CN102968778A - 基于全局优化的三维几何模型部件拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字媒体三维建模技术领域，具体涉及一种基于全局优化的三维几何模型部件拼接方法。该方法包括步骤S1.从源模型中提取多个待拼接模型部件，设定每个待拼接模型部件的初始位置；S2.结合源模型确定每个待拼接模型部件的接触点；S3.根据每个待拼接模型部件的初始位置建立接触点间的对应关系；S4.结合接触点间的对应关系，建立并求解全局优化模型，优化每个待拼接模型部件的缩放量以及平移量，从而将不同待拼接模型部件拼接成一个完整的三维几何模型，同时具有快速高效且自动化程度高的优点。

Description

基于全局优化的三维几何模型部件拼接方法

技术领域

本发明涉及数字媒体三维建模技术领域，具体涉及一种基于全局优化的三维几何模型部件拼接方法。

背景技术

随着数字媒体技术的发展，继音频、图像、视频之后，三维几何模型成为一种新兴的数字媒体数据。它可以被广泛地使用于工业设计、数字娱乐、科学可视化等领域。尽管三维扫描技术和三维软件建模技术已经有了长足的发展，但是如何快速有效地获取三维几何模型仍然是三维建模领域的一个难题。

现在一种快速有效的三维几何模型获取的思路是从已有的三维几何模型中进行模型部件的重新拼接，从而得到源模型的一些变种。基于该思想的一些系统共同的几个步骤是：通过某种检索方式从源模型库中找到期望的模型部件，用户交互地将模型部件摆放到合适的位置，对模型部件的位置进行一定的优化使得模型部件可以较好地拼接到一起。因此，如何在给定初始位置情况下，对模型部件进行自动的拼接是影响到最终拼接效果以及整个系统自动化程度的关键步骤。

为了解决上面所提到的模型部件拼接这一关键问题，目前国际上现有的技术大致分为如下两类。一类是采用一种贪心的方法对模型部件进行拼接：对于两个模型部件，找到它们最优的匹配边界，对边界进行融合；对于有多个模型部件的情况，需要不断地使用上述方法；这种技术方案的缺点是需要进行多次计算，并且难以保证达到全局最优的方案。另一类则完全依赖于用户交互来解决这个问题：通过设计合适的三维交互系统，使得通过一定的用户交互来达到比较好的拼接效果；但这显然不是一种完美的解决思路，因为它的自动化程度比较低，不能应用于批量处理大规模的数据。因此，针对现有技术的这些问题，一种全局的、自动的几何模型部件拼接方法是非常急需的。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种基于全局优化的三维几何模型部件拼接方法，用于快速有效的自动将不同待拼接模型部件拼接成一个完整的三维几何模型。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种基于全局优化的三维几何模型部件拼接方法，包括步骤：

S1.从源模型中提取多个待拼接模型部件，设定每个待拼接模型部件的初始位置；

S2.结合源模型确定每个待拼接模型部件的接触点；

S3.根据每个待拼接模型部件的初始位置建立接触点间的对应关系；

S4.结合接触点间的对应关系，建立并求解全局优化模型，优化每个待拼接模型部件的缩放量以及平移量，完成拼接。

优选的，所述步骤S2中确定每个待拼接模型部件的接触点的方法为：将待拼接模型部件与其所在的源模型中的其它模型部件进行求交运算，选取交点作为待拼接模型部件的接触点。

优选的，所述步骤S2包括步骤：

S201.对每个待拼接模型部件的所在的源模型中所有模型部件均匀采样；该待拼接模型部件上所有采样点组成集合P_i1，该源模型中其它模型部件上的采样点组成集合P_i2；

S202.设定第一选取阈值；

S203.计算所述集合P_i1中每个点与所述集合P_i2中距离该点最近的点间的距离值，若小于所述第一选取阈值，则将该点加入集合P_i0；

S204.对所述集合P_i0中所有点做聚类分析，每一类点集的中心点为待拼接模型部件的一个接触点。

优选的，所述第一选取阈值为待拼接模型部件的所在源模型包围盒对角线长度的百分之一。

优选的，所述步骤S3包括步骤：

S301.设定第二选取阈值；

S302.每对可拼接的两个待拼接模型部件S_i与S_j的接触点集合分别记为C_i以及C_j；

S303.计算C_i中每个接触点与C_j中距离该接触点最近的接触点间的距离值，若小于所述第二选取阈值，则建立该接触点与C_j中距离该接触点最近的接触点间的对应关系。

优选的，所述第二选取阈值为所有待拼接模型部件包围盒对角线长度的百分之五。

优选的，所述步骤S302中，判断两个待拼接模型部件可拼接的方法包括：

如果两个待拼接模型部件间的最近距离值小于所述第二选取阈值，则这两个待拼接模型部件可拼接。

优选的，所述步骤S4包括步骤：

S401.所述接触点集合C_i与C_j中的建立对应关系的接触点集合记为 $\{(p_{m_1}^i,p_{n_1}^j),(p_{m_2}^i,p_{n_2}^j),...\};$

