用于产生模型的形状描述符的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明提出了一种用于产生n维矢量作为模型的形状描述符的方法以及相应的装置和形状描述符。所述方法包括：确定所述矢量的类型元以描述所述模型的基本外形；并计算所述矢量的n-1个度量元，每个所述度量元表示所述模型的所有特征落在根据所述类型元划分的n-1层其中之一的百分比。
【专利说明】用于产生模型的形状描述符的方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及计算机图形学。具体而言，本发明涉及用于产生模型的形状描 述符的方法和装置。
【背景技术】
[0002] 3D形状描述符通常是用于定义整个3D模型或该3D模型的某些部分的特征的η维 矢量，其是计算机图形学技术中的基本工具之一。3D形状描述符广泛地应用于许多3D模型 处理任务中，例如检索、对称性发现和建模。
[0003] MITRA，N. J.、⑶IBAS，L. J.和 PAULY，Μ.在 2006 年的论文 "Partial and approximate symmetry detection for 3D geometry，',ACM Trans. Gr. 25, 3, 560. 568 中提 议利用在采样点的曲率张量（curvature tensor)的比率作为该采样点的形状描述符。
[0004] 为了提高判别性能，提出了数种形状描述符。下面的几个文件讨论了已知3D形状 描述符的某些实例。
[0005] (1) 3D shape contexts，M. Kortgen、G.-J. Park, M. Novotni 和 R. Klein, "3D Shape Matching with 3D Shape Contexts，'，the 7th Central European Seminar on Computer Graphics, 2003.
[0006] (2) Spin images, A. E. Johnson和M. Herbert，"Using Spin Images for Efficient Object Recognition in Cluttered 3D Scenes，'，IEEE Trans, on ΡΑΜΙ, 21 (5), pp. 433 -449,1999.
[0007] (3) Shape distributions、R. Osada, T. Funkhouser、B. Chazelle 和 D. Dobkin， "Shape Distributions"，ACM Trans, on Graphics，21(4)，pp. 807 - 832, 2002.
[0008] 在上述文件（1)中描述的外形描述符将S. Belongie、J. Malik和J. Puzicha的论 文"Shape Matching and Object Recognition Using Shape Contexts，'，IEEE Trans, on PAMI，24 (4)，pp. 509 - 522, 2002中提出的2D形状环境的自然扩展应用于3D形状的检索和 匹配，其被定义在参考点上，该参考点获取相对于该点的剩余点的分布。上述文件（2)所述 的旋转图像是表示为2D直方图（histogram)的数据级形状描述符。文件（1)和（2)所提 出的方法都是基于局部点采样几何学的统计，这对于各种形状表示（例如网格、多边形黏 体（polygon soup)和有向点云（oriented point clouds))而言是合适的。
[0009] 上述文件（3)中描述的形状分布是代表性全局形状描述符，其中对象的签名被 表示为从测量该对象的全局几何性质的形状函数采样的形状分布。该方法的难处在于 如何选择判别形状函数和如何开发有效的方法来对其进行采样。在J. W. H. Tangelder、 R.C.Veltkamp 的论文"A Survey of Content Based 3D Shape Retrieval Methods"，Shape Modeling International，pp. 145 - 156, 2004中介绍了用于3D模型检索的多种全局/局 部形状描述符。
