《基于二维投影的三维模型检索方法研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于二维投影的三维模型检索方法研究（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要3D数据获取技术、图形硬件、三维数据模型和可视化技术的发展,致使3D模型的增多。三维扫描技术与造型工具的日益普及,扩展了可供使用的三维模型数据库：互联网络的扩增强了人们获取分散存储的三维模型的能力,并为有效传播高质量模型创造了条件,因此研究一种自动的、对用户友好的三维模型的检索技术成为一个重要的课题。对于基于容的3D模型检索系统,最根本的问题是选取恰当的特征来区别不同的形状,以用来有效的索引相似的文件数据。3D模型检索方法可大致的分为3类：基于外形的低层方法；基于结构的高层方法；基于视角的方法。基于外形的低层方法尝试通过几何和拓扑的属性描述3D模型的形状,外形可以是由单独向量组成的一些外形
2、参数的固定数值或一系列外形参数的分布围；基于结构的高层方法尝试把3D模型分解成一系列关键部分,并提炼出这些部分的几何关系；基于视角的方法通过一系列从不同角度的二维投影来得出三维模型的外观。在对已有三维模型检索技术的进行系统研究的基础上,本篇论文提出了一种基于二维投影的三维模型检索方法,用以3D模型检索。此方法是以常量去转化并评价3D模型,并且它对于旋转是稳定的。实验数据显示,对于一些类型的三维模型,提出的基于二维投影的方法有着良好的查全率和查准率,是行之有效的方法之一。关键词：三维模型检索；基于二维投影；特征提取；相似度计算第一章绪论11研究的背景及意义我们处在一个三维世界里,一切被我们感知的
3、物体都以三维的形式存在,人类的视觉不仅能够感知二维平面的信息,且具有立体三维的特性。与二维图像相比,三维的模型所提供的视觉感知细节更多、更丰富,能够给人们带来更加详细的信息。三维模型的研究成为了一个热点话题,是因为：随着三维数据获取,如数字摄像机、扫描仪、核磁共振和3D激光扫描仪设备的功能越来越强,使用越来越方便,技术手段不断进步和成熟,使三维信息获取和表达变得越来越容易；众多三维建模软件和工具使得三维模型的设计变得简单；三维模型建模的专业需求越来越强,分子工程、地貌气象分析、工业产品设计、医学建模、虚拟军事行动等,都广泛使用了三维技术。构建数字化模型,可帮助科研人员更加直观、精确地处理各自领
4、域问题；在娱乐领域,游戏、电影产业的发展,使人们已经不满足于二维画面,传统的制作方法已经成为历史,精美绚丽的三维动画随处可见。而三维建模本身,也成为了一门艺术门派；计算机图形学技术发展迅速,三维图形处理硬件和CPU的速度已足够快,而且价格便宜,使得三维数据能在微机上快速处理和显示；蓬勃发展的互联网技术也使人们对信息共享和处理的方式发生了根本性的改变,网络已经成为人们获取信息的重要途径。互联网的普及,使三维模型被更广泛地转播和共享。各软件,各版本的三维数据兼容化、共享化趋势,加速了模型的标准化进程。三维模型已成为继声音、图像和视频之后的第四种多媒体数据类型。目前有数以兆计的三维模型存在,而且每天
5、都有大量的三维模型产生和传播,可以预见,在不久的将来,人们可以像使用二维图像一样使用三维模型。因此,为了从浩如烟海的信息中快速准确地找到需要的容,人们存在着对三维模型进行检索的迫切需求。12三维模型检索系统的发展作为新兴的领域,三维检索有重要的学术意义及应用价值。如,目前在我国,知识产权保护工作越来越受到重视,而知识产权保护的相关工作量也越来越大。在各种专利尤其是外观设计的申请的核准、审查和批复的过程中,都需要对各种三维模型进行比较。在工业设计过程中,三维数据可以完全提供产品的几何信息,为了实现给料、加工、质检的自动化,需要反复快速地检索、匹配标准零件模型库,在一个大型数据库中找到适合的三维模
