专利名称：一种基于精确测地线的三维模型检索方法
技术领域：
本发明属于多媒体信息检索领域，特别是 一种基于精确测地线的 三维模型检索方法。
背景技术：
最近几年，随着三维模型可视化、数字化的飞速发展，网络上出 现了越来越多的三维模型及其数据库，因此三维模型检索这一问题成 为了当今科技领域关注的热点。如何合理准确地找到相关的三维模型 资源，在这方面国内外已经做出了不少有益的研究。 一个高效的三维 模型检索引擎，不仅能极大地缩短网络搜索的时间，提高我们科研的 效率和质量，也能更加方便地为实际生产生活服务，具有较大的实用 价值。
目前国内外已经有一些比较合理的三维模型检索方法，其中
Masaki Hilaga在论文《Topology Matching for Fully Automatic Similarity Estimation of 3D Shapes》中提出了 一种基于近似测地线的 MRG图匹配算法，而A. BenHamza和Hamid Krim也在先后发表的 论文《Geodesic Object Representation and Recognition》及《Geodesic Matching of Triangulated Surfaces》介绍了基于近似测地线的三维模型 检索方法。这些方法相对于原来的D2算法性能已经有了明显的提高， 而且它对旋转与平移的稳定性变得更好。但是这其中也存在不足首 先MRG图匹配算法的复杂度较高，构建和匹配MRG图过程中有可能 因为某个细节的失误而导致整个模型匹配失准；而A. BenHamza和 Hamid Krim提出的统计方法也涉及相对复杂的数学计算。他们都没有 能够从测地线信息中提取出 一个相对完整的特征向量，不利于釆用模
5式匹配的方法进行检索。另外，他们釆用的算法当中都不是精确的测 地线，因而当三维模型进行简化处理后并不能保证测地线度量的一致 性，通过近似计算得到模型当中两点间的测地距离也存在一定的误 差。
发明内容
(一) 要解决的技术问题 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于
精确测地线的三维模型检索方法，它不仅保持了对模型旋转、平移与 缩放良好的稳定性，而且从精确测地线信息中提取分类与匹配的特征 向量，这样就极大地提高了检索效率。同时由于釆用了精确测地线的 算法，它能够准确的计算出各釆样点之间的最短距离，可以很好地提 高检索的精度，并保持了对于模型简化处理的不敏感性。
(二) 技术方案
针对以上问题，本发明提出的 一种基于精确测地线的三维模型检 索方法。三维模型存储在服务器端的三维模型数据库中，所述方法通 过客户端向所述服务器端提交需要检索的三维模型，服务器端根据客 户端提交的三维模型与三维模型数据库中存储的三维模型进行匹配
操作，并输出三维模型数据库中符合匹配规则的三维模型，其中 所述的匹配搡作包括如下步骤
(l)对客户端提交的三维模型和服务器端的三维模型数据库中所 存储的三维模型进行测地线特征信息提取操作，分别得到客户端的三 维模型特征信息和服务器端的各三维模型的三维模型特征信息； 所述的测地线特征信息提取操作进一步包括如下步骤
(11 )获取三维模型上的每一釆样点到该三维模型中其他各采样 点的精确测地线距离v;
(12)对各采样点，计算该点到模型中其他各点的精确的测地线
距离之和M。；//(v) — min D&s
(13) 利用公式/^0^= mqY:、 对各釆样点进行规
一化处理，其中p为各釆样点，S为三维模型的表面积，a,("代表第 n个釆样点的归一化值；
(14) 构建釆样点的直方图信息及相应的特征向量。首先将0-1 分成m等份，其中m为整数且大于1，各釆样点根据归一化值^(v)划 入不同的等份。统计各等份釆样点个数，构建直方图。再将各等份釆 样点个数除以釆样点总个数从而得每一等份所占比例，构成m维特 征向量『m,『m即三维模型特征信息，用阪和肌分别表示从客户端 提交的三维模型和服务器端的三维模型数据库中所存储的三维模型 中得到的上述m维特征向量；
(2 )通过公式|i R -『,II计算距离长度A附，距离长度A附最小的附 所对应的三维模型即为三维模型数据库中符合匹配规则的三维模型。
其中，步骤(11)还包括如下步骤
(111) 首先从三维模型中任意选择一个顶点作为釆样点，将该点 标记为已处理，并添加到釆样点列表；
