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基于二次误差测度的三角网格简化算法研究

基于二次误差测度的三角网格简化算法研究

作者：张欣山东师范大学

学位级别：硕士

随着计算机软硬件技术和互联网的发展和普及，影视动画、游戏动漫、生物医学等3D产品的消费和使用，已成为普通大众生活和工作的一部分，立体取代平面、虚拟模拟现实的3D技术带领我们踏入一个看似虚拟但却真实的立体世界。然而，3D技术... 详细信息

随着计算机软硬件技术和互联网的发展和普及，影视动画、游戏动漫、生物医学等3D产品的消费和使用，已成为普通大众生活和工作的一部分，立体取代平面、虚拟模拟现实的3D技术带领我们踏入一个看似虚拟但却真实的立体世界。然而，3D技术带来便利的同时，也产生了不和谐因素——有限的网络传输、计算机图形处理能力成为精密3D数据模型实时显示和传输的瓶颈，同时，包含大量冗余数据的模型对网络和计算机资源也造成了巨大浪费。因此，3D网格模型简化算法的研究工作具有重要的现实意义。本文的主要研究目标是提出并实现基于QEM的三角网格简化算法的改进，使基于QEM的三角网格简化算法在此基础上更加完善，以推动三角网格简化算法朝着快速准确的方向发展。为更好地研究并提出一种高效的简化算法，本文对网格简化的一些关键技术进行了探讨，并提出新算法。本文的研究工作主要包括以下三个方面： 1.分析了三角网格模型简化算法研究背景及意义，总结现有网格简化算法，并提出现阶段网格简化算法需要解决的问题。总结现存比较常用的两类误差度量方法，对比基于外观相似度和基于几何相似度两类误差测度的优劣，加深理解。总结比较常用的特征保持因子的优缺点，如三角形局部区域面积、折叠顶点曲率、三角形几何形状等，分析并比较各特征因子应用于三角网格简化时的性能差异，确定本文采用的特征保持因子。 2.针对现有算法在网格简化中存在的特征保持效果差、简化结果均匀、简化速度慢等问题，提出一种基于特征保持的三角网格简化算法，设计并实现了一个功能较为完善的网格简化系统。深入研究三角形折叠算法思想以及二次误差测度对模型简化误差的控制。将三角形的狭长度L(long and narrow degree)、局部区域面积LRA(Local Region Area)以及局部区域的尖锐度LRA ( T )(local region sharpness)三个特征保持因子应用到改进算法中，提出改进的误差度量计算公式。简化前对原始模型的三角形预分类，延迟特征三角形的简化，优先简化特征不明显区域的三角形，同时，对于新顶点的位置确定，不同的三角形采取不同的处理方法，避免进行过多运算，以降低算法的时间复杂度。完善算法思想、算法步骤，完成数据结构设计及算法编写，通过几种模型的实验结果，对算法的有效性与合理性进行简要地分析。实验证明，算法较好地保持了模型原始特征，简化速度较快。 3.针对当前许多模型都是带属性的三角网格模型，研究现有带属性网格模型的简化算法，熟悉模型颜色属性的保持方法和原理，并应用于第三章提出的改进的网格简化算法中，提出一种能够简化带属性网格模型的三角形折叠简化算法。几何误差E dist由基于特征保持的三角形网格算法可得，属性误差Ea 由颜色空间中两点间的距离决定，将两个误差相加得到总体误差E = E + Ea)，最小化E得到最终的总体误差,以此误差控制三角形简化顺序。新顶点位置的确定，采用分类处理法避免进行过多运算，以降低算法时间复杂度。实验结果证明，算法能够较好地保持模型的几何属性及颜色属性。

关键词：二次误差测度三角网格简化特征保持三角形折叠属性

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基于特征保留的三角网格简化与优化技术

基于特征保留的三角网格简化与优化技术

作者：李凯华中科技大学

学位级别：硕士

如何减少模型渲染和计算的数据量和提高模型网格的质量一直是人们研究的重点。通过网格简化算法可以减少复杂网格中的冗余数据,在存储和计算上都具有很大的优势。对简化后的网格进行优化可以提高网格的质量,在模型的视觉特征显示和某些... 详细信息