6、型。数字化地球战略的推行,数字农业,生态环境保护,风险预警,路径规划应用中需要检索海量的三维模型标本。分子生物学基因技术中,蛋白质三维结构与功能的关系,是当前的重大科学问题,蛋变质三维结构相似性比较则是探索生命科学奥秘的重要手段,从计算机图形和视觉的角度来审视蛋白质三维空间结构的相似性检索,有着广阔的应用前景。互联网上也出现了大量的三维模型库,许多也将三维模型作为一种数字化商品提供给使用者。相对于二维多媒体信息的获取,三维模型的建模更加复杂。显然,搜索、共享大量的三维模型数据；在现有的模型基础上进行分类、比较、改进；把互联网,数据库技术与三维模型建模技术相结合显然更加节约成本。如今,人们的问题
7、已经由如何建造模型转换为如何检索所需要的现有模型。要在一个大型数据库中找到适合的多媒体信息,检索是一种必要的技术手段。三维模型检索的思想起源于三维模型识别,三维模型匹配以及基于容的模型检索。在基于容的三维模型检索领域,国外开展得比较早19971998年,加拿大国家研究院的Paquet等最早对基于容的三维模型检索技术进行了理论和算法的研究H1。自1999年以后,美国,德国,日本等国的研究人员相继投身于这个研究,如美国的普林斯顿大学、华盛顿大学、布朗大学、卡耐基梅隆大学,德国的慕尼黑大学、波恩大学,日本的IBM东京研究所,陆续提出了一些基于容的领域三维模型检索系统,使三维模型检索成为比较活跃的研究
8、领域。但是,总的来说,目前对三维模型检索同其他的多媒体数据检索系统一样,可以分为基于文本的检索和基于容的检索。大多数的商用多媒体检索系统使用基于文本的关键词搜索来帮助用户寻找想得到的多媒体文件信息。为了促进搜索的准确性,多媒体数据库的管理人员需主要凭经验给多媒体数据注释易挑选的关键词。如果数据库非常庞大,则费时费力却难以完成任务。此外,恰当的关键词因人而异。通常最普遍的方法是从文件名、标题、上下文中提取关键词。然而,当文件名不知所云,或毫无特点时,这种方法显然无效,因此,开发基于多媒体数据容自动而有效的检索系统已经成为一个重要的需求。基于形状的三维模型检索是指直接根据描述对象的形状特征进行检索
9、,它能从数据库中查找到具有指定特征或含有特定容的三维数据。面对日渐迫切的需要,已经有一些提供对三维模型的检索与下载服务,但由于主要应用的是文本关键字检索和目录浏览等手段,难以对复杂的模型进行充分描述,在这种情况下,对于三维模型进行有效检索方面的研究越来越受到人们的重视,很多研究机构开始对基于容的三维模型检索系统进行研究,并取得了一定的进展。目前已经开发出一些实验性的三维模型检索系统。13论文组成部分介绍在下面章节,在第二章对三维模型检索技术的形成与发展做了概述。在第三章讨论了目前较常用的一些三维模型特征提取技术。在第四章,介绍了提出的一种三维模型特征提取方法,此方法称为基于二维投影的三维模型检
10、索方法,并对实验结果做出了分析比较。第二章三维模型检索技术概述21二维图像检索物体之间形状相似性的比较,可以追溯到早期基于形状的图像检索：提取图像中感兴趣物体的轮廓或区域,采用不同方法描述其形状特征,将问题简化为形状特征的比较。借助于计算机视觉技术,人们可以定义多种二维形状表示方法和相似性度量。二维形状表示大致分为三类：特征向量法、变换形状方法与关系方法。具体选择哪一种表示方法取决于应用的要求,如目标形状的特征点,是否允许遮挡与形变的存在,噪声强弱,以及索引难易程度等。上述形状描述方法无法直接扩展应用在三维模型上,主要原因是他们要求为连续曲线存在标准参数化表示。对于任意三维曲面,需要根据具体应
