• 2016年第27卷第10期文章目次
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    • 面向高精度的快速三维建模——快速三维建模技术专刊前言

      2016, 27(10):2459-2461. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005091

      摘要 (3930) HTML (449) PDF 497.51 K (4432) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 层次结构K-d树的立体图像快速匹配方法

      2016, 27(10):2462-2472. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005090

      摘要 (4147) HTML (524) PDF 2.36 M (3353) 评论 (0) 收藏

      摘要:特征匹配是计算机视觉和图形图像处理领域中很多研究方向的基础,也是当前的研究热点.SIFT(scaleinvariant feature transformation)特征因其具有尺度、旋转不变性,对一定范围的仿射及视角变换具有鲁棒性等优点,自Lowe提出后,10多年来一直受到众多研究人员的关注.匹配的快速性和准确性是很多应用对特征匹配的要求,如三维重建中立体图像对(stereo pairwise image,简称SPI)的匹配.针对这一问题,以SIFT特征为基础,提出用于SPI匹配的方向大约一致(approximately consistent in orientation,简称ACIO)约束关系,其描述了SPI的匹配特征向量间的空间位置关系,有效地避免了误匹配的发生,提高了匹配的精度;通过对标准K-d树(standard K-d tree,简称SKD-tree)结构的分析,提出了层次结构K-d树(hierarchical K-d tree,简称HKD-tree),将SPI特征集根据ACIO约束关系划分成层次结构并建立映射,该方法缩小了搜索空间,从而达到加速匹配的目的.在ACIO和HKD-tree的基础上,提出了高效、快速的匹配算法.实验结果表明,所提方法比SKD-tree方法和最新的级联哈希方法(cascade hash,简称CasHash)在精度上略占优势,但在匹配速度上比SKD-tree快一个数量级以上,同时也数倍于CasHash.

    • 基于自适应延迟切割的三角网格布尔运算优化

      2016, 27(10):2473-2487. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005086

      摘要 (3782) HTML (443) PDF 2.22 M (3498) 评论 (0) 收藏

      摘要:规则化的布尔运算被广泛应用在三维建模系统中.近年来,随着图形硬件的发展,基于三角网格的规则化布尔算法由于输出结果能直接被图形硬件处理,表现出了明显的优势.但是传统的算法由于采用CSG树局部评估策略,使得面片在相交测试中反复被切割,并且由于面片分类在切割后的模型之间直接进行,导致算法无法在保证鲁棒性的同时实现高性能.为了避免这些问题,提出了一种CSG树全局评估算法来统一执行单次和连续布尔运算.算法由两部分组成:自适应的延迟切割和全局化面片分类.在自适应的延迟切割阶段,算法通过仔细处理多个三角面片相交导致的各种情况扩展延迟切割到整个CSG树来避免由于面片的反复切割带来的数值误差累积,并利用自适应的八叉树使得相交测试可在线性时间内完成.在全局化面片分类阶段,算法通过分治法使得分类始终在切割后的面片和原始输入模型之间进行来保证分类的精度;通过结合组分类策略和自适应的八叉树来进一步优化分类性能.实验结果表明,所提算法无论是在执行单次还是在连续布尔运算时,都能在保证鲁棒性的同时性能优于其他算法,因此该算法可广泛应用于交互式建模系统中,如数字雕刻、计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)等.

    • 基于二进制GA的B样条重构曲线节点优化

      2016, 27(10):2488-2498. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005076

      摘要 (3802) HTML (458) PDF 1.99 M (3531) 评论 (0) 收藏

      摘要:带法向约束的自由曲线曲面重构在光学反射面设计中起着至关重要的作用.为解决法向约束下的曲线重构问题提出了一种优化方案,使得重构出的曲线在逼近数据点的同时,亦能满足相应法向约束.首先,利用惩罚函数的方法将带法向约束的优化问题转化为无约束的优化问题.然后,引入二进制编码的遗传算法(GA),建立合适的适应度函数,自适应产生优化节点向量,如此迭代进化,直到产生令人满意的重构曲线为止.考虑到节点向量非递减的特性,而遗传算法在寻找最优节点向量的过程中有可能打乱节点向量的顺序,所以在建立适应度函数的时候将变量调整为无序有界变量.通过与传统最小二乘方法和粒子群智能优化方法的比较,所提方案在解决带法向条件约束的曲线重构问题上优势明显,且对于任意形状的曲线重构都行之有效.