如何减少模型渲染和计算的数据量和提高模型网格的质量一直是人们研究的重点。通过网格简化算法可以减少复杂网格中的冗余数据,在存储和计算上都具有很大的优势。对简化后的网格进行优化可以提高网格的质量,在模型的视觉特征显示和某些应用方面(如网格变形等)都具有很大的作用。QEM(Quadric Error Metrics,二次误差度量)算法对网格中的冗余边进行折叠,在众多的网格简化算法中效果好且计算量小。但其仅仅考虑了新顶点和原始顶点的距离误差作为网格简化的代价,未考虑网格的形态和特征变化,因此会造成简化后网格的特征发生退化。针对QEM算法存在的问题,通过检测网格的特征,在简化时将网格的特征也作为简化代价与QEM算法结合起来。本文改进了QEM对于网格边界的处理,关于网格的边界边,加入了一个虚拟平面,使得在简化过程中边界边也能进行折叠,并且新的边界顶点能靠近原始的边界边。针对拉普拉斯算子和平均曲率算子等在优化过程中未区分网格特征这一问题,本文将三角网格的特征作为惩罚项加入到优化算子中,使得算法在网格特征多的地方进行小幅优化,在网格平坦处进行大幅优化。通过这种针对性的优化方法,可以改善优化后网格的视觉效果,使得优化后的模型在细节特征方面更加接近原始模型。实验结果显示,改进的QEM算法可以达到与原QEM算法相近的时间性能,但很好的保持了网格中的细节特征,改善了简化后网格的视觉效果。加入了特征惩罚项的网格优化算子在优化时能针对网格的不同特征区域进行优化,优化过程对网格的细节特征破坏比原始优化算子大幅减小,网格的平均误差距离要小于直接使用原始优化算子的平均误差距离。

关键词：三角网格简化二次误差距离特征检测三角网格优化特征保留

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离散数据环境下复杂曲面检测点布局策略研究

机械工程学报 2011年第24期47卷 8-14页

作者：郑惠江何改云丁伯慧天津大学装备设计与制造技术天津市重点实验室天津300072

根据采样策略进行采样点的选择和布局,是对复杂曲面加工质量进行检测轨迹规划的重要内容之一。针对一般曲面采样点布局算法用于离散数据环境下复杂曲面测点布局存在的局限性,通过分析离散数据环境下复杂曲面数据的特点,引入局部网格曲... 详细信息

根据采样策略进行采样点的选择和布局,是对复杂曲面加工质量进行检测轨迹规划的重要内容之一。针对一般曲面采样点布局算法用于离散数据环境下复杂曲面测点布局存在的局限性,通过分析离散数据环境下复杂曲面数据的特点,引入局部网格曲率特性参数,构建基于三角面片微分几何特性的网格简化方法,从而提出基于网格简化的复杂曲面离散数据检测点布局策略,并建立不同层次网格之间距离值相对于简化三角形数量的拟合曲线方程,验证曲率权值优化方法在离散数据环境下对提高复杂曲面采样点布局精度的有效性。

关键词：离散数据检测点布局策略三角网格简化曲率权值优化复杂空间型面检测

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复杂曲面的网格化自适应测点规划

光学精密工程 2019年第7期27卷 1632-1639页

作者：叶建华高诚辉曾寿金福建工程学院机械与汽车工程学院福建福州350118 福州大学机械工程及自动化学院福建福州350116 福建工程学院先进制造生产力促进中心福建福州350118

检测点的布局优化是复杂曲面类零件加工误差检测的关键。针对由多张不同特征曲面复合而成的零件模型整体的自适应测点规划困难问题,开展网格化自适应测点规划研究。将复杂曲面模型转化成细粒度的三角网格模型;进而采用三角网格边简化方... 详细信息