11、用,恢复成一致曲面或流形曲面,得到相应曲面的参数,这样才能采取扩展的三维形状描述。在重建过程中,需要引入人工干预,以消除模型二义性。基于形状的图像检索系统用多维特征空间距离来衡量形状相似性。在特征维数不是很高的前提下,用索引结构组织特征向量,将加速数据库的访问。但是,由于人类的感知相似性并不等价于物体的拓扑相似性,单一特征无法完整描述物体的形状。因而需要提取多种形状特征,给出尽可能详尽的表示。为了满足创建索引结构的要求,需要将多特征进行降维处理。22三维模型检索如何在浩如烟海的三维模型数据库和网格中快速有效的搜索有用的、同主题的模型,构成了三维模型检索的主要目标。与二维图像相比,三维模型有其独
12、特的性质。首先,三维模型空间中一个简单的物体,即可以用多边形面片、也可以用点、线和体素,还可以由基元物体的几何操作和布尔操作表示。任意的三维曲面不存在类似二维空间上弧长公式的直接参数化方法,因此无法对物体空间定义规则的、标准的类似二维图像的采样方式。这种在的不规则采样和三维表面存在任意的拓扑关系,使得经典的信号处理技术,无法直接扩展应用到三维。其次,空间维数大小直接影响模型特征对应、参数匹配,分类其构造,优化路径搜索等问题,其复杂度与处理时间随之显著增加。可能的模型退化现象使得常用的几何形状特征,如面积、体积、曲率等难以计算。另一方面,三维模型检索与相机配置、光源设置和场景语义无关,且不包含反
13、射、阴影、遮挡、透射等效果,不需要考虑环境光照条件、相机参数、镜头校准、自遮挡等现象,极简化了匹配相似物体的过程,或因为投影到地面变为两个人,或者由于周围场景的迷惑性而凭空消失。综上所述,三维模型特征的选取,需要考虑以下三个方面：第一,特征要能够反映物体的在基本特性。第二,三维模型在空间中的位置、朝向和大小是任意的,因此,所提取的特征应该与模型的平移、旋转、放缩等刚体变换无关。第三,即便对于退化的三维模型,特征也必须是确定的。221三维模型检索系统基于容的三维模型目前对模型匹配的研究主要集中在对三维模型的空间几何形状的相似性度量,有少数关于拓扑相似性匹配的研究,基于纹理或材质等属性的相似性研究
14、国外尚比较少见。基于容的三维模型检索主要分为两部分：一是离线处理,二是在线处理,如图21所示。离线部分主要是对三维模型数据库中的数据进行特征提取,建立特征描述符和相应的特征数据库,并建立合适的索引结构。在线部分主要是用户在线提交查询意图并进行特征提取、相似性度量和索引、查询结果可视化等。图21基于容的三维模型检索系统框架以下对三维模型检索系统中涉及到的几个关键技术作简单的介绍：三维模型检索首先从模型数据中自动计算并提取三维模型的特征,如形状空间关系、材质的颜色及纹理等,建立三维模型的多维信息索引,然后在多维特征空间中计算待查询模型与目标模型之间的相似程度,实现对三维模型数据库的浏览和检索畸,。三维模型检索系统就是试图利用反映三维模型视觉特征的容信息自动建立特征索引,达到检索三维模型的目的。三维模型检索技术通过对视觉特征的相似性匹配来查找用户所要求的三维模型,这更贴近于人们在现实生活中靠直觉印象使用信息的方式。因此,一个完整的模型检索系统包括如下几个方面：三维模型的特征提取由于绝大多数的三维模型是用于可视化,因此表达三维模型的文件中往往只包含模型的几何属性和外观属性,很少有适合自动匹配的高级语义特征的描述。如何合理地描述三维模型成为三维模型检索课题首先要解决的问题,它也是三维模型检索的难点。一个理想的特征描述符必须满足以下几点：易于表达和计算；
