三维模型检索技术

基于几何内容的三维模型比较与检索算法研究Research on 3D Model Similarity Measure and Retrieval姓名：刘一指导教师：查红彬教授基于几何内容的三维模型比较与检索算法研究 Research on 3D Model Similarity Measure and Retrieval摘要随着三维建模技术的日益成熟和计算机软硬件技术的飞速发展，三维模型的数量在最近的十年中有了飞跃性的增长。

充分利用已有的三维模型数据资源，可以大大减轻设计新模型的工作量，同时也可以促进三维数据的流通和在各领域的应用。

这就需要提出有效的方法，根据几何内容对三维模型进行分类和检索。

基于内容检索的关键问题是如何将三维模型的特征进行量化，并在此基础上进行相似度的定义。

由于三维模型作相似变换后，仍被视为是同一个模型，因此抽取具有相似变换不变性的几何特征是十分必要的。

相似变换可以分解成三种基本的变换－平移变换，尺度变换和旋转变换。

对模型的位置和尺寸进行归一的方法相对简单，相对来讲旋转自由度的归一则具有较差的稳定性。

因此，人们期望定义的物体形状描述算子具有自身的旋转不变性。

为了不依赖坐标系的选择，我们利用快速球面调和变换，将三维几何信息分解到SO(3)变换下的一系列不变子空间中，从而获得所提取特征的旋转不变性。

作为和Fujitsu公司的横向合作项目，论文作者和普建涛博士后共同开发了基于几何内容进行三维模型检索的原型系统，在深入研究已有算法的基础上，提出了几个新算法，并验证了有效性。

本文共分五个章节。

第一章介绍三维网格模型的概念和基本应用。

第二章介绍三维模型检索系统的流程与用户界面设计框架。

第三章介绍基于随机过程的三维几何特征提取方法。

第四章介绍球面调和变换的概念和若干以检索为目的的快速球参数化方法，并对作者提出的新算法进行详细讨论。

第五章对实验结果进行总结并展望今后工作。

关键词：数字几何处理、三维模型检索、球面调和变换Key Words: Digital Geometry Processing, 3D Model Retrieval, Spherical Harmonic Transform第一章 三维模型和数字几何处理的概念与应用1.1三维网格模型的概念和应用我们生活在一个三维的世界中，传统的照相技术只能获得三维物体的二维影像，而无法精确的记录物体的三维几何特征。

基于内容的三维模型比较与检索算法研究的开题报告一、研究背景随着3D打印技术的飞速发展和广泛应用，作为其重要支撑的三维模型的需求量不断增长，如何有效地检索和比较三维模型成为了迫切需要解决的问题之一。

传统的基于文本的检索无法满足用户对于模型外观细节等视觉上的需求，因此基于内容的三维模型比较与检索算法成为了当前研究的热点之一。

二、研究目的和意义本课题旨在探寻一种能够实现基于三维模型内容的检索和比较的算法，从而缩短用户在获取感兴趣模型时的检索时间。

对于3D模型制造、教育、艺术等领域，基于内容的三维模型比较与检索技术能够显著提升工作效率和操作便捷性，并且在文化创意产业推广、整合、应用等方面也有着广泛的应用前景。

三、研究内容和研究方法本研究将重点探究三维模型的内容表示、相似度度量和检索排序技术，并尝试设计实现一种基于内容的3D模型检索和比较系统。

具体的研究内容包括：1. 三维模型的内容表示：探究三维模型的表达形式及特征提取算法，构建三维模型的特征向量。

2. 相似度度量：研究三维模型的相似度度量方法，对比常见的相似度度量算法，寻找适用于三维模型的相似度度量方法。

3. 检索排序技术：基于相似度度量结果进行检索排序，考虑到检索结果的可解释性和稳定性，将会探讨使用机器学习、大数据分析等技术构建更加精准的排序模型。

4. 基于内容的三维模型比较与检索系统：在以上研究成果基础上设计实现一款基于内容的三维模型比较与检索系统并对其进行评价。

本研究将采用实验和模拟的方式，对模型相似度和检索排序算法的有效性、可扩展性和性能进行评估。

四、研究进度安排1. 第一阶段：文献调研和研究背景学习（1个月）2. 第二阶段：三维模型内容表示和相似度度量方法研究（2个月）3. 第三阶段：检索排序算法研究和实现（2个月）4. 第四阶段：基于内容的三维模型比较与检索系统实现和评价（2个月）5. 第五阶段：论文撰写及论文答辩准备（1个月）五、研究预期成果1. 提出一种基于内容的三维模型比较和检索的算法。

3)国家自然科学基金专项基金资助项目(编号60723003),国家自然科学基金资助项目(编号60505008),江苏省自然科学基金创新人才(学术带头人)基金资助项目(编号B K2007520)。