S402.建立全局能量函数 $E={\mathrm{\Σ}}_{i,j}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}_k{|T\left(p_{m_k}^i\right)-T\left(p_{n_k}^j\right)|}^2+$ ${\mathrm{\Σ}}_i{|a_i-o|}^2+{\mathrm{\Σ}}_i{\left|t_i\right|}^2;$

其中

o＝[1 1 1]^T为常值向量；

T(pⁱ)表示点pⁱ经过缩放量a_i和平移量t_i变换后的位置；

S403.求解上述全局能量函数，将得到的最优缩放量以及平移量应用到每个待拼接模型部件上，完成拼接。

优选的，所述步骤S3还包括：如果两个可拼接的待拼接模型部件在步骤S303中未找到具有对应关系的接触点，则建立这两个待拼接模型部件上最近点间的对应关系。

优选的，所述步骤S4包括：结合接触点间的对应关系以及最近点间的对应关系，建立并求解全局优化模型，优化每个待拼接模型部件的缩放量以及平移量，完成拼接。

（三）有益效果

本发明的一种基于全局优化的三维几何模型部件拼接方法通过结合待拼接模型部件所在的源模型获得接触点信息，并基于接触点对应关系建立且求解全局优化模型，优化每个待拼接模型部件的缩放量以及平移量，从而将不同待拼接模型部件拼接成一个完整的三维几何模型，同时具有快速高效且自动化程度高的优点。

附图说明

图1是本发明的一种基于全局优化的三维几何模型部件拼接方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

流程图如图1所示的一种基于全局优化的三维几何模型部件拼接方法，主要包括步骤：

S1.从一个源模型中提取多个期望的模型部件或者从多个源模型中提取多个期望的模型部件，作为待拼接模型部件；按照实际需求设定每个待拼接模型部件的初始位置。

S2.结合源模型确定每个待拼接模型部件的接触点；确定每个待拼接模型部件的接触点的方法可以为是：将待拼接模型部件与其所在的源模型中的其它模型部件进行求交运算，选取交点作为待拼接模型部件的接触点或者其他任何已知的方法；本实施中确定每个待拼接模型部件的接触点的方法主要包括步骤：

S201.对每个待拼接模型部件的所在的源模型中所有模型部件均匀采样，采样点的数量过多则会加大运算量，过小则可能造成拼接不完美，本实施例中均匀选取50000个点作为采样点；该待拼接模型上所有采样点组成集合P_i1，该源模型中其它模型部件上的采样点组成集合P_i2；

S202.为了计算P_i1中离P_i2中较近的点的集合P_i0，设定第一选取阈值；第一选取阈值通常选取为待拼接模型部件所在源模型包围盒对角线长度的百分之一；

S203.计算所述集合P_i1中每个点与所述集合P_i2中距离该点最近的点间的距离值，若小于所述第一选取阈值，则将该点加入集合P_i0；

S204.对所述集合P_i0中所有点做聚类分析，对于聚类结果中每一类点集，计算它们的中心点，每一个中心点为待拼接模型部件的一个接触点；一个待拼接模型部件上可以有多个接触点。

S3.根据每个待拼接模型部件的初始位置建立接触点间的对应关系；本实施例中该步骤主要包括：

S301.设定第二选取阈值，该阈值用于后续筛选可拼接待拼接模型部件以及建立接触点对应关系；通常第二选取阈值为所有待拼接模型部件包围盒对角线长度的百分之五；

S302.对于每对可拼接的两个待拼接模型部件S_i与S_j上的接触点组成的集合，分别记为C_i以及C_j；其中判断两个待拼接模型部件是否可拼接的方法是：首先计算任意两个待拼接模型部件之间的最近距离，如果两个待拼接模型部件间的最近距离值小于第二选取阈值，则认为这两个待拼接模型部件可拼接；

S303.对于C_i中每个接触点p，寻找其在C_j中距离最近的接触点q；如果接触点p与q之间的距离值小于所述第二选取阈值，则建立接触点p与接触点q间的对应关系；否则选取接触点p与拼接模型部件S_j上最近的点r，如果接触点p与r之间的距离值小于所述第二选取阈值，则建立接触点p与待拼接模型部件S_j上的点q间的对应关系；类似的，对于集合C_j中的每个接触点，寻找其在C_i中距离最近的接触点q，重复上述步骤，建立接触点间的对应关系；如果经过上述步骤仍然无法在待拼接模型部件S_i与S_j之间找到具有对应关系的点，则直接选取待拼接模型部件S_i与S_j之间最近的两点建立对应关系。

S4.结合接触点间的对应关系以及最近点间的对应关系，建立并求解全局优化模型，优化每个待拼接模型部件的缩放量以及平移量，完成拼接；将步骤S3中找出的对应点的位置表示为由模型部件的缩放量和平移量决定的函数，构造整体能量函数来表示对应点的距离平方和以及缩放量和平移量的变化总和，整体优化该能量函数，使得其值最小，从而求解得到每个模型部件最优的缩放量和平移量，使得优化后对应点间的位置尽量一致。本实施例中该步骤主要包括：