[0010] 但是，大部分现有用于计算3D形状描述符的算法都是针对水密性 (watertight) 3D模型（即具有平滑表面和致密顶点分布的3D模型）设计的。图1示出了 非水密性3D模型的实例。上述的算法对于非水密性3D模型不适合，非水密性3D模型（例 如建筑和机械CAD模型）具有尖锐特征和稀疏顶点分布。某些应用（例如实时3D模型搜 索）需要用于计算3D形状描述符的快速算法。
[0011] 因此，需要一种对于非水密性3D模型高效的用于产生3D模型的形状描述符的方 法和装置。
【发明内容】
[0012] 根据本发明的一个方面，提出了一种用于产生η维矢量作为模型的形状描述符的 方法。所述方法包括：确定所述矢量的类型元以描述所述模型的基本外形；并计算所述矢 量的η-1个度量元，每个所述度量元表示所述模型的所有特征落在根据所述类型元划分的 η-1层其中之一的百分比。
[0013] 根据本发明的另一个方面，提出了一种用于产生η维矢量作为模型的形状描述符 的装置。所述装置包括：确定所述矢量的类型元以描述所述模型的基本外形的装置；和计 算所述矢量的η-1个度量元的装置，每个所述度量元表示所述模型的所有特征落在根据所 述类型元划分的η-1层其中之一的百分比。
[0014] 根据本发明的另一个方面，提出了一种模型的形状描述符。所述形状描述符为η 维矢量，包括：类型元，用于描述所述模型的基本外形；所述矢量的η-1个度量元，每个所述 度量元表示所述模型的所有特征落在根据所述类型元划分的η-1层其中之一的百分比。
[0015] 可以理解，下述对本发明的详细说明将介绍本发明的更多方面和优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 附图与用于解释本发明原理的文字说明一起使本发明实施方式得到进一步的理 解，本发明不局限于所述实施方式。
[0017] 其中：
[0018] 图1是非水密性3D模型实例的示意图；
[0019] 图2是根据类型元对3D模型的边框进行划分的示意图；
[0020] 图3是用于计算2D形状的矢量度量元的过程的图示；
[0021] 图4是采用根据本发明实施方式计算的3D形状描述符构建3D模型的方法的流程 图；和
[0022] 图5是采用根据本发明实施方式计算的3D形状描述符在输入多分量3D模型的互 连分量中发现重复结构的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0023] 下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。在下述说明中，出于简洁之 目的，对已知功能和结构不再进行详细说明。
[0024] 根据本发明的一个实施方式，提供了一种具有低复杂性的用于产生3D模型的形 状描述符的方法，该方法鲁棒性较好并且能够有效处理非水密性的3D模型。本发明的该实 施方式可以用于3D建模和对称性发现网格简化，其中在输入网格上检测到的多尺寸等级 重复结构可以用不同等级的细节来保留。
[0025] 在本发明的实施方式中，产生η维矢量作为形状描述符来限定3D模型的外形。在 本发明的实施方式中，将对11维矢量进行描述。即，所述3D模型的形状描述符的矢量含有 11个元。但是，本领域普通技术人员可以理解，上述η可以是任何整数。具有较大维度的矢 量对于形状定义而言将具有更好的精度。
[0026] 根据本发明的实施方式，确定所述矢量的11个元中的一个元以描述所述3D模型 的基本形状，该元可以称为类型元。所述3D模型的基本形状集在现有技术中是已知的，并 且可以根据发明的应用环境来设置。在一个实施例中，所述基本形状集包括立方体、球体和 圆柱体。在另外一个实施例中，所述基本形状集包括平面、开圆柱体（没有底部和顶部的圆 柱体）、圆柱体、圆锥体和球体。
[0027] 所述类型元可以是整数，例如，0用于立方体，1用于球体，2用于圆柱体。或者0用 于平面，1用于开圆柱体，2用于圆柱体，3用于圆锥体，4用于球体。
[0028] 可以根据3D模型的协方差矩阵的三个特征值计算所述3D模型的类型元。例如， 对于包括立方体、球体和圆柱体的基本形状集，可以如下计算所述类型元：
