何相似性比较 75 5.1 相关工作 . 75 5.1.1 检索实验分析. 75 5.1.2 各向同性预处理检索实验分
14、析. 79 5.2 基于球面调和的多尺度几何相似性比较 . 81 5.2.1 球面调和分析特征向量. 81 5.2.2 多尺度三维模型几何相似性比较. 83 5.3 检索实验分析 . 86 5.3.1 检索实验分析. 86 5.3.2 算法鲁棒性实验分析. 86 5.3.2 各向同性预处理检索实验分析. 88 5.4 基于球面调和的灰度图像相似性比较 . 89 5.4.1 平面图像到球面图像的映射. 89 5.4.2 图像相似性比较实验分析. 90 5.5 小结 . 91 第六章 未来工作展望 93 参考文献 95 作者攻博期间论文发表和录用情况. 103 致 谢 104 浙江大学博士学位论文
15、 - 4 - 第一章 三维模型检索系统发展与现状第一章 三维模型检索系统发展与现状 随着三维技术的发展，三维模型的使用日益广泛，三维模型检索作为一种新 的多媒体信息检索方法得到了日益重视和发展。 本章分析介绍了三维模型检索系 统的现状及发展， 并详细论述了三维模型检索系统与其它多媒体信息检索系统之 间的共同点、以及三维模型检索系统自身的特点。 本章第1.1 节详细介绍了通用领域内的三维模型检索系统的现状以及发展趋 势；第 1.2 节介绍了一些专业领域内的三维模型检索系统；第 1.3 节分析了三维 模型检索技术与文本和图像多媒体检索技术之间的联系；第 1.4 节介绍了本文的 主要研究工作。 1.
16、1 通用领域三维模型检索系统通用领域三维模型检索系统 随着 Internet 技术与多媒体技术的飞速发展，数字化信息可以以不同的形式 在网络上方便、 快捷地传输， 它们已经逐渐成为人们信息交流的重要手段。 目前， 人们可以通过网络或者其它途径来获得大量的多媒体信息， 为了在大量的多媒体 信息中获得自己需要的信息，多媒体信息检索系统很早就获得人们的重视，并且 得到了很大的发展。 “Information retrieval embraces the intellectual aspects of the description of information and its specification for search, and also whatever systems, techniques, or machines that are employed to carry out the operation.”By Calvin Moores. 在 1951 年，Ca
