[发明专利]一种三维模型局部匹配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维模型局部匹配方法。

背景技术

随着三维模型扫描设备的普及和建模软件例如CATIA、AutoCAD、Maya、3DMax的大量使用，使得三维模型在各个领域开展了大量应用，包括计算机辅助设计和制造、多媒体、动画、游戏、三维影视、医学、生物、人脸辨识等重要领域。巨量模型的存在使得三维模型的检索需求非常迫切，另外，由于三维模型设计的复杂性对三维模型复用可以大大提高设计人员的效率，同时，三维模型的识别可以应用到三维模型验证等领域。然而，三维模型检索、复用、识别等应用依存于三维模型匹配技术基础。

三维模型匹配与检索技术已经成为国内计算机图形学和多媒体领域的一个研究热点。在国内公开的专利申请中，申请号为200810243875.9的专利“一种基于面拓扑关联约束的三维实体模型检索方法”提出了通过面拓扑关联约束集近似度计算来比较其拓扑及几何细节的方法，通过面拓扑关联约束的快速比较，可从全局拓扑关系及局部拓扑/几何细节两个层次，在大规模三维产品数据库中快速定位相似的三维实体模型。申请号为200910086721.8的专利“基于视频的三维模型检索方法”提出了先行预处理再生成二维轮廓数据库，通过轮廓进行比较的方法。申请号为201010258242.2的专利“基于形状朝向多分辨率分析的三维模型检索方法”提出了三维形状的朝向作为基础的特征，采用三维形状的面片朝向主成分分析方法获取三个朝向的主轴，并根据该三个垂直主轴设置六个形状朝向采样平面，通过对朝向函数进行多分辨率分析从而可以在多分辨率下进行特征比较。

但上述专利文献提出的三维模型匹配与检索方法有几点不足：

(1)现有匹配方法集中于全局特征提取和三维模型整体匹配上，无法实现对三维网格模型的局部进行匹配；

(2)现有方法提取的特征无法反映到局部区域，特别是无法反映局部的几何和视觉显著区域，造成了局部显著区域在最终的全局特征中所占比重较小；

(3)现有方法在三维模型预处理上普遍采用了形状正规化过程，然而在映射变换的三维模型旋转主轴的提取上稳定性不够高，影响了后续的特征提取。

发明内容

为了克服现有技术的仅限全局匹配的方式、无法提取局部显著区域和形状正规化影响稳定性等不足，本发明提供一种三维模型局部匹配方法，可以对三维模型的局部进行匹配，可以实现三维模型的局部对局部的检索和局部对全局的检索；可以提取局部显著区域特征，增加了方法的匹配精度；特征提取过程不再需要形状正规化，保证了特征提取的稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)计算三维模型任意顶点的弯曲显著度。本发明根据实践自定义了一种弯曲显著度度量方法，可以代表顶点的显著特征。任意顶点的弯曲显著度计算由邻接顶点的高斯曲率和邻接三角形面积加权平均而确定。

(2)根据弯曲显著度生成排序列表并进行区域增长。通过各个顶点的弯曲显著度进行顶点排序，生成顶点排序列表，按照弯曲显著度由高到低依次选取顶点，按照宽度优先的方式在近邻进行区域增长，该区域所有的顶点形成一个局部顶点集合。

(3)步骤(2)中的局部顶点集合形成的区域进行二次曲面拟合。根据区域增长形成的局部顶点集合进行二次曲面拟合，通过三维网格模型的边平均值设定拟合误差的终止条件，将拟合区域标识为三维模型局部子块。一个整体三维模型根据弯曲显著度排序列表可以拟合成若干个局部子块。

(4)三维模型局部子块的特征提取。对三维模型的每一个局部子块提取其旋转不变的特征，不再进行形状正规化的预处理，通过计算以下三项分布作为局部子块的特征：离散高斯曲率直方图分布，离散高斯曲率梯度直方图分布，二面角直方图分布。

(5)三维模型局部子块的特征比较和局部匹配。局部子块之间的比较通过比较局部子块的特征进行实现，比较方法采用步骤(4)中三项分布的最小Manhattan距离来衡量任意两个三维局部子块。通过局部子块之间的特征比较实现局部匹配。

(6)三维模型全局特征比较和全局匹配。两个三维模型之间的全局比较可以通过两个模型的所有局部子块间两两比较来实现。一个模型的每个局部子块在另一个模型的所有子块中寻找距离最小的子块，计算这两个子块之间的距离。通过对所有子块距离求和，计算全局距离，完成全局匹配。