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面向移动端的三维网格模型简化软件算法研究

添加时间:2018-10-27 20:43:51   浏览:次   作者: www.dxlwwang.com
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本文是一篇软件工程硕士论文,软件是由计算机程序和程序设计的概念发展演化而来的,是在程序和程序设计发展到一定规模并且逐步商品化的过程中形成的。软件开发经历了程序设计阶段、软件设计阶段和软件工程阶段的演变过程。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇软件工程硕士论文,供大家参考。

 
第一章 绪论
 
计算机真实感建模随着互联网技术的进步得到快速成长,三维模型成为继图像,音频,视频之后广泛普及于人们日常生活的多媒体数据类型;而随着软硬件处理技术的提高,三维模型的复杂程度和数据量呈指数增长,对于网络的传输速度和处理器的存储、处理能力都提出了更高的标准。与此同时,手机,平板等移动终端成为用户上网的第一选择,三维模型在移动终端的显示与处理势在必行,但是移动终端存储能力不足,图形图像处理能力有限等特点不支持大规模数据量的三维模型实时显示。因此,针对资源受限移动终端的特点,对三维模型进行简化具有十分重要的现实意义。本章首先对研究背景与意义进行介绍,然后对现有的研究工作进行概括,得出现有研究工作存在的缺陷,接着对本文设计的基于区域分割的三角形网格模型简化算法进行描述,最后对本文的行文结构进行介绍。
 
1.1 本文研究的背景与意义
三角形网格模型因其不需要提取表面特征点、特征线等几何信息,表达形式简单,而且能够保留物体的真实感,成为三维建模中普遍使用的一种三维几何模型数据,被广泛地应用于图形建模、地形成像、医疗成像、虚拟现实等领域中,成为人们日常生活和工作的一种新的多媒体数据类型。现代科技进步催生出多样的三维数据采集设备以及技术,例如无人机倾斜摄影和车载激光扫描,使得生成的三维网格模型愈发逼真,精细程度越来越高,数据存储量也越来越大,为后期的可视化计算,渲染和实时响应带来了极大的困难。从装备制造用的一颗螺丝钉,到人体,城市建筑,再到地图上的山川大河,模型的三角形网格源数据动辄上万,而数据的储存量也要以 GByte,甚至 TByte 为单位,需要非常大的内存空间。巨大的数据量为数据的共享、分发、和传输造成了极大的困难,而在如此数据规模的三维网格模型上进行后续的纹理贴图、渲染等操作又导致计算复杂度高,计算量大,计算耗时长,不能满足实时显示的需求,成为可视化系统实现的一大瓶颈问题。因此,需要对三维网格模型的数据量进行压缩,相对的损耗模型精度以提高处理速度,减少处理时间,实现高效的实时显示。与此同时,随着无线网络技术和移动设备的高速发展,使得手机成为常用的上网移动终端。为了便于人们的生活,将三维模型的可视化技术应用于移动终端势在必行,个人用户也需要在手机端上传下载,浏览编辑三维模型。但是,相比于个人台式机,手机移动终端具有屏幕小、图形图像处理能力偏低、分辨率低、电量受限、数据计算能力差、内存容量小和数据下载消耗移动网络流量等特点,无法满足精细模型巨大的数据量在手机端实时显示的要求。而且,在多数领域中,并不要求精细程度过高且数据量大的网格模型,相对简单的模型就可以满足实际需求。这就需要对庞大而复杂的三维网格模型进行简化,以达到减少数据量、减轻网络传输压力、提高移动端显示速度的目的。
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1.2 国内外研究现状
网格模型简化最早由 Clark[1]提出,直到三维数据采集设备成熟后,才逐渐得到深入研究。网格模型简化是最大程度的保留原始模型的表面特征,极大程度的减少原始模型的数据量,一般做法是删除模型表面平缓部分的三角形,保留模型关键细节特征部分的三角形[2]。三维网格模型简化有两个标准:(1)数据量标准,保留模型视觉效果的前提下,简化模型数据量最少;(2)误差标准,数据量一定的前提下,简化模型误差最小[3]。目前,常用的网格简化方法分为两种,一种是对三维网格模型只进行简化操作,另一种是先进行分割操作再进行简化操作。在三维网格模型简化之前进行分割,能够有效的将模型表面不同的区域划分出来,并根据区域特征合理分配简化量以及选取合适的简化方法进行简化。三维网格模型分割方法根据模型表面图元的几何特征和拓扑信息将模型表面分割为互不相交的独立部分。分割方法依据分割原理的不同分为分水岭法,聚类法,层次分解或合并法,区域生长法等。分水岭分割方法根据注水或降水方式确定集水盆地,集水盆地不断扩展,在两个集水盆地会和处建立边界线,即分水岭以区分区域。Mangan[4]提出 3D 分水岭算法,Chen[5]提出 EMR(extended multi-ring)算法。聚类分割法按照 Mean Shift 或 K-Means 原理将相似性要求满足条件的图元划分在一个区域中,David[6]提出 VSA(variational shapeapproximation)方法,Yamauchi[7]提出 FSMSMS(feature sensitive mesh segmentation withmean shift)。 Garland[8]提 出HFC(hierarchical face clustering) 方 法 , Katz[9]提 出 HMDFCC (hierarchical meshdecomposition using fuzzy clustering and cuts)方法。区域生长法重复的从选取的初始种子开始,将满足生长条件的图元划分到初始种子一类中,由于省去重复的迭代操作,算法处理速度快效率高。全红艳[10]提出 A 型种子区域生长法和 B 型种子区域生长法。
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第二章 三角形网格模型分割与简化
 