检测点的布局优化是复杂曲面类零件加工误差检测的关键。针对由多张不同特征曲面复合而成的零件模型整体的自适应测点规划困难问题,开展网格化自适应测点规划研究。将复杂曲面模型转化成细粒度的三角网格模型;进而采用三角网格边简化方法进行自适应测点规划。利用局部多项式拟合和局部曲率估算技术,实现网格顶点的自适应精简;通过顶点替代法,避免网格化离散误差的影响;采用子集选择技术,提升简化效率。实验结果表明:该方法不会引入网格化离散误差,对网格化粒度不敏感;在同样测点的情况下,最大误差较均匀采样法减小32.8%,较随机Hammersely序列法减小16.9%,均值误差则分别减小28.7%,18.5%。通过网格化能避免多张曲面间的协调处理困难问题;规划的测点能较好地反映曲面的加工质量。

关键词：复杂曲面检测自适应测点规划三角网格简化

基于改进Marching Cubes算法的乳腺MRI肿块三维重建

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传感技术学报 2013年第4期26卷 439-445页

作者：朱益苗徐伟栋厉力华刘伟徐平张娟生命信息与仪器工程学院杭州电子科技大学杭州310018 浙江省肿瘤医院放射科杭州310022

核磁共振成像MRI(Magnetic Resonance Imaging)是目前乳腺癌肿块诊断的常用辅助手段,对图像的正确解析是关键,针对传统MC(Marching Cubes)面绘制算法应用于乳腺MRI图像的不足,提出了改进方法。首先利用乳腺MRI序列图相邻帧间图像灰度分... 详细信息

核磁共振成像MRI(Magnetic Resonance Imaging)是目前乳腺癌肿块诊断的常用辅助手段,对图像的正确解析是关键,针对传统MC(Marching Cubes)面绘制算法应用于乳腺MRI图像的不足,提出了改进方法。首先利用乳腺MRI序列图相邻帧间图像灰度分布的相似,肿块组织形状相近等相关性,在RSF(Region-Scalable Fitting)模型的基础上利用初始轮廓迭代的方法提取肿块区域。接着将多组参数下获得的结果,依据每一帧与其前后帧的重叠面积越大越好作为条件进行筛选,使提取的等值面最优化。最后采用基于加权二次误差度量的三角形折叠方法,对面绘制产生的大量三角网格进行了简化。将所提出的改进方法应用于30例乳腺MRI序列图,实验结果表明,对于乳腺MRI肿块的三维重建在精度和绘制速度上都比使用传统MC算法有很大提高。

关键词：医学图像处理 MRI肿块三维重建帧间相关性 Marching Cubes 三角网格简化

地面三维激光扫描技术在文物保护中的应用研究

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地面三维激光扫描技术在文物保护中的应用研究

作者：黄厚圣长安大学

学位级别：硕士

文物是研究我国古代历史文化发展的非常珍贵的实物资料，这些宝贵的文物遗迹随着历史的变迁以及自然或人为的原因都在遭受着不同程度的破坏，急需在传统保护技术的基础上引入数字化的保护方法，同时为了在全球范围内更广泛的传播中国文... 详细信息

文物是研究我国古代历史文化发展的非常珍贵的实物资料，这些宝贵的文物遗迹随着历史的变迁以及自然或人为的原因都在遭受着不同程度的破坏，急需在传统保护技术的基础上引入数字化的保护方法，同时为了在全球范围内更广泛的传播中国文化提升文物遗迹广阔的旅游价值，更需要具有真实感的数字化展示技术进行有力的宣传。针对文物保护和考古研究的测绘需求，本文详细介绍了地面三维激光扫描仪应用在文物表面点云数据获取、三维建模、虚拟展示等技术的原理和方法，对文物的三维重建及其虚拟展示技术展开研究。本文首先介绍了文物测绘的特点和要求，以及现代文物测绘技术的原理和方法，重点分析了地面三维激光扫描技术在文物测绘中的优势。本文通过地面三维激光扫描技术获取了某铜像的三维点云数据。在Cyclone软件开展点云数据的去噪、拼接等数据预处理技术的研究。利用Geomagic studio12软件对拼接后的点云数据完成了三维精细建模。精细建模的过程按点阶段、多边形阶段和曲面阶段进行。在点阶段对预处理后的点云数据进行进一步的净化、去噪、简化和封装;在多边形阶段对封装后的孔洞进行修复并进行模型简化;在曲面阶段先对简化后的多边形模型进行自由曲面拟合，再精确构建NURBS曲面模型，实现了铜像表面的三维精细建模，并在此基础上对三维几何模型进行纹理映射，得到铜像的真实感数字化模型。最后以铜像数据为例探讨了点云数据和三维模型在文物保护方面的部分应用。