(112) 计算该釆样点到该三维模型中其他各釆样点的精确测地线 距离v,找到其中测地距离小于V^T^的各顶点，其中S代表模型 的表面积，将这些顶点归入该釆样点的同类点当中，并标记为已处理， 不添加到釆样点列表；
(113 )从未处理的顶点中选择距离最远的 一个顶点，将其添加到 釆样点列表，重复上述(112)的操作，直到模型中所有顶点都标记 为已处理；其中步骤(112)中，计算精确测地线距离v的方法为
(1121) 设定该釆样点为源点，以射线发散的形式在各三角形面 片上做窗口增长，将模型中各边分解为若干小窗口；
(1122) 在窗口增长的过程中，测地线只在模型中的凹点处可能 发生偏折，发生偏折的点称为伪源点，由此反复迭代直至完成整个模
7型的窗口增长过程；
(1123)再通过反馈的方法得到源点到模型中其他各采样点的测 地线距离，即精确测地线距离V。
其中，所述步骤(1)还包括如下步骤
(15)采用SVM方法对服务器端的三维模型数据库所存储的三维 模型中得到的m维特征向量进行分类，以特征向量的数值接近度作为 分类标准，分类后所得的每一小类的m维特征向量的均值作为本分类 的特征值吟；
所述步骤(2)中，先通过公式IIR-WII计算距离长度A吟，找到 距离长度最小的所对应的小类，将该小类中的m维特征向量用 附表示。
其中，所述步骤(15)还包括如下步骤
(151 )首先选择三维模型数据库所存储的三维模型中得到的任一 m维特征向量作为训练标准，釆用SVM算法将其与之相近的三维模型 和差别较大模型区分开，由此构建一个粗的分类，并计算出该粗分类 中各模型的特征向量的均值作为该分类的特征向量『。；
(152) 再在余下的差别较大的三维模型中选择任一个三维模型的 m维特征向量作为训练标准，重复步骤(151)的操作得到一个新的 粗分类并计算出该分类的特征向量^。
(153) 重复步骤(152)的操作，反复执行SVM算法，直至将整 个三维模型数据库划分为若干个粗的分类。
其中，还包括输出三维模型数据库中符合匹配规则的三维模型 时，将各三维模型按照距离长度A附从小到大的顺序进行排序，选择 若干排名靠前的三维模型做为检索结果输出。
其中，服务器端还设置有三维模型特征数据库，各三维模型的三 维模型特征信息存储在该三维模型特征数据库中。(三)有益效果
本发明与现有技术相比的优点在于.'对于不仅保持了三维模型良 好的旋转、平移及缩放的不变性，而且从采样点的测地线信息中提取 出特征向量，能够很好地进行模型匹配，使检索效率得到极大的提高。 同时采用精确测地线的算法，使模型中任意点的测地距离更加准确， 进一步完善检索的精度，并保证了对于模型简化的不敏感性。而在构 建数据库的过程中釆用SVM算法对数据库的三维模型进行粗分类，加 速检索的速度和效率。
图l为本发明的基于精确测地线的三维模型检索方法的主要模块
和流程；
图2为本发明的点采样的基本流程； 图3为本发明的向量特征信息提取的主要过程； 图4为本发明的检索匹配输出结果的主要过程； 图5为本发明的一个实例输入大象三维模型的检索效果图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明。 一、本发明实施方式的基于精确测地线的三维模型检索方法的主 要模块和流程
如图l所示为本发明的基于精确测地线的三维模型检索方法的主 要模块和流程，本发明的方法基于客户端和服务器端，客户端用于提 交三维模型待检索信息，服务器端包含存储了三维模型的三维模型数 据库，以及经过提取测地线特征向量，并将三维模型的测地线特征向 量按照S VM算法粗分类后得到的特征数据库。
客户端输入待检索的三维模型，首先按照服务器端的模式先进行 提取测地线特征向量操作，然后再向服务器端提交，并和服务器端的特征数据库中的分类数据进行比较，确定与待检索的三维模型最接近 的具体分类，然后再将待检索的三维模型与得到的具体分类内的各三 维模型进行比价，找到最匹配的三维模型，并输出结果。
二、 本发明本发明实施方式的点釆样的基本流程
如图2所示本发明的点釆样的基本流程，首先对三维模型数据库中 的每个模型进行处理，获取三维模型采样点信息，得到釆样点到其他 各点精确的最短距离。具体步骤如下
(1) 提取釆样点，首先从模型中任意选择一个顶点，将该点标记 为已处理，并添加到釆样点列表；
(2) 计算该点到模型中其他各点的测地线距离，找到其中测地距