三维建模中通常采用三维几何模型来表示物体,包括点云模型,体素模型和表面模型,表面模型又可分为参数样条曲线曲面和多边形网格表面,由于多边形网格表面表示方法简洁,数据存储量较小,得到广泛研究应用。对三维网格模型的研究主要是网格分割与网格简化,网格分割依据分割原理的不同分为区域生长,分水岭,聚类等方法;网格简化依据简化是否受外部环境影响分为静态简化方法和动态简化方法。
 
2.1 三维几何模型简介
三维几何模型用于表示生活中常见的各种三维物体(动物、植物、建筑物),一般通过基于图像的三维建模方法和基于点云的三维建模方法获得。在三维重建过程中,构造三维几何模型并在此基础上进行纹理贴图,渲染和光照处理最终得到具有真实感的三维模型。三维几何模型是三维重建中获取的非常关键的中间结果。根据模型构成元素的不同,可以将三维几何模型分为点云模型,体素模型和表面模型。点云是指三维物体表面被扫描后得到的海量数据点的集合,点云数据包括三维空间坐标系中点的坐标以及颜色信息。点云模型是基于点的绘制技术使用离散的三维密集点云来表征模型表面,目标是采用点元作为基本绘制单元在三维密集点云中重构出连续,视觉等价的模型表面。点云模型数据格式简单,存储较为容易,没有拓扑连接信息和连续性约束,能够表达大规模三维场景和复杂曲面,是 3D 模型处理中的常用表示(如图 2-1(a))。
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2.2 三角形网格模型分割方法
三角形网格模型分割是三维场景建模中十分重要的一个环节,对网格模型进行分割有利于分析模型表面特征以进行后续的压缩简化,纹理贴图等处理,能够从一定程度上减少工作量,提高处理速度,广泛应用于形状匹配,局部特征提取等领域中。分割实质是一个聚类操作,将网格模型整体分割为若干具有局部意义的子网格。分割原理是将三角形网格模型的图元属性参数化,如顶点的曲率,三角形的面积等,并以此为依据衡量空间位置相近的图元之间的相似性,根据相似程度制定分割准则,判断相邻图元是否可以分为一类。根据划分原理的不同,可将三角形网格模型分割方法分为区域生长法,分水岭法,分层聚类法,迭代聚类法,谱分析法,骨架抽取法等。
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第三章 基于区域分割的三角形网格模型简化............21
3.1 模型简化思想.........21
3.2 中心值漂移区域生长法.............21
3.3 简化量分配.... 28
3.4 离散曲率及面积加权 QEM 算法........ 30
3.4.1 QEM 算法..... 30
3.4.2 新顶点的位置........ 31
3.4.3. 改进 QEM 算法.... 32
3.5 基于区域分割的三角形网格模型简化整体步骤............. 35
3.6 三角形网格模型误差度量方法........... 36
3.7 本章小结....... 37
第四章 实验验证与结果分析......... 39
4.1 实验环境....... 39
4.1.1 实验配置...... 39
4.1.2 数据来源...... 39
4.2 实验方案设计......... 40
4.3 实验结果分析......... 40
4.4 本章小结....... 51
第五章 总结与展望..... 53
5.1 全文总结........ 53
5.2 工作展望........ 53
 