    • 插值边界的四边网格离散极小曲面建模方法

      2016, 27(10):2499-2508. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005087

      摘要 (3875) HTML (523) PDF 4.02 M (3712) 评论 (0) 收藏

      摘要:如何实现极小曲面的快速三维建模,是几何设计与计算领域中的难点和热点问题.给定一条封闭的边界离散折线,研究如何构造以其为边界的四边网格离散极小曲面.首先从曲面的内蕴微分几何度量出发,给出了离散四边网格极小曲面的数学定义;然后利用保长度边界投影、四边网格生成、径向基函数插值映射和非线性优化技术,提出了由给定边界离散折线快速构造离散四边网格极小曲面的一般技术框架.最后通过若干建模实例验证了所提方法的有效性.该方法可实现四边网格极小曲面的高质量建模,在建筑几何领域具有一定的应用价值.

    • 化身1号:一个快速的三维彩色全身人像捕捉系统

      2016, 27(10):2509-2518. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005073

      摘要 (4146) HTML (451) PDF 2.22 M (4041) 评论 (0) 收藏

      摘要:提出一个快速的三维彩色全身人像捕捉系统(名为化身1号):1.5s采集数据,1min内全自动地建立三维全身人像.化身1号使用了8台自制的结构光扫描仪,采集数据的精度达到1mm.这8个扫描仪预先配置好空间位置:4个抓拍头部,4个抓拍身体.从而能够有效地覆盖采集成人对象的全身区域.在离线标定完8个扫描仪后,化身1号就可以捕获真实对象,在一个坐标系内处理各扫描仪采集的局部数据,历经全局注册和无缝隙的纹理拼接,鲁棒地建立高逼真度的纹理人像模型.该模型的几何精度达到1mm,并具有照片真实感的色彩信息.实验结果表明,在高逼真度建模需求的前提下,化身1号的采集和处理速度均处于当前最优水平.

    • 基于Kinect v2的实时精确三维重建系统

      2016, 27(10):2519-2529. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005089

      摘要 (4569) HTML (499) PDF 3.27 M (9682) 评论 (0) 收藏

      摘要:快速、低成本、精确的三维扫描技术一直是计算机视觉领域研究的热点.首先,分析了新一代Kinect v2(Kinect for Windows v2 sensor)的技术参数、测量原理.设计实验测得其深度精度与测量距离呈线性变换关系.其次,Kinect v2深度数据含有大量的噪声,尤其是在物体边缘,常用的双边滤波器等去噪算法不能很好地去除这些噪声,对此设计了一种有效的去噪算法,以提高重建质量.最后,实现了一套基于新一代Kinect v2的重建系统.实验结果表明,该重建系统能够实时、精确地重建物体,可以广泛应用于低成本的快速三维成型.

    • 动态水面数据采集与重建方法

      2016, 27(10):2530-2541. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005074

      摘要 (3972) HTML (425) PDF 3.64 M (3770) 评论 (0) 收藏

      摘要:自然现象模拟是计算机图形学中的一个重要研究热点.如何快速、逼真地模拟自然现象是此类研究的主要目的.传统的解决思路大多采用基于物理的建模方法,而随着采集设备的快速发展,基于采集图像的重建方法得到了广泛关注与研究.以液体为研究对象,总结了近年来基于采集图像的重建方法的部分研究成果.针对动态水面,提出了一种动态水面数据采集与重建方法.首先,设计并搭建一套基于多相机的动态水面数据采集系统,采集得到多视图下不同水面运动现象的连续帧图像.其次,通过提取采集图像序列中每幅图像的亚像素级特征点,进行特征点匹配并建立特征点与物理空间中三维点的映射关系.然后,结合水介质的光学折射特性迭代求解水面上三维点阵的高度场和法向量.最终获得动态水面的重建结果.实验结果表明,该方法能够快速生成与采集水面可视效果相近的三维重建结果,可在计算机游戏、医学、科学研究可视化等领域具有应用前景.