[0029] 如果所述三个特征值具有明显差异，即第二最大值小于最大值的95%并且最小值 小于所述第二最大值的95%，将所述类型元设为0,即立方体。
[0030] 如果只有两个值足够接近，即一个值为另一个值的95%之内，将所述类型元设为 1，即圆柱体。
[0031] 对于其他情况，所述三个值足够接近，将所述类型元设为2,即球体。
[0032] 接下来，确定所述矢量的另外10个元以表示所述3D模型的边框上的全部特征落 入根据所述类型元划分的不同层上的百分比，每个所述元素称为度量矢量元。所述3D模型 的特征可以是3D模型的顶点、三角形或边。
[0033] 所述度量矢量元可以是全浮点，其可以如下进行计算。
[0034] 下面将采用3D模型的边框上的全部顶点详细说明确定矢量的度量矢量元的实施 例。
[0035] 在模型规范化之后，根据所述类型元将3D模型的的边框划分为10层。图2是根 据类型元对3D模型的边框进行划分的示意图。
[0036] (i)对于立方体，用10个嵌入立方体划分3D模型边框。所有立方体具有相同中 心，即3D模型中心。立方体的长度是0.1、0. 2、"·、1，即其中一个包含在另外一个中。
[0037] (ii)对于圆柱体，用10个嵌入圆柱体划分3D模型边框。圆柱体的高度是0.1、 0· 2、…、1，下表面的半径是 0· 05*sqrt (2)、0· l*sqrt (2)、0· 15*sqrt (2)、…、0· 5*sqrt (2)。 所有圆柱体具有相同中心，即3D模型中心。
[0038] (iii)对于球体，用10个嵌入球体划分3D模型边框。球体的半径是 0· 05*sqrt (2)、0· l*sqrt (2)、0· 15*sqrt (2)、…、0· 5*sqrt (2)。所有球体具有相同中心，即 3D模型中心。
[0039] 在对3D模型边框进行划分之后，计算落入不同层的顶点，并计算初始度量矢量 元。通过规范化获得最终的度量矢量元。
[0040] 图3是用于计算2D形状的矢量度量元的过程的图示
[0041] 图3示出了心形形状。边框为矩形。例如可以将该形状的类型元设为1(用于矩 形）。假设5维矢量用于该2D形状的形状描述符，即需要4个度量矢量元，则通过如图4所 示具有相同中心并且尺寸等级减小的4个矩形划分所述边框。如图3所示，在所述心形形状 的边框上一共有19个顶点（由黑点表示）。有12(63.2% )、5 (26.3% )、2 (10.5% )、0个 顶点落入所述4个层。因此，用于此心形形状的矢量形状描述符是（1，0. 632,0. 263,0. 105， 0. 0)
[0042] 为了便于说明的目的，在2D形状的情况下对度量矢量元的计算进行的说明。本领 域普通技术人员可以理解，对于3D模型的计算过程是类似的。
[0043] 两个模型之间的相似性可以定量计算如下：
[0044] (1)如果两个形状元不相等，两个3D模型之间的相似性为0
[0045] (2)如果形状元相等，计算两个度量矢量之间的欧几里德距离。假设所述距离为 d，则两个3D模型之间的相似性是1/d。
[0046] 本发明的另一个实施方式提出了一种用于产生η维矢量作为模型的形状描述符 的装置。所述装置包括：确定所述矢量的类型元以描述所述模型的基本外形的装置；和计 算所述矢量的η-1个度量元的装置，每个所述度量元表示所述模型的所有特征落在根据所 述类型元划分的η-1层其中之一的百分比。
[0047] 本发明的另一个实施方式提出了一种模型的形状描述符。所述形状描述符为η维 矢量，包括：类型元，用于描述所述模型的基本外形；所述矢量的η-1个度量元，每个所述度 量元表示所述模型的所有特征落在根据所述类型元划分的η-1层其中之一的百分比。
[0048] 下面，将结合3D建模和重复结构发现的应用场合对根据本发明实施方式的方法 计算的3D形状描述符的应用进行说明。
[0049] 构建复杂3D模型复杂且耗时。基于现有3D模型的对称性发现，可以置换某些图 案而产生新的3D模型。但是，图案置换非常复杂，因为其需要准备所述模型的全部重复性 部分以使得产生的模型更为合理。下面，对利用根据本发明实施方式计算出的3D形状描述 符构建3D模型的方法进行说明。