S401.所述接触点集合C_i与C_j中的建立对应关系的接触点集合记为 $\{(p_{m_1}^i,p_{n_1}^j),(p_{m_2}^i,p_{n_2}^j),...\};$

S402.为了求解每个模型部件S_i在三维空间中三个正交方向上的缩放

和平移

建立全局能量函数

$E={\mathrm{\Σ}}_{i,j}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}_k{|T\left(p_{m_k}^i\right)-T\left(p_{n_k}^j\right)|}^2+{\mathrm{\Σ}}_i{|a_i-o|}^2+{\mathrm{\Σ}}_i{\left|t_i\right|}^2;$

其中示性函数

o＝[1 1 1]^T为常值向量；T(pⁱ)表示点pⁱ经过缩放量a_i和平移量t_i变换后的位置；

S403.通过求解上述全局能量函数，得到每个待拼接模型部件的最优缩放量以及平移量；最后将得到的最优的缩放量和平移量应用到每个待拼接模型部件上，得到他们最终的位置，形成完整一致的三维几何模型，完成拼接；所得到的三维几何模型可以用于工业设计、数字娱乐等领域。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (10)

1.一种基于全局优化的三维几何模型部件拼接方法，其特征在于，包括步骤：

S1.从源模型中提取多个待拼接模型部件，设定每个待拼接模型部件的初始位置；

S2.结合源模型确定每个待拼接模型部件的接触点；

S3.根据每个待拼接模型部件的初始位置建立接触点间的对应关系；

S4.结合接触点间的对应关系，建立并求解全局优化模型，优化每个待拼接模型部件的缩放量以及平移量，完成拼接。

2.根据权利要求1所述的拼接方法，其特征在于，所述步骤S2中确定每个待拼接模型部件的接触点的方法为：将待拼接模型部件与其所在的源模型中的其它模型部件进行求交运算，选取交点作为待拼接模型部件的接触点。

3.根据权利要求2所述的拼接方法，其特征在于，所述步骤S2包括步骤：

S201.对每个待拼接模型部件的所在的源模型中所有模型部件均匀采样；该待拼接模型部件上所有采样点组成集合P_i1，该源模型中其它模型部件上的采样点组成集合P_i2；

S202.设定第一选取阈值；

S203.计算所述集合P_i1中每个点与所述集合P_i2中距离该点最近的点间的距离值，若小于所述第一选取阈值，则将该点加入集合P_i0；

S204.对所述集合P_i0中所有点做聚类分析，每一类点集的中心点为待拼接模型部件的一个接触点。

4.根据权利要求3所述的拼接方法，其特征在于，所述第一选取阈值为待拼接模型部件的所在源模型包围盒对角线长度的百分之一。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的拼接方法，其特征在于，所述步骤S3包括步骤：

S301.设定第二选取阈值；

S302.每对可拼接的两个待拼接模型部件S_i与S_j的接触点集合分别记为C_i以及C_j；

S303.计算C_i中每个接触点与C_j中距离该接触点最近的接触点间的距离值，若小于所述第二选取阈值，则建立该接触点与C_j中距离该接触点最近的接触点间的对应关系。

6.根据权利要求5所述的拼接方法，其特征在于，所述第二选取阈值为所有待拼接模型部件包围盒对角线长度的百分之五。

7.根据权利要求5或6所述的拼接方法，其特征在于，所述步骤S302中，判断两个待拼接模型部件可拼接的方法包括：

如果两个待拼接模型部件间的最近距离值小于所述第二选取阈值，则这两个待拼接模型部件可拼接。

8.根据权利要求5或6所述的拼接方法，其特征在于，所述步骤S4包括步骤：

S401.所述接触点集合C_i与C_j中的建立对应关系的接触点集合记为 $\{(p_{m_1}^i,p_{n_1}^j),(p_{m_2}^i,p_{n_2}^j),...\};$

S402.建立全局能量函数 $E={\mathrm{\Σ}}_{i,j}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}_k{|T\left(p_{m_k}^i\right)-T\left(p_{n_k}^j\right)|}^2+$ ${\mathrm{\Σ}}_i{|a_i-o|}^2+{\mathrm{\Σ}}_i{\left|t_i\right|}^2;$

其中

o＝[1 1 1]^T为常值向量；T(pⁱ)表示点pⁱ经过缩放量a_i和平移量t_i变换后的位置；

S403.求解上述全局能量函数，将得到的最优缩放量以及平移量应用到每个待拼接模型部件上，完成拼接。

9.根据权利要求5或6所述的拼接方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：如果两个可拼接的待拼接模型部件在步骤S303中未找到具有对应关系的接触点，则建立这两个待拼接模型部件上最近点间的对应关系。

10.根据权利要求9所述的拼接方法，其特征在于，所述步骤S4包括：结合接触点间的对应关系以及最近点间的对应关系，建立并求解全局优化模型，优化每个待拼接模型部件的缩放量以及平移量，完成拼接。

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