    • 面向真实构建的徽州建筑快速建模方法

      2016, 27(10):2542-2556. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005070

      摘要 (4324) HTML (430) PDF 3.73 M (3831) 评论 (0) 收藏

      摘要:快速建筑建模研究领域追求的目标包括模型的高精度、构建的高效率,以及对用户领域知识要求低、交互简单,而这往往互相矛盾.为了解决这些问题,提出了一种基于组件的多层参数建模方法,使用概率网络描述建筑和组件的高层参数,作为友好的用户交互接口;使用规则库描述组件低层参数,以指导高层参数生成低层参数;最后使用构建模板描述建筑构建过程.基于此,实现了徽派建筑自动营造系统,能够较好地完成具有真实构建流程、高精度徽派建筑的快速建模.实验结果表明了所提方法的实用性和有效性,且系统具有友好、简单的交互方式,扩展性好,用户无论是否具备领域知识都能获得良好的用户体验.

    • 基于重复结构检测的三维建筑物精细模型重建

      2016, 27(10):2557-2573. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005072

      摘要 (4176) HTML (446) PDF 6.45 M (3474) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于单幅图像的城市建筑物建模是计算机图形学和计算机视觉的一个研究热点.针对具有显著重复结构特征的单幅城市建筑物输入图像,提出了一种通过简单交互方便、快速地生成建筑物三维模型中精细细节结构的方法.首先,根据用户的简单交互重建建筑物基本主体部分的三维几何模型;然后,根据输入图像,通过检测水平方向和垂直方向上的边界线自动检测建筑物各个墙面的重复结构,并对重复细节结构按照其包围盒的特征进行分类;其次,通过用户描绘细节结构的局部线画图,根据建筑物细节结构与基本主体部分的射影几何关系,恢复对应凹凸细节结构的几何模型;最后,根据检测得到的建筑物表面重复结构,分别自动生成相同类型的重复细节结构,得到三维建筑物精细模型.实验结果表明,该方法能够简单、便捷地重建出具有较强真实感的三维建筑物模型.

    • 数据驱动的三维服装快速建模

      2016, 27(10):2574-2586. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005071

      摘要 (4499) HTML (420) PDF 3.73 M (4401) 评论 (0) 收藏

      摘要:提出一种数据驱动的三维服装快速建模方法,可以从样本中快速生成新的三维服装模型.首先,输入三维服装模型集,通过形状款式分析,对三维服装进行语义分割.其次,将分割后的三维服装部件模型聚类为四大类(上身、下身、袖子、配件),构成三维服装部件库.然后,以服装部件模型的面积和边界周长比例为几何形状特征,定义度量服装部件重新组合的款式描述算子.最后,对三维服装部件模型聚类后的源模型进行优化,并通过自然拼接输出新的三维服装.实验结果表明,该方法提高了三维服装建模的效率,能较好地满足目前大规模三维服装数量的需求.

    • 纤维可控的质感布料三维建模与服装仿真

      2016, 27(10):2587-2599. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005085

      摘要 (4554) HTML (463) PDF 2.37 M (4009) 评论 (0) 收藏

      摘要:传统布料和服装动态仿真主要通过网格模型进行模拟,并通过光照、材质和颜色设置进行渲染,布料与服装质感效果通常无法体现.提出一种新的基于纤维的质感布料建模与服装仿真算法.首先使用集合球约束粒子扰动的方法模拟纤维轮廓,然后根据纱线加捻的动力学和运动学原理模拟基于纤维的纱线构造方法,之后将纱线经纬编织组织结构与弹簧-质点模型结合起来,构造基于纤维块的织物布料模型,最后通过建立人体混合层次包围盒进行快速碰撞检测,实现由质感布料生成的服装动态仿真.实验结果表明,该方法可靠、有效,生成的布料能够体现出织物外观纤维级别的细节,对应的服装几何纹理和质感效果得到增强.