[0050] 根据所述构建3D模型的方法，通过分析已知模型的结构，获得所述3D模型的全部 重复结构，并且从数据库中获得合适的模型以置换某些图案，以产生新的3D模型。
[0051] 图4是采用根据本发明实施方式计算的3D形状描述符构建3D模型的方法的流程 图。
[0052] 在方框401，检测原始模型的多尺寸等级重复结构（RS)。
[0053] 为了检测原始模型的多尺寸等级重复结构，可以采用发明人蔡康颖等的国际专利 申请PCT/CN2010/000984 "检测三维网格模型中重复结构的方法和设备"中描述的方法。 根据PCT/CN2010/000984,提出了一种用于检测三维模型中的重复结构的高效多尺寸等级 方法，其中采用了减小的采样步长的迭代均匀采样。本发明使用利用递减的采样步长大小 的迭代均匀采样的方法。使用相对较大的初始采样步长对一个给定的三维网格模型进行均 匀采样。然后，根据采样点的曲率对采样点进行聚类，然后确定属于同一聚类的采样点之间 的变换。这些就是所谓的候选变换。因此，只需要为那些其中两个点具有相似的曲率的采 样点对确定候选变换。这样的聚类步骤不仅改善了算法的效率，而且也提高了算法的精度。 由之前计算的所有变换构建的变换空间包含比它在采样步长大小更小时包含的噪声元素 更少的噪声元素。因此，随后的聚类步骤会更容易发现所有的重复结构。如果模型包括若 干重复结构，这种聚类的通常的结果是，会出现一个或多个不同的聚类。在下一步骤中，选 择（最相关的）聚类，并采用对应的变换和采样点对表示重复结构。最相关的聚类是那些 最重要和明显的聚类。不属于某个聚类的其他变换被舍弃。使用递减的采样步长迭代执行 此过程。每一次迭代都跳过重复部分，只处理模型的剩余部分和在上一次迭代中检测到的 代表性结构的代表。因此，同样可以发现三维模型上的多尺寸等级的重复结构。当重复结 构的数目稳定时或者当达到预先定义的最小采样步长大小时，迭代过程停止。另外，也可以 定义一个超时，测量该过程的运行时间，并在运行时间超过该超时时终止该过程。基于上述 说明，根据PCT/CN2010/000984的方法可以获得输入网格模型Μ的多尺寸等级重复结构的 检测，其结果可以用于本发明的实施方式中。
[0054] 如图4中方框401所示，检测原始模型的多尺寸等级重复结构1、2、···、!!，用类似 对象置换局部重复部分以产生新模型，如图4右部所示。
[0055] 在方框403,计算图案i的矢量3D形状描述符。首先，将图案i的朝向与全局坐标 系统对齐，然后将其缩放（scale to)为单位立方体。接下来计算对齐的图案i的矢量3D 外形描述符。
[0056] 在方框405,对3D数据库进行搜索以寻找新图案i。除了 3D模型之外，在所述3D 数据库中也可以获得3D模型的矢量3D形状描述符。通过比较矢量3D形状描述符，可以从 3D数据库中找到与旧图案最相近的新图案。
[0057] 在方框407,计算新实例分量。首先将新图案变换为具有由方框401计算出的对应 旧图案相同位置、朝向和比例因子。随后在变换和原始实例变换之后由新图案计算新实例。
[0058] 图5是采用根据本发明实施方式计算的3D形状描述符在输入多分量3D模型的互 连分量中发现重复结构的方法的流程图。
[0059] 如图5所示，在方框501对全部分量根据其主曲率进行聚类。本领域已知的聚类 方法可以用于此步骤。
[0060] 在方框503,对方框501得出的分量聚类内的分量根据其形状描述符进一步进行 聚类。本领域已知的聚类方法可以用于此步骤。
[0061] 在方框505,对方框503得到的分量聚类进行结合。如果两个分量聚类的代表分量 属于相同的重复结构，则结合此两个分量聚类。详细的算法如下：
[0062] void Combine_Component_Cluster(void) { 计算全部代表分量对的距离； 按照递增顺序根据代表分量对的距离对其进行排序； 对于(每个排序的代表分量对）
[0063] { 对齐两个代表分量； 计算两个代表分量之间的距离； 如果(代表分量距离〈阈值） 结合相应的两个分量聚类； 否则 中断； } }
[0064] 两个分量之间的距离如下计算.
