[发明专利]一种基于凸包与OBB的三维网格模型骨架提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机动画、3D模型建立、形状分析等领域，具体是指一种利用凸包与OBB的三维网格模型骨架提取方法，可应用于网格蒙皮动画、三维物体识别与匹配等技术环节。

背景技术

3D模型的线骨架提取是计算机图形学及可视化研究中的一个重要研究课题。线性骨架，亦即一维骨架，是3D物体几何和拓扑信息的一维表示，可应用于三维模型的形状分析中，在计算机动画、物体识别和匹配、模型重建、虚拟导航等领域也有着重要的应用价值。

近年来，已有一些算法被提出应用于网格模型的线性骨架提取，常用方法有：(1)细化算法。通过多次迭代收缩，在不破坏物体连通性的情况下剔除边界点，且确保不剔除端点，最终推进到物体内部形成骨架。(2)基于计算几何和图论的方法。Amenta等人提出了基于voronoi图及其对偶图Delaunay三角化的中轴提取方法，该方法可以从点云模型提取中轴。Leymari提出的Shock图方法也属于几何方法中的一种。这两类几何方法都是以中值面或中轴线为基础，其缺点是对噪声点非常敏感，计算量大。(3)基于Reeb图的方法，近年来取得很大进展。其思想是在网格表面定义一个连续函数，计算每个模型顶点的函数值，将具有相同函数值的顶点聚合成一个顶点，得到模型的骨架。如Hilaga等人提出的MRG算法。该方法虽能够有效地描述三维模型的整体拓扑分支结构，但是缺乏表面细节特性的保留；尤其在主体与分支的连接区域缺乏有效的判断；为了确定细小的分支部分，必须不断地提高模型的分区，大大降低了骨架提取的精度和效率。(4)基于广义场函数方法，如Wu等人的基于可见反力场算法，由于考虑更大范围的模型边界点的作用，对噪声点不敏感，但计算量大。(5)交互方法，如Verroust和Lazarus提出一种从多边形网格上抽取骨架曲线的方法：输入一些3D数据点集，通过用户对源点(骨架曲线的起点)的选取和采样，生成树状的曲线集合。该算法相对复杂，且需要大量人工操作。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提出一种切实可行的方法，实现基于凸包与OBB的三维网格模型骨架提取方法。

本发明是通过下述技术方案得以实现的：

一种基于凸包与OBB包围盒的线性骨架提取方法，包括下列步骤：

(1)对三维网格模型进行分割，生成多个子网格模型。

(2)通过对各子网格的点集求最小凸包，使用凸包顶点构造子网格的凸包近似。

(3)计算每个凸包点集的形心，构造原始骨架点。

(4)用OBB包围盒进行重叠计算，求出相交点集，生成关节骨架点。

(5)对原始骨架点与关节骨架点进行连接，最终形成完整骨架。

首先将整体网格进行分割。我们采用基于特征区域增长的交互式分割技术。首先用不同颜色在屏幕上标注出前景曲线及背景曲线，然后计算网格上对应的投影点集。以这些点为“种子点”，采用Isophotic度量距离进行区域增长，将网格划分为想要的各个部分，并对不够平滑的边界区域进行优化，最终达到想要的分割结果。

对各子网格模型，我们使用改进增量方法求取凸包，提取出各子网格的初始形状。由于凸包顶点可有效地表示该部分点云的总体形状信息，可以将凸包顶点作为该子网格模型的近似表示，有效地减少后续计算量，提高算法效率。

求取各子网格凸包顶点集合的OBB包围盒，用包围盒的中心作为初始骨架顶点，连接相邻骨架点，生成初始骨架，而包围盒的三个轴向可用于接下来的关节骨架点求取。

对两相邻子网格模型，其OBB交集中的点是相应关节周围的点，对这些点求取中心点，可作为关节骨架点，将其与相邻原始骨架点连接，就可生成原模型的完整骨架。

本发明具体方案如下：

(1)网格分割

对一整体网格模型，基于特征的区域生长算法对网格进行分割处理；首先输入一个三维网格模型，在三维网络模型上标注出前景曲线与背景曲线，然后计算从视点发出的射线通过前后背景曲线与网格的交点，定义为C＝{C_F，C_B}，其中C_F、C_B分别为前景曲线与背景曲线的投影点集；

再根据Isophotic度量距离进行区域增长；Isophotic度量考虑的因素有：曲面上边的长度、曲面法向量、曲率的度量；Isophotic度量的公式化离散形式表述为：