基于距離場的可變形物體注冊和建模.pdf

1、三維建模在圖形學(xué)領(lǐng)域中是一個(gè)基礎(chǔ)的不可或缺的基礎(chǔ)性研究方向，三維建模就是將虛擬或?qū)嶋H的三維物體或形狀轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的幾何模型表達(dá)，它是對虛擬三維物體進(jìn)行處理和操作的前提。因此，三維建模技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于圖形渲染，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫，人機(jī)交互，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域。常見的三維建模方法包括交互式的三維建模和基于三維掃描數(shù)據(jù)的三維建模。隨著近幾年三維掃描設(shè)備的普及，三維掃描數(shù)據(jù)也越來越豐富?；趻呙钄?shù)據(jù)的建模逐漸成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。
　　注冊

2、問題是基于三維掃描數(shù)據(jù)建模的一個(gè)基本問題，三維數(shù)據(jù)的注冊是將兩個(gè)或多個(gè)輸入三維模型在某種變換下的對齊和配準(zhǔn)，就是將多個(gè)三維數(shù)據(jù)變換至同一個(gè)坐標(biāo)系下，并保證多個(gè)三維數(shù)據(jù)相對位置關(guān)系的準(zhǔn)確。注冊問題從處理目標(biāo)角度考慮可以分為剛性注冊和非剛性注冊。剛性注冊就是求解模型間的剛性變換，非剛性注冊就是求解模型間的非剛性變換參數(shù)。三維掃描設(shè)備的一個(gè)發(fā)展趨勢就是小型化，便攜化，這也就帶來了很多時(shí)變的三維掃描數(shù)據(jù)，也給非剛性注冊帶來了很多機(jī)遇。
　

3、　本文提出了一種基于距離場的非剛性注冊方法。在假設(shè)全局非剛性模型在運(yùn)動(dòng)過程中保持局部剛性的前提下，我們提出了一種基于體的非剛性注冊框架。
　　首先，本文對現(xiàn)有的非剛性注冊算法框架和涉及的基本算法進(jìn)行研究。從形狀表示角度研究了顯式曲面和隱式曲面的表示;從局部幾何匹配角度分析了基于最近點(diǎn)準(zhǔn)則的局部幾何匹配方法和基于特征的局部匹配方法以及基于區(qū)域的匹配方法;從變形模型角度分析了線性變形模型和非線性變形模型，基于曲面的變形模型和基于空間的

4、變形模型的特點(diǎn);從全局優(yōu)化角度論述了迭代式的局部剛性全局非剛性注冊的合理性。
　　其次，本文實(shí)現(xiàn)并改進(jìn)了基于GPU的并行符號(hào)距離場算法。從距離場定義角度分析了符號(hào)距離場的計(jì)算方法，研究并實(shí)現(xiàn)了已有的GPU并行無符號(hào)距離場算法。提出并開發(fā)了一種基于GPU的角平均法向計(jì)算方法，并用角平均法向計(jì)算距離場符號(hào)，實(shí)現(xiàn)了并行的符號(hào)距離場計(jì)算。
　　之后，本文提出了一種基于距離場的非剛性注冊方法，包括基于子塊的局部剛性注冊和基于體的全局非

5、剛性變形模型。在基于子塊的局部剛性注冊部分，我們使用了一種三維的Lucas-Kanade算法，通過最小化距離場差異求解最優(yōu)局部剛性變換。在全局非剛性變形模型部分，我們使用一種最小化相鄰子塊剛性變換的模型，取得自然的全局非剛性變形。在全局非剛性優(yōu)化部分，我們提出一種帶置信度加權(quán)的全局非剛性優(yōu)化模型，對不同的局部剛性注冊誤差給出不同的置信度，從而減小誤匹配的影響。通過迭代進(jìn)行局部剛性注冊和全局非剛性注冊獲得準(zhǔn)確高效的非剛性注冊。