关键词：文物保护数据获取数据预处理三角网格简化虚拟展示

真实感古遗址三维重建及虚拟展示技术研究与应用

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真实感古遗址三维重建及虚拟展示技术研究与应用

作者：张慧西北大学

学位级别：硕士

针对文化遗产保护和数字考古研究需求,本文给出了国内外数字考古技术研究及其应用现状,分析了目前数字考古中常用的文物数据获取、三维重建、展示技术的发展趋势,对考古发掘现场的三维重建、文化遗址重建、出土文物修复及其虚拟展示技... 详细信息

针对文化遗产保护和数字考古研究需求,本文给出了国内外数字考古技术研究及其应用现状,分析了目前数字考古中常用的文物数据获取、三维重建、展示技术的发展趋势,对考古发掘现场的三维重建、文化遗址重建、出土文物修复及其虚拟展示技术展开研究。本文将三维激光扫描、G1S和虚拟现实等技术应用到小雁塔、西汉古墓等古遗址的重建和展示中。本文的主要研究工作如下： 1)利用三维激光扫描技术获取古遗址（如小雁塔和西汉张安世古墓群）的三维点云数据。依据图像处理手段开展针对点云数据的去噪、简化及网格化三种预处理技术研究。 2)真实感古文化遗址的三维重建。主要研究了古遗址三维模型的两种后期处理技术,即古遗址三维模型的三角网格修补技术和网格简化技术。依据点云数据进行了古遗址的三维重建。提出了一种新的多分辨率模型融合技术,并对古遗址模型群进行了组合,建成一个大的古遗址场景。最后对古遗址三维模型的真实感处理进行了研究。 3)古遗址的GIS功能实现。采用了两种工作模式：矢量地图和卫星地图（以西安地图为例）,在每一种模式下都实现了GIS常有的信息查询、定位、鹰眼图等多种功能。 4)设计并实现了以小雁塔和西汉张安世古墓群为例基于GIS的三维古遗址虚拟漫游系统。把GIS技术应用到数字考古和文化遗址的保护中本研究得到陕西省自然科学基础研究计划项目“遗址GIS应用系统的研究与开发”（编号：2009JM8008）的支持。

关键词：文化遗址保护 GIS技术虚拟现实点云数据三角网格简化

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120型货车空气制动培训系统关键技术研究

120型货车空气制动培训系统关键技术研究

作者：刘莹北京交通大学

学位级别：硕士

120型货车空气制动阀作为我国当前货车制动机的主体,占据着我国铁路制动的主导地位,因此对120型制动阀检修人员技术水平要求更高。由于120型制动阀内部腔道结构密集,空气制动原理复杂,而目前现场职工培训手段较单一,师资匮乏,培训效果... 详细信息

