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1、三维模型检索技术三维模型检索技术王潇王潇王潇王潇 2006.12.082006.12.082006.12.082006.12.08基于内容的多媒体检索技术基于内容的多媒体检索技术（content-based multimedia retrievalcontent-based multimedia retrieval）图像检索图像检索视频检索视频检索三维模型检索三维模型检索三维模型的特殊性：三维模型的特殊性：同时具有表面属性和几何特性同时具有表面属性和几何特性多种表面属性：颜色，纹理，透明度及反多种表面属性：颜色，纹理，透明度及反射系数等射系数等多种几何特性的表示方式：体元集合，参多种几何特性的
2、表示方式：体元集合，参数化曲面，多边形网格包围的实体等数化曲面，多边形网格包围的实体等三维模型检索技术的关键三维模型检索技术的关键特征的提取特征的提取特征的描述特征的描述特征的比较特征的比较对特征的基本要求对特征的基本要求几何不变性几何不变性平移，旋转，缩放不变平移，旋转，缩放不变鲁棒性鲁棒性对噪音，重采样，简化的鲁棒性对噪音，重采样，简化的鲁棒性三维模型三维模型模型坐标模型坐标预处理与预处理与标准化标准化特征提取特征提取及索引及索引二维二维特征特征索引索引文本文本关键字关键字索引索引三维三维特征特征索引索引二维二维相似性相似性匹配匹配文本文本相似性相似性匹配匹配特征提取特征提取检检索索界界面
3、面三维模型实例三维模型实例二维投影视图二维投影视图二维草图二维草图文本描述文本描述检索结果输出检索结果输出用户用户三维三维相似性相似性匹配匹配图图1 一个典型的三维模型检索系统框架一个典型的三维模型检索系统框架1WEB爬虫爬虫反馈反馈1.1.模型坐标预处理与标准化模型坐标预处理与标准化常采用的预处理方法有两种：常采用的预处理方法有两种：使用主成分分析使用主成分分析(principal component (principal component analysis , PCA)analysis , PCA)22方法对三维模型坐标进方法对三维模型坐标进行标准化行标准化, ,计算其标准化的坐标框架计
4、算其标准化的坐标框架, ,然后然后, ,在此标准化坐标系内提取相应的特征；在此标准化坐标系内提取相应的特征；(2)(2)体素化：将三维模型的外包立方体按坐标体素化：将三维模型的外包立方体按坐标轴方向切分成轴方向切分成 N NN NN N 个体单元个体单元, ,使用体使用体数据表示模型数据表示模型，N N 一般是一般是 2 2 的的 n n 次幂。次幂。 模型坐标的标准化又称姿态估计模型坐标的标准化又称姿态估计(pose (pose estimation) estimation) 。在进行特征提取和相似性匹。在进行特征提取和相似性匹配之前配之前, ,必须先将所有待比较的三维模型变必须先将所有待比
5、较的三维模型变换至一个标准坐标系的范围内。这样，即使换至一个标准坐标系的范围内。这样，即使同一个三维模型具有不同尺度、不同位置、同一个三维模型具有不同尺度、不同位置、方向、旋转角度和不同精度的细节层次时，方向、旋转角度和不同精度的细节层次时，其表示方式仍具有唯一性。模型坐标标准化其表示方式仍具有唯一性。模型坐标标准化的目的在于使得三维模型检索独立于其所采的目的在于使得三维模型检索独立于其所采用的具体数据表示方式。用的具体数据表示方式。为保证平移不变性，需要将模型的质心平为保证平移不变性，需要将模型的质心平移至坐标原点的位置；移至坐标原点的位置；为保证旋转不变性，采用为保证旋转不变性，采用PCA
6、PCA方法，在一个方法，在一个标准坐标平面中对齐模型；标准坐标平面中对齐模型；为保证方位不变性为保证方位不变性, ,还需要进行翻转变换还需要进行翻转变换, ,以保证互为镜面映像的三维模型在表示方以保证互为镜面映像的三维模型在表示方式上的同一性；式上的同一性；为保证尺度大小不变性，要将旋转后的三为保证尺度大小不变性，要将旋转后的三维模型归一化至标准单元大小。维模型归一化至标准单元大小。因此因此, ,一个完整的坐标模型标准化过程可以一个完整的坐标模型标准化过程可以表示为如下的几何变换：表示为如下的几何变换：: :( ( I I ) = ) = s s F F R R ( ( I I - - c c
7、 ) )3333其中，其中，s s 是放缩系数，是放缩系数，F F 是一个对角阵形是一个对角阵形式的翻转矩阵，式的翻转矩阵，R R 为对应于为对应于 PCA PCA 变换的旋变换的旋转矩阵，转矩阵，I I 为原始模型坐标，为原始模型坐标，c c 为坐标原为坐标原点。点。-12.2.特征提取特征提取形状特征形状特征 / / 表面属性特征表面属性特征形状特征一般着重于描述三维模型的几何形状特征一般着重于描述三维模型的几何形状和表面拓扑关系，通常基于三维表面、形状和表面拓扑关系，通常基于三维表面、三维体元及其顶点集合以及结构化建模来三维体元及其顶点集合以及结构化建模来描述三维模型的形状特性。描述三维