离小于V5^T^的各顶点，其中S代表模型的表面积，将这些顶点归
入该基本点一类当中，并标记为已处理，不添加到釆样点列表，周围
范围点被标记完成；
(3 )从未处理的顶点中选择距离最远的 一个顶点，将其添加到采 样点列表，重复(2)的操作，直到模型中所有顶点都标记为已处理。 其中计算精确测地线的具体方法为
a、 设定该点为源点，以射线发散的形式在各三角形面片上做窗口 增长，将模型中各边分解为一个个小窗口。
b、 在窗口增长的过程中，测地线只在模型中的凹点处可能发生偏 折，发生偏折的点称为伪源点，由此反复迭代直至完成整个模型的窗 口增长过程。
c、 再通过反馈的方法得到源点到模型中其他各点的测地线距离及 实际路径，即模型中源点到其它各点精确的最短距离。
三、 本发明实施方式的向量特征信息提取的主要过程
如图3所示为本发明的向量特征信息提取的主要过程，具体步骤如
下
(1 )对各采样点计算该点到模型中其他各点的测地线距离之和
10<formula>formula see original document page 11</formula>
(2) 利用公式^"(。 = ~"^~~^T"对各釆样点进行规一
化处理，其中p为各采样点；
(3) 构建釆样点的直方图信息及相应的特征向量。首先将o-i分
成m等份，选取每0.05为一等份，各釆样点根据归一化值^(v)划入 不同的等份。统计各等份釆样点个数，构建直方图。再将各等份采样 点个数除以釆样点总个数从而得每一等份所占比例，构成m维特征 向量；
四、 本发明实施方式的构建完整的三维模型数据库的过程 根据各模型釆样点的测地线信息釆用SVM方法对数据库中各三
维模型进行粗分类，以此构建完整的三维模型数据库。具体步骤如下 (1 )首先选择数据库中一个三维模型测地线的特征向量作为训练 标准，采用SVM算法将其与之相近的三维模型和差别较大模型区分 开，由此构建一个粗的分类，并计算出该粗分类中各模型的特征向量
的均值作为该分类的特征向量『。；
(2) 再在余下差别较大的模型中选择一个三维模型的特征向量作 为训练标准，重复(1)的操作得到一个新的粗分类并计算出该分类 的特征向量》>。
(3) 重复(2)中的操作，执行k次SVM算法，直至将整个数据 库初步划分为k个粗的类别，并建立起各自类别的特征向量，由此完 成数据库的构建。
五、 本发明实施方式的对客户端提供的待检索模型进行釆样处理 的过程
对客户端提供的待检索模型进行采样等处理，构建相应的测地线 特征向量，具体步骤与图3所示为本发明的向量特征信息提取的主要 过程和文字部分说明相同。六、本发明实施方式的检索匹配并生成检索结果的过程 如图4所示为本发明的检索匹配输出结果的主要流程，将客户端
提交的模型特征与数据库中的特征匹配，计算相似距离并排序，最终
生成检索结果。具体步骤如下
(1)初步比较，首先将待检索的三维模型特征向量『x与数据库
中各粗分类的特征向量,进行比较，通过公式II K - W II计算其距离
长度，选择距离最小的一类(或前几类)作为待检索模型的初步定位。 (2 )详细区分，从确定的粗分类中选择各自三维模型的特征向量， 与待检索模型的特征向量附进行计算比较，得到各自的相似距离。
(3)输出结果，将各相似距离按从小到大顺序进行排序，选择前 s个三维模型显示输出，完成检索。
如图5所示为本发明实施方式的检索结果效果图，左侧显示的是
输入的大象三维模型，检索出来的结果显示在右侧，排位越靠前，则 其与待检索三维模型越接近。
权利要求
1、一种基于精确测地线的三维模型检索方法，所述三维模型存储在服务器端的三维模型数据库中，所述方法通过客户端向所述服务器端提交需要检索的三维模型，服务器端根据客户端提交的三维模型与三维模型数据库中存储的三维模型进行匹配操作，并输出三维模型数据库中符合匹配规则的三维模型，其特征在于所述的匹配操作包括如下步骤(1)对客户端提交的三维模型和服务器端的三维模型数据库中所存储的三维模型进行测地线特征信息提取操作，分别得到客户端的三维模型特征信息和服务器端的各三维模型的三维模型特征信息；所述的测地线特征信息提取操作进一步包括如下步骤(11)获取三维模型上的每一采样点到该三维模型中其他各采样点的精确测地线距离v；(12)对各采样点，计算该点到模型中其他各点的精确的测地线距离之和μ(v)；(13)利用公式对各采样点进行规一化处理，其中p为各采样点，S为三维模型的表面积，μn(v)代表第n个采样点的归一化值；(14)构建采样点的直方图信息及相应的特征向量，首先将0-1分成m等份，其中m为整数且大于1，各采样点根据归一化值μn(v)划入不同的等份，统计各等份采样点个数，构建直方图，再将各等份采样点个数除以采样点总个数从而得每一等份所占比例，构成m维特征向量Wm，Wm即三维模型特征信息，用Wx和Wi分别表示从客户端提交的三维模型和服务器端的三维模型数据库中所存储的三维模型中得到的上述m维特征向量；(2)通过公式||Wx-Wi||计算距离长度ΔWi，距离长度ΔWi最小的Wi所对应的三维模型即为三维模型数据库中符合匹配规则的三维模型。