[0065] Component_Distance = a*component_principle_curvature_ distance+b氺component-shape-descriptor-distance
[0066] 其中a和b是用户设定常数。
[0067] 在方框507,发现每个分量聚类内的重复结构。将每个分量与其所属分量聚类的代 表分量进行比较以判断其是否属于相同重复结构。详细的算法如下：
[0068] oid Discover_Repetitive_Structure_Inside_Component_Cluster (void) { 对于（每个分量聚类Cluster」） { For (属于Cluster」的每个分量c) { 对齐c和Cluster」的代表分量Repre_i; 计算c和Cluster」的代表分量之间的距离； 如果（分量距离< 阈值） 将Repre_i所属重复结构加 c; 否则
[0069] 添加新重复结构并将新重复结构加 c; } } }
[0070] 在方框509,将方框507得到的重复结构结合。如果两个分量聚类的代表分量相 似，则结合该两个分量聚类。
[0071] 虽然结合3D模型的应用场合对本发明进行了说明，本领域普通技术人员可以理 解，本发明也可以应用于2D形状。
【权利要求】
1. 一种用于产生η维矢量作为模型的形状描述符的方法，包括： 确定所述矢量的类型元以描述所述模型的基本外形；并 计算所述矢量的η-1个度量元，每个所述度量元表示所述模型的所有特征落在根据所 述类型元划分的η-1层其中之一的百分比。
2. 根据权利要求1所述方法，其中所述模型是3D模型。
3. 根据权利要求2所述方法，其中所述特征包括所述3D模型的顶点、三角形或边。
4. 根据权利要求2所述的方法，其中所述3D模型的基本形状包括立方体、球体和圆柱 体。
5. 根据权利要求2所述的方法，其中所述3D模型的基本形状包括平面、开圆柱体、圆柱 体、圆锥体和球体。
6. 根据权利要求4所述的方法，其中根据所述3D模型的协方差矩阵的三个特征值计算 所述类型元。
7. 根据权利要求1 一 6中任一所述的方法，其中所述类型元是整数。
8. 根据权利要求3所述的方法，其中用根据所述类型元确定的η-1个嵌入形状划分所 述3D模型的边框。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中所述度量元为全浮点。
10. 根据权利要求8所述的方法，其中通过所述3D模型的全部特征落入所述η-1个层 其中之一上的百分比的规范化来计算所述度量元之一。
11. 一种用于产生η维矢量作为模型的形状描述符的装置，包括： 确定所述矢量的类型元以描述所述模型的基本外形的装置；和 计算所述矢量的η-1个度量元的装置，每个所述度量元表示所述模型的所有特征落在 根据所述类型元划分的η-1层其中之一的百分比。
12. -种模型的形状描述符，其为η维矢量，包括： 类型元，用于描述所述模型的基本外形；和 所述矢量的η-1个度量元，每个所述度量元表示所述模型的所有特征落在根据所述类 型元划分的η-1层其中之一的百分比。
【文档编号】G06K9/46GK104272324SQ201280072792
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2012年5月22日 优先权日:2012年5月22日
【发明者】蔡康颖, 孟维亮, 罗涛 申请人:汤姆逊许可公司