8、模型的形状特性。主要的形状特征提取方法主要的形状特征提取方法(1)(1)基于几何结构分析的形状特征提取基于几何结构分析的形状特征提取(2) (2) 基于拓扑关系的形状特征提取基于拓扑关系的形状特征提取(3) (3) 基于函数投影的形状特征提取基于函数投影的形状特征提取(4) (4) 基于统计特性的形状特征提取基于统计特性的形状特征提取3.3.相似性匹配相似性匹配通过特征提取，相似的三维模型可以表示为通过特征提取，相似的三维模型可以表示为在特征向量空间中将近的一组特征向量。在特征向量空间中将近的一组特征向量。相似的三维模型在对应的特征向量空间中具相似的三维模型在对应的特征向量空间中具有相近的距离
9、，而不相似的三维模型间的距有相近的距离，而不相似的三维模型间的距离足够大。离足够大。已实现的三维模型搜索引擎实例已实现的三维模型搜索引擎实例普林斯顿大学普林斯顿大学 形状检索与分析实验室形状检索与分析实验室 （Shape Retrieval and Analysis GroupShape Retrieval and Analysis Group）规模最大的三维模型数据库规模最大的三维模型数据库http:/http:/shape.cs.princeton.edu/search.shape.cs.princeton.edu/search.htmlhtml台湾大学台湾大学 通讯与多媒体实验室通讯与多
10、媒体实验室使用基于使用基于MPEG-7MPEG-7标准的三维形状描述符和标准的三维形状描述符和多视图描述符进行特征描述多视图描述符进行特征描述http:/3d.csie.ntu.edu.tw/dynamic/cghttp:/3d.csie.ntu.edu.tw/dynamic/cgi-bin/DatabaseII_v1.8/index.htmli-bin/DatabaseII_v1.8/index.html一个传统的人工索引的三维检索的例子一个传统的人工索引的三维检索的例子符合高级语义，但不能应用于海量数据搜索符合高级语义，但不能应用于海量数据搜索http:/ 1111杨育彬，林珲，朱庆，基于
11、内容的三维模型检索综述杨育彬，林珲，朱庆，基于内容的三维模型检索综述杨育彬，林珲，朱庆，基于内容的三维模型检索综述杨育彬，林珲，朱庆，基于内容的三维模型检索综述. . . .计算机学报，计算机学报，计算机学报，计算机学报，2004200420042004，27(10)27(10)27(10)27(10)，1297-13101297-13101297-13101297-1310 2Vranic D. ,Richter J . . Tools for 3d-object 2Vranic D. ,Richter J . . Tools for 3d-object 2Vranic D. ,Richte
12、r J . . Tools for 3d-object 2Vranic D. ,Richter J . . Tools for 3d-object retrieval :retrieval :retrieval :retrieval :KarhunenLoeveKarhunenLoeveKarhunenLoeveKarhunenLoeve transform and spherical transform and spherical transform and spherical transform and spherical harmonics. In :Proceedings of IEE
13、E Workshop on harmonics. In :Proceedings of IEEE Workshop on harmonics. In :Proceedings of IEEE Workshop on harmonics. In :Proceedings of IEEE Workshop on Multimedia Signal Processing ,Cannes ,France ,2001 Multimedia Signal Processing ,Cannes ,France ,2001 Multimedia Signal Processing ,Cannes ,Franc
14、e ,2001 Multimedia Signal Processing ,Cannes ,France ,2001 ,293-298,293-298,293-298,293-298 3Vranic D. ,3Vranic D. ,3Vranic D. ,3Vranic D. ,SaupeSaupeSaupeSaupe D. .3d model retrieval. In : D. .3d model retrieval. In : D. .3d model retrieval. In : D. .3d model retrieval. In : Proceedings of Spring C
15、onference on Computer Proceedings of Spring Conference on Computer Proceedings of Spring Conference on Computer Proceedings of Spring Conference on Computer Graphics ,Graphics ,Graphics ,Graphics ,BudmericeBudmericeBudmericeBudmerice ,Slovakia ,2000 ,89-93 ,Slovakia ,2000 ,89-93 ,Slovakia ,2000 ,89-93 ,Slovakia ,2000 ,89-93