    • 一种骨架驱动的近岸涌浪动画合成方法

      2016, 27(10):2600-2611. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005081

      摘要 (3933) HTML (453) PDF 3.72 M (3158) 评论 (0) 收藏

      摘要:大面积水面及波浪的快速建模与可控动画一直是计算机图形学研究的热点问题之一,但是由于天然波浪的复杂性与不规则性,现有的波浪模拟方法无法在计算效率与真实感之间很好地权衡.针对此问题,以近岸涌浪为对象,研究波浪形态特征的表示与提取方法,快速生成可控的波浪动画.首先以波浪视频为数据源,利用数学形态学算法从水面视频图像中提取出涌浪骨架特征;然后根据此特征控制涌浪形状与高度,重用高度场数据生成可控的更加多样的近岸涌浪运动形态,克服了流体动画计算效率低下且难以交互控制的缺点.实验结果表明,所提出的方法能够以简单、直观的控制方式,快速实现用户期望的变形效果.

    • 耳廓三维网格去补丁合并算法

      2016, 27(10):2612-2621. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005088

      摘要 (4157) HTML (527) PDF 2.49 M (3159) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对耳廓多角度扫描获取的三维网格合并问题,提出了一种新的三维网格合并方法——去补丁合并法.首先,基于kd-tree算法将三维耳廓配准后的两幅网格快速分割为重叠区域与非重叠区域;然后,根据连通性对重叠区域和非重叠区域进行分块,并从重叠区域分块中去除冗余的补丁块、构建边界点;最后,基于边界点将保留的重叠区域网格与邻接的非重叠区域网格缝合.实验结果表明,与同类算法相比,该方法具有较好的合并效果与较高的计算效率.

    • 多孔金属纤维烧结板多尺度形貌的快速三维建模

      2016, 27(10):2622-2631. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005084

      摘要 (4396) HTML (400) PDF 2.56 M (4101) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对多孔金属纤维烧结板这一新型功能材料的多尺度形貌建模问题,基于机械加工表面微观形貌中存在的自仿射分形特性,拓展前期发展的三周期极小化曲面与Weierstrass-Mandelbrot分形几何快速合成方法,重点根据多孔金属纤维烧结板的结构特点,对Marching Cubes算法进行优化,以更高效地建立烧结板三维多尺度形貌的几何模型.同时,引入参数表征方法驱动分形TPMS对烧结板的形貌进行调整与控制.实例分析结果表明,所提出的方法可更有效地建立/控制多孔金属纤维烧结板的多尺度形貌模型;模型的有效性通过数值仿真和与其他方法的比较得到了验证.该建模方法可直接用于其他具有多尺度形貌的功能材料的数字化设计中,并促进其数值模拟技术的发展.

    • 基于圆柱坐标系的安全壳可视化方法

      2016, 27(10):2632-2641. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005077

      摘要 (3523) HTML (410) PDF 4.26 M (3097) 评论 (0) 收藏

      摘要:安全壳是核电工业中用于保护核反应堆运转的重要安全设备,对安全壳相关的测量数据或仿真数据进行可视化,有助于及时发现其中可能潜在的安全问题.根据安全壳的形状特征,提出一种基于圆柱坐标系的网格划分方法及物理量数据可视化表达方法.通过设定圆柱坐标系下的单一维度坐标,实现网格单元划分的横截面与纵剖面的直观显示.使用八叉树组织存储网格单元,有效地改善了存储性能,提升了网格单元查找速度.通过设定圆柱坐标系下的单个或多个维度坐标,实现了基于时间或空间变化的多种截线图、截面图的可视化显示.实验结果表明,该方法可实时显示安全壳的运转状况,有效地模拟安全壳运行的物理规律,确保核电站反应堆的安全.