2、 如权利要求l所述的基于精确测地线的三维模型检索方法，其 特征在于，步骤(11)包括如下步骤(111 )首先从三维模型中任意选择一个顶点作为釆样点，将该点 标记为已处理，并添加到采样点列表；(112)计算该采样点到该三维模型中其他各釆样点的精确测地线 距离v,找到其中测地距离小于V^T^的各顶点，其中S代表模型 的表面积，将这些顶点归入该釆样点的同类点当中，并标记为已处理, 不添加到釆样点列表；(113 )从未处理的顶点中选择距离最远的 一个顶点，将其添加到 釆样点列表，重复上述(112)的操作，直到模型中所有顶点都标记 为已处理；其中步骤(112)中，计算精确测地线距离v的方法为(1121) 设定该采样点为源点，以射线发散的形式在各三角形面片上做窗口增长，将模型中各边分解为若干小窗口；(1122) 在窗口增长的过程中，测地线只在模型中的凹点处可能 发生偏折，发生偏折的点称为伪源点，由此反复迭代直至完成整个模 型的窗口增长过程；(1123) 再通过反馈的方法得到源点到模型中其他各釆样点的测 地线距离，即精确测地线距离v。
3、 如权利要求1或2所述的基于精确测地线的三维模型检索方法， 其特征在于，所述步骤(1)还包括如下步骤(15 )釆用SVM方法对服务器端的三维模型数据库所存储的三维 模型中得到的m维特征向量进行分类，以特征向量的数值接近度作为 分类标准，分类后所得的每一小类的m维特征向量的均值作为本分类 的特征值W,所述步骤(2)中，先通过公式ll^-WII计算距离长度Aff;;,找到距离长度Ar少最小的rj所对应的小类，将该小类中的m维特征向量用 附表示。
4、 如权利要求3所述的基于精确测地线的三维模型检索方法，其 特征在于，所述步骤(15)还包括如下步骤(151 )首先选择三维模型数据库所存储的三维模型中得到的任一 m维特征向量作为训练标准，釆用SVM算法将其与之相近的三维模型 和差别较大模型区分开，由此构建一个粗的分类，并计算出该粗分类 中各模型的特征向量的均值作为该分类的特征向量『。；(152) 再在余下的差别较大的三维模型中选择任一个三维模型的 m维特征向量作为训练标准，重复步骤(151)的操作得到一个新的粗分类并计算出该分类的特征向量W;(153) 重复步骤(152)的操作，反复执行SVM算法，直至将整个三维模型数据库划分为若干个粗的分类。
5、 如权利要求4所述的基于精确测地线的三维模型检索方法，其 特征在于，输出三维模型数据库中符合匹配规则的三维模型时，将各 三维模型按照距离长度A肌'从小到大的顺序进行排序，选择若干排名 靠前的三维模型做为检索结果输出。
6、 如权利要求5所述的基于精确测地线的三维模型检索方法，其 特征在于，服务器端还设置有三维模型特征数据库，各三维模型的三 维模型特征信息存储在该三维模型特征数据库中。
全文摘要
本发明涉及一种基于精确测地线的三维模型检索方法，本发明的三维模型存储在服务器端的三维模型数据库中，本发明的方法通过客户端向所述服务器端提交需要检索的三维模型，服务器端根据客户端提交的三维模型与三维模型数据库中存储的三维模型进行匹配操作，并输出三维模型数据库中符合匹配规则的三维模型。本发明的方法不仅保持了三维模型良好的旋转、平移及缩放的不变性，而且从采样点的测地线信息中提取出特征向量，能够很好地进行模型匹配，使检索效率得到极大的提高，同时采用精确测地线的算法，使模型中任意点的测地距离更加准确，进一步完善检索的精度，并且保证了检索结果对模型的简化不敏感。
文档编号G06F17/30GK101458714SQ200810247338
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者刘永进, 露 吕, 张文琦 申请人:清华大学