林金杰　硕士研究生,主要研究方向为基于内容的视觉信息处理、三维模型检索、人工智能;韦　伟硕士研究生,主要研究方向为三维模型检索、图像处理、计算机图形学;杨育彬　博士,主要研究方向为基于内容的视觉信息处理、人工智能、数据挖掘。

①http :///search.ht ml ②http ://.tw/～dynamic/计算机科学2008Vol 135№110　面向内容的三维模型数据库设计及其检索系统的实现3)林金杰　韦　伟　杨育彬(南京大学计算机软件新技术国家重点实验室　南京210093)摘　要　目前,对基于内容的三维模型检索的研究主要集中在检索过程所涉及到的算法方面,而对三维模型库的设计研究较少。

为此,详细分析了面向内容的三维模型库的建立过程,重点论述三维模型库的组织结构和分类表的设计,提出一种三维模型分类的手工构造方法,开发了三维模型库的管理软件,并研制了三维模型检索的原型系统。

其意义在于为三维模型检索研究提供一个结构合理、数据充分的三维模型库,从而为检索算法的研究奠定坚实的基础。

关键词　三维模型库,分类表,三维模型检索,面向内容　Content 2based Design and Implementation of 3D Model Database and R etrieval SystemL IN Jin 2jie WEI Wei YAN G Yu 2bin(State Key Laboratory for Novel Software Technology ,Nanjing University ,Nanjing 210093,China )Abstract Most of the current available content 2based 3D model retrieval techniques mainly focus on feature extraction and similarity measurement ,and seldom involve the proper design of 3D model databases.This paper presents a con 2tent 2based design and creation of 3D model databases.Firstly ,the paper proposes a novel 3D model database structure by introducing a classification hierarchy in the design of 3D model databases.On the basis of the proposed database de 2sign ,a 3D model database management module ,and a prototype system of content 2based 3D model retrieval are imple 2mented.The proposed database structure is capable of providing well 2structured and rich information in 3D model data 2bases ,and facilitates the implementation of content 2based 3D model retrieval system.K eyw ords 3D model database ,Classification hierarchy ,3D model retrieval ,Content 2based 1　引言三维模型是一种比二维图像内容更为丰富真实、更加符合人类视觉特性的多媒体数据类型,随着计算机图形学的发展以及三维模型获取技术、图形硬件技术的不断进步,其应用越来越广泛。

摘要随着激光扫描技术的发展以及计算机性能的提高，三维模型不仪在数目方面快速增长，而且其应用领域也越来越广泛，如工业产品的模型设计、虚拟现实、３Ｄ游戏和模拟仿真等。

特别是在互联网｝：，有大量共享的三维模型。

研究和开发三维模型搜索引擎帮助用户快速、准确地找到自己所需的三维模型，是一个迫切需要解决的问题。

论文针对三维模型形状分析和检索这一问题展开研究，主要工作包括以下几个方面：在模型预处理方面。

针对主向量分析用于姿态调整时产生的第一和第二主方向二义性问题，提出采用视图对称性来提高姿态调整的稳定性。

首先采用主向量分析计算给定模型的三个主方向，得到模型在第一和第二主方向构成平面上的投影视图。

对视图进行对称性分析，通过对称性进一步确定模型的第＋主方向。

实验表明，采用视图对称性可以有效地提高姿态调整的稳定性。

在基于直方图的特征描述方面。

采用空间点极径和法向定义旋转不变的几何信号：径向夹角。

以点极径和径向夹角作为基本几何信号构造直方图。

径向夹角克服了直接采用法向构造高斯图像存在对模型姿态敏感的问题。

提取的径向夹角直方图不仅具有旋转不变性，而且算法快速有效。

采用直方图描述保证提取的特征在噪声干扰或是多分辨率描述下有比较好的稳定性。

实验比较表明，和类似直方图描述相比较，径向夹角直方图可以得到更好的检索性能。

论文还讨论了表面点采样结果对检索结果的影响，提出采用体素化方法对采样点进一步均匀化，用以提高检索准确率。

在基于矩描述的三维形状分析方面。

以离散正交Ｋｒａｗｔｃｈｏｕｋ多项式为基函数，定义用于形状描述的三维Ｋｒａｗｔｃｈｏｕｋ矩。

三维Ｋｒａｗｔｃｈｏｕｋ矩能够对模型进行多分辨率描述。

针对正交多项式的高计算复杂度问题，构造索引表用于加速特征提取过程。

论文还讨论了不同阶下的矩对检索性能的影响以及体模型分辨率设置问题。

在实验部分，我们和三维几何矩，三维Ｚｅｍｉｋｅ矩进行检索性能比较，町以发现，采用三维Ｋｒａｗｔｃｈｏｕｋ矩在检索准确率方面有明显的改进。