Методы и алгоритмы реконструкции, поиска и визуализации трёхмерных моделей

• Автор: Черников, Игорь Сергеевич
• Шифр специальности: 05.13.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 145 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ РЕКОНСТРУКЦИИ И ПОИСКА ЗО-МОДЕЛЕЙ
1.1. Трёхмерное компьютерное зрение
1.2. Дескрипторы формы поверхности
1.2.1. Классификация дескрипторов формы поверхности
1.3. Методы нормализации трёхмерных моделей
1.4. Методы реконструкции трёхмерных моделей
1.5. Методы поиска трёхмерных моделей
1.6. Выводы
ГЛАВА 2. ТРЁХМЕРНЫЕ И ОРИЕНТИРОВАННЫЕ СПИНОВЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ
2.1. Трёхмерные данные. Ориентированные точки
2.2. Спиновые изображения
2.3. Трёхмерные спиновые изображения
2.4. Ориентированные спиновые изображения
2.5. Параметры генерации спиновых изображений
2.5.1. Размер корзины
2.5.2. Ширина спинового изображения
2.6. Выводы
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ РЕКОНСТРУКЦИИ ТРЁХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ
3.1. Метод первичного совмещения
3.1.1. Способ выбора точек поверхности для совмещения
3.1.2. Алгоритм определения соответствующих точек
3.1.3. Методы верификации соответствий
3.1.4. Проведение вычислительных экспериментов
3.1.5. Вычисление строгого преобразования
3.2. Метод точного совмещения
3.3. Вычислительные эксперименты по выявлению свойств новых локальных дескрипторов
3.4. Результаты автоматического первичного совмещения
3.5. Выводы
ГЛАВА 4. МОДЕЛЬ ПОИСКА ЗБ-МОДЕЛЕЙ В БАЗЕ ДАННЫХ
4.1. Интегральные спиновые изображения в качестве глобальных дескрипторов поверхности
4.2. Метод нормализации ЗБ-моделей
4.3. Анизотропия трёхмерных моделей. Метод получения изотропных интегральных спиновых изображений
4.4. Метод сравнения ЗБ-моделей
4.5. Простые способы описания трёхмерных моделей
4.6. Алгоритм и компьютерная программа для модели поиска
4.7. Результаты вычислительных экспериментов
4.8. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

Введение
Актуальность темы. В настоящее время проблемы реконструкции и поиска схожих по форме трёхмерных моделей в базах данных являются одними из актуальных направлений теоретических и прикладных исследований. Научные исследования в области трёхмерного компьютерного зрения активно ведутся лабораториями всего мира. Работы по созданию программно-аппаратных комплексов для получения пространственных данных объектов реального мира и воссоздания (реконструкции) точных трёхмерных моделей успешно ведутся лабораторией Stanford Computer Graphics Laboratory (Стэнфорд, США), а также компанией DAVID Vision Systems GmbH (Кобленц, Германия). Модели поиска трёхмерных моделей в крупных базах данных разрабатываются в лабораториях Center for Geometry, Imaging and Virtual Environments (Утрехт, Нидерланды), Laboratoire d'informatique Fondamentale de Lille (Вильнёв-д’Аск, Франция), Microsoft Research Cambridge (Кембридж, Великобритания), Princeton Shape Retrieval and Analysis Group (Принстон, США). Информационные системы трёхмерного компьютерного зрения решают задачи контроля производства, построения геоинформационных систем, автоматизации медицинских комплексов, удалённого присутствия, представления, трёхмерной информации и т. п. Алгоритмы компьютерного зрения используются для навигации мобильных роботов, беспилотных летательных аппаратов, автомобилей, распознавания объектов, построения и анализа точных трёхмерных моделей и др.
В настоящее время в целях упрощения аппаратной части программноаппаратных комплексов для автоматической реконструкции трёхмерных моделей решение ряда математических и алгоритмических задач трёхмерного компьютерного зрения возлагается на обрабатывающую программу. Доступность и постоянный рост количества трёхмерных моделей делают весьма востребованными быстрые и эффективные методы поиска трёхмерных моделей в базах данных. Как методы реконструкции, так и методы поиска трёхмерных моделей непосредственно связаны с проблемой
53], состоящие из точек в трёхмерном пространстве, соединённых рёбрами. Каждая точка задаётся тремя декартовыми координатами. Рёбра образуют треугольники. Таким образом, поверхности представляют собой сетку из множества треугольников (каркасную поверхность). Трёхмерные модели представляются аналогично трёхмерным поверхностям. Примеры трёхмерных триангулированных каркасных моделей проиллюстрированы на рис. 7.
Рисунок 7. Трёхмерные триангулированные каркасные модели в сеточном представлении (вверху) и с закрашенными треугольниками (внизу)
Часто для анализа и обработки трёхмерных данных требуется информация о направлении нормалей к поверхности. Для построения спиновых изображений, а также для реалистичной визуализации трёхмерных поверхностей и моделей необходимо знать направление нормали в каждой точке поверхности. Точки в трёхмерном пространстве с ассоциированным направлением называются ориентированными точками. Формально ориентированная точка О на поверхности определяется положением (координатами) р в трёхмерном пространстве и нормалью п к поверхности в этой точке. Отдельного внимания заслуживает проблема вычисления нормалей.
Некоторые сканирующие системы определяют направления нормалей в процессе сканирования и выдают трёхмерные данные с посчитанными нормалями. Однако, часто данные не содержат координат нормалей и приходится дополнительно их вычислять. Один из подходов к этому