第四章 实验验证与结果分析
 
本章介绍了实验使用的软硬件环境和数据来源,为了验证本课题简化算法有效性,设计两种实验方案,从简化逼真度,简化模型几何误差,算法时间复杂度和简化时间验证本算法的可行性;从对四种表面特征不同的模型进行简化验证本算法的普适性。本章通过以下几个方面对基于区域分割的三角形网格模型简化方法进行测试与分析:一是中心值漂移区域生长法实现的区域分割结果;二是基于区域三角形数目和区域平均离散曲率值的简化量分配结果;三是离散曲率及面积加权 QEM 算法实现的区域并行简化结果和简化模型的几何误差结果;四是算法时间复杂度、简化效率分析结果;五是算法普适性分析结果。
 
4.1 实验环境
 
4.1.1 实验配置
本实验环境配置:Intel(R)Pentium(R)CPUG4400@3.30GHz3.31GHz 处理器,4GB内存,实验在操作系统为 Windows 10 的 PC 机上运行,在 Microsoft Visual Studio 2013环境下,用 C++语言和计算机三维图形图像库 OpenGL 进行模型简化并完成三角形网格模型的绘制。实验数据源是 Ply 格式的三角形网格模型文件:牛模型有 2904 个顶点和 5804 个三角形,车模型有 5247 个顶点和 10474 个三角形,人脸模型有 6769 个顶点和 13472 个三角形,苹果模型有 867 个顶点和 1704 个三角形。Ply 是以 ASCII 码格式或二进制形式存储的文件,文件结构简单,只存储文件头和元素数据列表。其中文件头中以行为单位描述文件类型、格式与版本、元素类型、元素的属性等,然后就根据在文件头中所列出元素类型的顺序及其属性,依次记录各个元素的属性数据,例如顶点元素的属性为浮点坐标,三角形元素的属性为顶点位置索引。
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总结
 
对于三维网格模型复杂,数据量大,移动端流量,内存和处理器资源受限的现状,本文研究分析国内外三角形网格模型分割与简化方法,针对他们存在的问题,提出基于中心值漂移区域生长的三角形网格模型简化算法,对三角形网格模型进行三步处理:
(1)分割处理时,按照网格模型表面的弯曲程度进行,使用简单区域生长法,在区域生长的原理中引入均值漂移的思想,提出中心值漂移区域生长法,计算已分割区域的平均离散曲率,每个待生长的三角形与中心值比较确定是否满足生长准则,生长过程中,区域中心值不断变化(漂移)直至趋于稳定。中心值漂移法使得区域中任意两个三角形的离散曲率值不超过“阈值+初始种子的离散曲率-区域中心离散曲率”,避免较大范围的表面被划为同一区域。
(2)简化量分配时,按照区域特征值合理分配简化量,调整区域三角形数目和区域平均离散曲率值所占权重,使得简化结果最优秀。
(3)对各区域并行简化处理时,在经典的 QEM 算法中引入表面弯曲程度,以及三角形的面积,使得简化算法在模型表面平缓区域多做简化,复杂细节区域少做简化,在减少数据量的同时尽量保持原始网格模型的表面关键特征。实验验证时,采用以牛模型为代表的曲面模型,以车模型为代表的平面模型,以人脸模型为代表的复杂模型和以苹果为代表的规则模型进行分割简化,证明了本文算法对于不规则三角形网格模型的普遍适用性。用本文基于中心值漂移区域生长的三角形网格模型简化算法与其他对网格模型整体进行处理和先分割处理后简化处理的两类代表算法进行对比,从简化结果图,简化模型几何误差,简化时间三个方面证明了本文算法的可行性和有效性。
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参考文献(略)

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论文关键字:移动端 三维网格模型 简化算法