    • 带洞点云多层同步表面重建方法

      2016, 27(10):2642-2653. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005078

      摘要 (3847) HTML (421) PDF 2.35 M (3698) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对法向信息缺失和采样点缺失的带有洞的散乱点云数据,提出了一种高效、高质量的多层同步表面重建方法.首先利用动态等高线检测出含有洞的八叉树节点,并且基于HPR(hidden point removal)映射计算出八叉树顶点的内外状态,建立带有顶点内外标识的空间有向状态八叉树,然后基于八叉树节点内法向测试方法保证基于k近邻表面重建过程中采样点的法向的正确性,且该空间有向状态八叉树可以支持不同层次的点云同步重建,在保证重建结果正确性的前提下,提高重建效率.

    • 基于特征的离散网格模型表示与编辑技术

      2016, 27(10):2654-2660. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005082

      摘要 (3526) HTML (441) PDF 1.72 M (2936) 评论 (0) 收藏

      摘要:提出了一种基于特征的离散网格模型表示方法,能够表达传统三维网格模型中缺失的高层次信息,并以模型编辑为例显示了其应用价值.该特征结构利用特征线、特征面、特征组来建立离散网格的特征结构,用于描述模型的形状、约束、语义等信息,在原有网格模型的基础上构建了一个“超网格”.通过构建特征间的拓扑关系和约束关系,模型在编辑过程中能够保持特定的形状和结构属性,同时,由于编辑操作造成的网格修改被限定在局部的特征区域内,从而提高了模型编辑的运算效率.

    • 基于光学图像的多粒度随动环境感知算法

      2016, 27(10):2661-2675. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005083

      摘要 (3994) HTML (535) PDF 6.20 M (3301) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对快速三维建模中的室内外随动环境感知问题,提出一种基于光学图像的多粒度随动环境感知算法.该算法根据多种光学图像生成拟合真实三维环境的多粒度点云模型,然后通过概率八叉树压缩并统一表示已生成的多粒度三维模型.进而伴随相机轨迹每个时间节点,通过卡尔曼滤波动态融合多粒度点云模型的概率八叉树表示.最终生成唯一的时态融合概率八叉树三维模型,简称TFPOM,使TFPOM能够在较少的噪声影响下以任意粒度动态拟合真实环境.该算法配合剪枝和归并策略能够适应多粒度融合和多粒度表示的环境建模要求,有效压缩环境模型存储空间,实现鲁棒的随动环境感知,便于基于环境模型的视觉导航,增强现实等应用.实验结果表明,该算法能够在以可穿戴设备为代表的内含多种异构光学图像传感器、低计算效能的平台上实时地得到充分拟合真实动态环境的多粒度TFPOM,基于该模型的视觉导航具有较小的轨迹误差.

    • 基于轮廓形变的复杂表面重构

      2016, 27(10):2676-2690. DOI: 10.13328/j.cnki.jos.005079

      摘要 (3928) HTML (403) PDF 10.22 M (3096) 评论 (0) 收藏

      摘要:提出了一种基于自由形变(free-form deformation,简称FFD)及外轴投影(external axes projection,简称EAP)的复杂表面重构算法.该算法以目标形状的切片轮廓作为输入数据,此后,轮廓被嵌入到高维空间有向距离场中,在此隐式空间中,算法主要分为以下3步:生成计算序列,计算序列由计算单元组成,每一个计算单元包含上下相邻的两个轮廓;根据相邻轮廓间的拓扑关系,进行外轴投影(EAP),以解决潜在的分支问题;在每个计算单元中,根据轮廓长度决定自由形变方向,并进行自由形变,根据自由形变结果,建立轮廓间顶点的一一对应关系,并以此进行表面重构.该方法具有以下特点:输入轮廓可具有任意拓扑结构;所生成表面与输入轮廓完全贴合,生成表面准确,无自我重叠,拓扑关系不发生改变;算法高度并行,执行效率高.实验结果表明,该算法可以解决复杂表面的重构问题.

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