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基于泊松方程的浮雕处理技术研究

作　者: 陈寅
导　师: 金士尧
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 泊松方程 GPU 浮雕重建 浮雕提取 浮雕编辑
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 56次
引　用: 1次
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内容摘要


作为一种广泛应用的艺术形式,在日常生活中,浮雕触手可及,例如钱币、商标和雕塑等。浮雕的制作是一项费时费力的工作,需要熟练的雕刻师才能完成。逆向工程技术为浮雕制作方法的进一步发展提供了技术支持,当前浮雕处理面临着下面三个问题:(1)对于真实世界中的浮雕,通过激光扫描仪得到的是点云模型,需要将其转化为图形学中广泛处理的三角面片模型;(2)然而,因为浮雕所位于的基表面是未知的,设计出一个简单而有效的浮雕提取方法是一项具有挑战性的工作;(3)如何通过编辑工具设计出新型的浮雕效果。不同于传统独立模型的编辑方法,浮雕在编辑的过程中必须紧贴基表面,这实际上是对浮雕的编辑施加了一种很强的约束。基于泊松方程,本文解决浮雕处理中的上述三个问题。并针对泊松方程建立和求解速度慢的缺陷,利用GPU技术进行了加速,显著提高了浮雕处理的效率,主要工作包括:(1)基于泊松方程的并行化浮雕重建算法,算法的贡献在于提供了一种快速的浮雕重建算法,重建过程完全在GPU上执行,重建时间比基于CPU的重建算法提高了近10倍,对于中等规模的模型可以满足实时重建的要求;(2)基于泊松方程的浮雕提取算法,针对传统的提取算法在自动性和统一性上的缺陷,本文采用了基于泊松方程的解决方案,算法能够自动对光滑背景或纹理背景的浮雕进行提取;(3)基于泊松方程的并行化浮雕编辑算法,实现了设计新型浮雕的编辑操作。这些编辑操作方便、快捷,用户操作浮雕上选定的手柄,即可实现浮雕的全局(平移,旋转和缩放)和局部变形。实验结果表明,本文能针对获取的浮雕点云模型,自动重建、提取出浮雕并将其应用到新的表面上,通过编辑浮雕的位置和形状,使得浮雕的制作时间大为缩短,同时也能制作出比传统手工方法更加精确的结果。

全文目录


摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章 绪论  12-26
  1.1 课题背景  12-14
    1.1.1 应用及研究需求  12-13
    1.1.2 泊松方程  13
    1.1.3 GPU 技术  13-14
  1.2 研究现状  14-23
    1.2.1 浮雕提取和编辑  14-16
    1.2.2 基于泊松方程的几何处理  16-21
    1.2.3 基于GPU 的并行化  21-23
  1.3 研究目标和研究内容  23-24
    1.3.1 研究目标  23
    1.3.2 研究内容  23-24
    1.3.3 主要创新点  24
  1.4 论文结构  24-26
第二章 泊松方程介绍  26-36
  2.1 引言  26
  2.2 泊松方程的起源  26-28
  2.3 泊松表面重建  28-30
  2.4 泊松表面编辑  30-33
  2.5 泊松方程的求解  33-35
    2.5.1 迭代式解法  33-34
    2.5.2 直接求解法  34-35
  2.6 小结  35-36
第三章 基于泊松方程的并行化浮雕重建算法  36-50
  3.1 引言  36
  3.2 并行化的八叉树重建  36-42
    3.2.1 八叉树节点的建立  36-40
    3.2.2 八叉树节点相邻信息的计算  40-42
  3.3 并行化的泊松方程求解  42-46
    3.3.1 法向矢量场的表示  43
    3.3.2 Laplace 系数矩阵的计算  43-44
    3.3.3 散度矢量的计算  44-45
    3.3.4 泊松方程的Multigrid 求解  45-46
  3.4 并行化的等值面提取  46-48
    3.4.1 标准值的计算  46-47
    3.4.2 Marching Cube 算法  47-48
  3.5 实验结果  48-49
  3.6 小结  49-50
第四章 基于泊松方程的浮雕提取算法  50-56
  4.1 法向光滑  50-51
  4.2 基表面重建  51-52
  4.3 阈值分割  52-53
  4.4 边界优化  53-54
  4.5 实验和对比  54-56
第五章 基于泊松方程的并行化浮雕编辑算法  56-68
  5.1 引言  56
  5.2 并行化的泊松表面编辑算法  56-61
    5.2.1 预处理  56-58
    5.2.2 变换的传播  58-59
    5.2.3 Laplacian 系数矩阵的计算  59
    5.2.4 散度矢量的计算  59-60
    5.2.5 泊松方程的求解  60-61
    5.2.6 小结  61
  5.3 全局编辑  61-64
    5.3.1 平移  62-63
    5.3.2 旋转  63
    5.3.3 缩放  63-64
  5.4 局部编辑  64-65
  5.5 实验结果  65-68
第六章 结束语  68-70
  6.1 工作总结  68
  6.2 研究展望  68-70
致谢  70-71
参考文献  71-75
作者在学期间取得的学术成果  75-76
作者在学期间参与的科研项目  76

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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