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三维复杂形状拼接与破碎物体复原技术研究

作　者: 周术诚
导　师: 周明全
学　校: 西北大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 形状匹配物体复原碎片拼接轮廓曲线断裂面
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 468次
引　用: 4次
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内容摘要

基于形状匹配的拼接技术广泛应用于考古、三维重建、工业设计等领域。破碎物体的复原是将形状匹配的相邻碎片拼接以使破碎物体恢复原貌。形状匹配和拼接、破碎物体复原技术的研究涉及到计算机图形学、图形图像融合、模式识别和计算机可视化等内容。本文研究了破碎物体形状特征的提取和表示、形状匹配、破碎物体复原中的碎片拼接和拼接误差的修补等技术，提出了一系列的形状匹配和拼接方法，满足破碎物体复原的需求。研究的主要内容和创新如下：1．研究了破碎物体的数据采集、网格模型的简化、数字化物体轮廓曲线的提取、曲线特征表示及选择方法，提出了一种基于小波变换自适应阈值的图像分割技术。2．研究了二维Fourier轮廓描述符的特点，提出了基于多尺度Fourier描述符的二维曲线匹配方法。轮廓曲线通过不同尺度的Gaussian函数滤波后，以Fourier变换系数的实部和虚部构成曲线特征向量，通过特征向量的比较以实现二维曲线匹配和碎片拼接，该方法具有准确、简单、快速等优点。3．研究三维曲线的B样条表示方法，通过建立局部直角坐标系计算轮廓曲线上连接点的方向角，提出应用三维曲线上连接点方向角构造特征向量的计算方法及基于方向角的三维曲线匹配算法以实现碎片拼接。4．研究多尺度小波轮廓描述符的计算，提出了一种多尺度下轮廓曲线特征提取及基于多尺度分析的三维物体碎片拼接方法。曲线经多尺度小波变换后，计算轮廓曲线上各点的曲率和挠率构成曲线的特征矢量，经过相似性比较实现轮廓曲线匹配和拼接。研究了小波轮廓描述符匹配起点的解决方法，提出一种判断曲线匹配段的方法。实验表明该算法的准确性、有效性、鲁棒性。5．在分析曲面表示和曲面特征的基础上，研究了物体曲面分割技术，提出了分别用曲面上点的有向脚标和无向脚标构成曲面形状的有向特征向量和无向特征向量，利用粗匹配和细匹配技术实现曲面匹配计算，完成破碎物体断裂面的拼接技术。研究了破碎物体拼接方法、拼接误差处理和孔洞的修补问题。6．在理论研究和分析的基础上，将形状拼接技术应用于计算机辅助破碎物体复原系统的开发。介绍了系统功能、数据结构、技术特点和实现方法。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-24
  1.1 概述  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-18
    1.2.1 基于不变量的形状匹配  13-14
    1.2.2 基于局部特征的形状匹配  14-17
    1.2.3 物体拼接和复原研究现状  17-18
  1.3 本文研究背景  18-20
  1.4 本文研究的内容  20-22
  1.5 本文的组织结构  22-23
  1.6 本章小结  23-24
第二章物体数据的采集和预处理  24-52
  2.1 数据采集  24-25
  2.2 曲面重建方法  25-32
    2.2.1 三角网格数据之间的拓朴关系  25-28
    2.2.2 Delaunay三角剖分  28-32
  2.3 网格曲面简化技术  32-37
    2.3.1 网格简化的基本概念  32-33
    2.3.2 复杂模型的简化方法  33-35
    2.3.3 简化算法的实现与分析  35-37
  2.4 轮廓曲线的表示  37-41
    2.4.1 链码表示方法  37-38
    2.4.2 样条表示方法  38-39
    2.4.3 多边形逼近方法  39-40
    2.4.4 基于尺度空间特征点提取技术  40-41
  2.5 轮廓曲线的提取  41-48
    2.5.1 二维轮廓曲线的提取  41-43
    2.5.2 三维轮廓曲线的提取  43-48
      2.5.2.1 外轮廓线的提取  45-46
      2.5.2.2 内轮廓线的提取  46-48
      2.5.2.3 特征轮廓线的提取  48
  2.6 轮廓曲线的光顺和重采样  48-51
    2.6.1 轮廓曲线的滤波  49-50
    2.6.2 轮廓曲线的重采样  50-51
  2.7 本章小结  51-52
第三章基于多尺度 Fourier描述符的二维曲线匹配技术  52-61
  3.1 前言  52-53
  3.2 多尺度分析  53-54
  3.3 Fourier描述符  54-56
  3.4 特征点和特征段的选择  56-57
  3.5 相似性和匹配计算  57-59
  3.6 实验结果分析  59-60
  3.7 本章小结  60-61
第四章基于方向角的三维曲线匹配技术  61-73
  4.1 前言  61-62
  4.2 曲线的B样条表示  62-66
    4.2.1 曲线的参数方程  62-63
    4.2.2 B样条曲线  63-65
    4.2.3 B样条曲线的插值  65-66
  4.3 方向角特征的计算  66-68
  4.4 匹配和拼接算法  68-70
  4.5 实验分析  70-71
  4.6 本章小结  71-73
第五章基于小波轮廓描述符的三维曲线匹配  73-83
  5.1 引言  73-74
  5.2 曲线特征分析  74-76
  5.3 小波轮廓描述符及计算  76-78
    5.3.1 小波轮廓描述符  76-77
    5.3.2 小波轮廓描述符的计算和选择  77-78
  5.4 轮廓匹配和拼接算法  78-81
    5.4.1 匹配起点估计  78-79
    5.4.2 匹配和拼接算法描述  79-81
  5.4 实验结果分析  81-82
  5.5 本章小结  82-83
第六章基于曲面形状匹配的三维物体拼接  83-96
  6.1 前言  83-84
  6.2 曲面匹配原理  84-85
  6.3 特征向量的选择和计算  85-89
    6.3.1 顶点法矢的计算  86
    6.3.2 主曲率和主方向的计算  86-88
    6.3.3 特征向量的构成  88-89
  6.4 网格曲面分割  89-90
  6.5 匹配处理过程  90-93
    6.5.1 相似性度量  90-91
    6.5.2 匹配算法描述  91-93
  6.6 实验结果  93-95
  6.7 本章小结  95-96
第七章拼接技术和修补处理  96-108
  7.1 前言  96-97
  7.2 建立局部坐标系  97-99
    7.2.1 曲线的局部坐标系  98
    7.2.2 曲面的局部坐标系  98-99
  7.3 曲面拼接  99-102
    7.3.1 坐标变换  99-100
    7.3.2 变换矩阵  100-101
    7.3.3 拼接过程  101-102
  7.4 拼接误差处理  102-105
  7.5 孔洞修补方法  105-107
  7.6 本章小结  107-108
第八章形状匹配和拼接技术的应用  108-116
  8.1 应用开发的意义  108
  8.2 系统功能描述  108-109
  8.3 开发流程  109-110
  8.4 数据结构分析  110-112
  8.5 功能模块分析和实现方法  112-115
  8.6 本章小结  115-116
第九章总结与展望  116-121
  9.1 研究工作总结  116-119
  9.2 今后研究工作展望  119-121
参考文献  121-133
攻读博士学位期间撰写的论文和参与的科研  133-134
致谢  134

三维复杂形状拼接与破碎物体复原技术研究

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