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基于内容的三维模型检索关键技术研究

王家乐  
【摘要】: 近年来由于计算机图形学技术的进步,三维模型的数量呈爆炸性增长。为了帮助人们有效地管理和访问大量三维模型,研究三维模型检索方法和检索系统势在必行。 基于内容的三维模型检索技术是从三维数据内容出发,利用算法自动从模型中提取出能描述其外观的特征信息,并用一种紧凑的数据结构(特征描述符)来表达这种特征。特征描述符提取是三维模型检索系统的核心部分;另外,查询接口和相关反馈机制也是三维模型检索系统的重要组成部分。本文从模型特征提取、查询接口和相关反馈机制这三个方面对三维模型检索系统展开研究,主要工作和贡献可以归纳为以下几点: (1)提出了分别适用于通用模型数据库和机械零件模型数据库的手绘草图查询接口构建方法。 查询接口在三维模型检索系统中占有很重要的地位,一个实用的检索系统应该拥有友好的查询接口。基于视图的特征描述符是实现手绘草图查询接口的基础,构建一个基于视图的特征描述符的关键步骤包括:确定投影方向、视图生成和相似性比较。本文对各种投影方向确定算法、视图生成和相似性比较方法进行研究。重点分析了两种旋转归一化算法和两种模型视图的检索性能,在此基础上给出分别适合于通用模型数据库和机械零件模型数据库的手绘草图查询接口构建方法:通用模型数据库采用PCA旋转归一算法和外轮廓图的检索性能最好,而MND旋转归一算法和轮廓图适用于机械零件模型数据库。 (2)提出了一种基于体素模型的特征提取算法,通过该算法得到的旋转不变性特征描述符比经典D2形状分布描述符具有更高的检索准确度。 基于视图的特征描述符虽然能够实现手绘草图查询接口,但是不具备旋转不变性,需对模型进行较复杂的旋转归一化预处理。另外,基于视图的特征提取方法是一种图像空间的算法,本质上是利用二维图像来衡量三维模型的相似性,而如何从三维对象本身提取特征的问题并未得到解答。本文提出了一种基于体素模型的旋转不变性特征描述符。由于体素模型包含模型的实体信息,并可将不规则的空间信号规则化,所以有利于形状分析和特征提取。本文先提出了一种将网格模型转化为体素模型的体素化算法,然后设计了两个基于体素模型的形状分布描述符D2V和DIR,它们均具有旋转不变性。D2V消除了经典D2的直方图计算会被高面积密度局部偏移的缺陷;DIR特征描述符统计表面体素之间线段在模型内外部的分布情况,得到一种不同于D2V的形状分布特征。组合DIR和D2V可获得更丰富的形状信息,提高了检索准确度。 (3)提出了两种相关反馈算法以提升三维模型特征描述符的检索性能。 相关反馈(Relevance Feedback)技术是帮助多媒体检索系统提高检索准确度的一种重要手段,近年来已逐渐被用于三维模型检索领域。本文设计了两个相关反馈算法,并将其应用于本文提出的特征描述符上。第一个算法利用用户反馈信息构建更加接近用户高层语义的查询。先建立起一个覆盖相关模型的包围球集合,然后在第二轮查询过程中用包围球和数据库中模型的特征向量进行匹配。由于包围球集合蕴含了用户语义,所以反馈后的查询准确度会得到提高。实验表明该算法能够有效地提高D2V特征描述符的检索准确度。第二个算法是利用反馈信息优化组合多个特征描述符,算法根据相关模型特征向量的分布密度来动态决定不同描述符的权值大小,实验表明此算法能较好地实现特征描述符的优化组合。 上述三个研究内容之间互相关联但又各有独立性。查询接口、模型特征提取、相关反馈机制是一个三维模型检索系统的主要组成模块,其中模型特征提取是基础,查询接口和反馈机制的设计依赖于特征提取算法;手绘草图查询接口实现用户输入的查询草图和模型视图之间的匹配;相关反馈机制是为了提高特征描述符的检索性能、缩小模型低层特征与用户查询之间的语义差异。 最后,本文给出研究结论,并对未来的工作做了展望。


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