一种支持辅助设计的多类别三维模型组合建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于三维几何建模技术领域，具体涉及一种支持辅助设计的多类别三维模 型组合建模方法。
【背景技术】
[0002] 随着3D建模技术的发展以及模型资源的丰富，三维模型组合建模方法近年来受 到了越来越多的关注，多类别三维模型组合建模由于其不受模型种类限制，可以产生更为 丰富的组合建模结果，使其成为一个重要的研究热点。然而，由于不同类别间的模型缺乏直 接的对应匹配关系，使得多类别三维模型的组合建模成为一个较难的问题。
[0003] 本发明为了解决这个难题，引入一个三维模型作为参考模型，指导多类别三维模 型的组合建模。参考模型指导的多类别三维模型组合建模是指，给定一个参考模型和一个 多类别的三维模型库，通过对参考模型的功能性子结构进行解析，指导其他三维模型的跨 类别组合，生成大量的符合功能性要求的三维模型。
[0004] 计算机图形学领域对于三维模型的组合建模有较多的文献，我们不试图尽列所有 方法。重点介绍三维模型的重构编辑的相关工作，也会涉及三维模型的结构分析与表示方 法。
[0005] 三维模型的重构编辑方法近年来已经有较多的研究。2004年普林斯顿大学的 Thomas Funkhouser等人发表了第一篇利用高层信息进行三维建模的文章，利用已有的库 模型组合生成新的三维模型。2011年，美国斯坦福大学的Siddhartha Chaudhuri等人提出 了一种基于贝叶斯网络学习的模型组合方法。2011年，国防科技大学的Kai Xu等提出一种 图像指导的三维建模方法，通过解析二维图像模型的设计规则，将该规则迀移到三维模型 中，生成符合图像风格的三维模型结果。这些方法通过对输入的三维模型或者图像进行解 析，得到模型之间的组合规则，生成新的三维模型。这些方法对于同一类别内部的三维模型 组合具有较好的效果，但是不适用于多个类别三维模型之间的相互组合。2013年，阿卜杜拉 国王科技大学的youyi zheng等人提出一种新的基于功能性的模型组合。该方法的输入是 两个或多个分割好的模型，通过对各个模型的对称性功能性子结构进行替换，得到大量的 三维模型。该方法能解决结构相似的模型之间跨类组合，但是不能解决结构差异较大的跨 类的模型组合问题，因此该方法并没有从根本上解决三维模型跨类组合的难题。这些方法 主要应用于同类别或结构相似的不同类别之间的模型的组合，本发明的目标是实现结构差 异较大的三维模型的跨类组合建模。
[0006] 模型理解和设计的关键是如何建立三维模型的外在表现形式和内在功能之间的 关系，而建立两者之间的关系的桥梁就是模型结构。三维模型形状结构是三维模型部件间 关系的表示，可以利用模型部件之间的对称性、连接性等信息提取来。三维模型结构获取是 形状分析，模型编辑，三维建模等领域的重要研究内容。2009年，以色列特拉维夫大学的Ran Gal等人首次提出了基于结构解析的三维模型编辑方法。2011年，香港科技大学的youyi zheng提出了一种基于部件智能控制的结构保持三维编辑方法。2010年，西门菲沙大学的 Y. Wang等人提出一种检测人造模型对称层次结构的方法。这些方法通过检测模型线条，或 者提取模型基元等方式，获取模型部件之间的关系。本发明通过构建连接关系图，得到模型 之间的支撑关系，为提取模型的功能子结构做准备。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提出一种支持辅助设计的多类别三维模型组合建模方法。为完成 本发明的目的，本发明采用的技术方案是：首先解析参考模型的功能子结构。遍历库模型， 利用基于谐波形状描述符（HSD)的结构上下文描述符与参考模型进行子结构匹配，解析出 参考模型的功能性子结构，功能性子结构是体现模型核心功能的部件及其结构相关的部件 所组成的子结构，库模型为单一功能模型，因此只有唯一的功能性子结构，而参考模型为复 杂结构的复合功能模型，因此具有多个功能性子结构；然后，针对参考模型的功能性子结 构，利用模型类别推荐机制，推荐出一系列可以与参考模型的功能性子结构相匹配的类别 组合；最后，将每个组合中多类别模型中与参考模型的功能性子结构相匹配的部件，按照参 考模型的结构进行组合建模。
[0008] 本发明采用的技术方案为：一种支持辅助设计的多类别三维模型组合建模方法， 包括如下步骤：
[0009] 步骤S100,参考模型的功能性子结构匹配解析：用户输入参考模型，并将参考模 型分割成部件，遍历模型库中所有预先分割成部件级的三维模型，利用结构上下文描述符 进行子结构匹配，解析出参考模型的功能性子结构；
[0010] 步骤S200,匹配参考模型功能性子结构的多类别模型组合推荐：利用解析出的参 考模型功能性子结构，从模型库中检索出相似的类别组合，并通过模型类别推荐机制，得到 一系列可组合的多类别库模型；
[0011] 步骤S300,参考模型结构指导的多类别模型组合建模：利用参考模型的结构及部 分部件，将推荐出的多类别模型中与参考模型功能性子结构相匹配的部件进行组合建模， 从而得到参考模型指导的多类别模型组合建模结果；
[0012] 步骤S400,利用所述的多类别模型组合建模方法能快速构建大量的三维模型，为 三维动画制作、三维虚拟场景构建等应用提供三维素材。
[0013] 其中，在步骤SlOO中所述的"参考模型的功能性子结构匹配解析"，其作法包含以 下步骤：
[0014] 步骤S110,将所有库模型预先分割成部件级，并指定最能代表模型功能的关键部 件，根据分割好的部件之间的相关关系，构建模型的结构关联图描述部件间的关联关系，从 而得到库模型关键部件的结构上下文，即功能性子结构；同理对用户输入的参考模型进行 分割，并得到参考模型每个部件的结构上下文；
[0015] 步骤S120,利用基于谐波形状描述符（HSD)的结构上下文描述符对模型部件的结 构上下文进行解析，参考模型的结构上下文描述符包括两部分：第一个是对部件本身进行 形状描述，对于任意部件i，得到形状描述符C 1的过程包含如下步骤：首先计算出以部件重 心为中心的最小包围盒，得到半径r;然后以模型中心为球心，以r/32为间隔，构建32层同 心球壳，在每一层上根据其与三维模型表面相交的情况构成一个球面函数，利用球面调和 变换来获取前16个球面调和系数，提取旋转不变量即形状描述符C 1，第二个是对部件支撑 关系进行描述，得到结构描述符Hl1的过程包含如下步骤，首先得到部件的X，y，Z轴向的长 度，取三个长度的最大值，然后拉伸其他两个轴向长度，使三个轴向的长度相同，同时等比 例缩放支撑该部件的相关部件，以缩放后的部件重心为中心，在〇. 85*d3lj I. 15*d i半径范 围内等间距的构造7层同心球壳，Cl1是以缩放后的三维模型重心为中心的最小包围盒的半 径，在每一层上根据其与支撑部件的相关部件的表面相交情况构成一个球面函数，并使用 球面调和分析工具提取旋转不变量即结构描述符Hl 1，对库模型的关键部件j的结构上下文 描述符不仅包括C]，m,，还要计算形状描述符c' ,，c' ,是指由库模型关键部件及该部件支撑 的所有部件组合成的模型的形状描述符；