120型货车空气制动阀作为我国当前货车制动机的主体,占据着我国铁路制动的主导地位,因此对120型制动阀检修人员技术水平要求更高。由于120型制动阀内部腔道结构密集,空气制动原理复杂,而目前现场职工培训手段较单一,师资匮乏,培训效果不理想,不利于高速铁路发展的需要。针对这种情况,开发一款适合铁路系统120型空气制动阀结构及工作原理的培训系统具有重大的工程意义。本课题是在此背景下研究开发了120型货车空气制动仿真培训系统。本文以三维动画仿真技术为开发依据,针对目前铁路现场培训方式存在的不足提出问题需求,首次开发出一套适合铁路货车系统制动阀原理教学的三维仿真培训系统,该系统包括制动阀原理和各部件作用位原理,三维演示以交互方式进行展示,课题包括模型建立、气体表现形式、系统实现等环节,力求逼真表现制动阀的作用原理,以易懂、形象、操作方便为开发原则,最大限度使学员掌握其原理,达到教学目的。三角网格模型简化算法的实现,有效提高了系统绘制速度。通过对渐进网格简化算法分析,提出基于渐进网格简化算法的半边折叠简化算法,对制动阀网格模型进行简化,解决了模型复杂度与存储、传输、处理,特别是实时绘制之间的矛盾。研究开发了空气制动阀气体粒子系统表现,基于几何建模方法——粒子系统的基本原理及工作流程,采用了图形学中纹理映射、公告板技术和动态生成视点替用特效技术,结合Maya特效实现气体绘制真实性与实时性的兼容。本系统利用三维动画关键帧技术实现制动阀各部件运动仿真,采用二维、三维演示系统实时切换的方式提高了培训效率;探讨了粒子系统实时性和真实性矛盾问题,同时利用材质属性达到系统逼真化效果;碰撞检测与遮罩技术相结合,有效的约束了气体粒子的运动并解决了粒子外溢现象。该系统可作为我国铁路货车方面制动阀的教学培训工具,可提高铁路各路局检修人员培训效果,为企业降低培训成本做出积极贡献。本课题第一次实现了我国铁路货车用120阀原理利用纯三维模拟方式进行仿真培训,填补了我国空气制动系统难以用三维形式表现的空白,该系统已正式交付眉山车辆厂用于工厂为路局检修人员的培训。

关键词：空气制动阀三角网格简化粒子系统碰撞检测 Maya

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逆向模型重建技术的研究

逆向模型重建技术的研究

作者：孙永锋首都师范大学

学位级别：硕士

逆向工程技术是随着计算机技术的发展和成熟以及数据测量技术的进步而迅速发展起来的一门新兴学科与技术,它的出现,改变了原来CAD系统中从图纸到实物的设计模式,为产品的迅速开发以及快速原型化设计提供了一条新的途径。曲线重建、曲面... 详细信息

逆向工程技术是随着计算机技术的发展和成熟以及数据测量技术的进步而迅速发展起来的一门新兴学科与技术,它的出现,改变了原来CAD系统中从图纸到实物的设计模式,为产品的迅速开发以及快速原型化设计提供了一条新的途径。曲线重建、曲面重建是逆向工程中重要的问题,从已知的采样数据点出发,构造出物体的几何模型,是对物体进行分析、计算和绘制的根据,是研究曲面性质的重要工具。散乱数据点的三角网格剖分是逆向工程中的一个重要环节,是进行后续曲面重建的前提和基础,随着激光和三维坐标测量机等三维数据采样技术和硬件设备的日益完善,人们采用先进的测量设备可以获得物理模型的数据信息。这些数据往往是散乱数据点,而且数据量非常大。对这样的数据直接进行NURBS曲面重构存在很大困难,为此,人们开始研究多项式网格曲面。网格曲面可以表达任意复杂的形体,尤其是三角网格曲面具有计算简单、数值稳定性好以及显示效率高等优点,但是随着数据量的明显增多,扫描获取的几何体的细节以及外形的日渐丰富,对有效生成、处理超大规模几何模型的新方法的需求也日渐增长,单纯采用传统的基于三角面片的绘制方法难以满足真实性、实时性和交互性的要求,三角形网格生成以及进一步简化成为又一个研究热点。本文介绍了文章的选题背景、意义以及目前逆向工程中逆向模型重建的主要技术。本文主要工作如下: 1.以Bézier曲线为例,对重新参数化和参数最优化进行了研究,并将参数最优化方法应用到散乱点的曲线重建。 2.在判断多边形顶点凹凸性的基础上,提出一种基于多边形的三角剖分方法。 3.提出基于边删除和改进二次误差测度的带有属性的三角网格简化方法,在现有的三角网格简化方法的基础上加入了属性的处理。最后对全文进行总结,并指出了今后进一步的研究方向。

关键词：逆向工程曲线曲面重建参数曲线最优参数化三角剖分三角网格简化二次误差测度边重要度