数字曲面浅浮雕布局优化及生成方法研究

摘要

浮雕是一种集艺术与计算机辅助技术于一体的工业艺术品。随着人工智能、数字化技术和3D打印技术的发展，数字浮雕的生成技术已经成为近年来计算机图形学领域的研究热点之一。目前浮雕艺术品的设计和建模中面临不能自动选择模型视角、设计布局和编辑过程复杂等问题。针对这些问题，本文研究了三维模型最佳观察视角选择，曲面浮雕布局优化方法，并在此基础上研究了一种曲面浅浮雕生成算法。论文主要研究内容和结论如下： （1）基于视觉显著性的最佳视角选择方法 针对目前三维模型视图特征计算步骤较为复杂，需要转化三维模型为二维深度图像的问题，研究并提出一种直接计算三维网格模型视图特征的方法。本文中最佳视角选择的方法主要分为三个步骤：首先构造源三维模型的视点球，以视点球上的每个顶点与中心的连线方向作为视角的投影方向，计算三维模型的投影面积、投影轮廓长等视图特征；依据视觉显著性模型计算视角的评分；利用粒子群算法提高最佳视角选择方法的效率。本文采用了多个模型进行实验，并通过对比数据分析和用户调研验证了本文方法可以在保证选择结果的同时提高视角选择效率。 （2）曲面浮雕模型布局方法研究 本文提出两种曲面浮雕布局算法：①基于对称排列规则的浮雕布局设计方法。该方法结合基本的对称规则，建立一种浮雕模型布局方法，实现单个浮雕源模型自动布局。②基于退火模拟算法的浮雕模型布局设计方法。通过借鉴三维室内布局和建筑布局的研究方法，结合前期研究提出7种影响浮雕布局的评估指标和约束条件；为每个评估指标拟合适应度函数并将构建为成本函数；通过基于加权几何平均组合模型的退火模拟算法优化成本函数，以此减少计算量并生成合理的曲面浮雕布局预测模型。最后根据本文方法在多个目标模型上利用少量模型布局并生成浮雕模型，利用用户调查和对比分析证明了本文方法的有效性。 （3）曲面浅浮雕生成算法 在最佳观察视角和曲面浮雕模型布局的研究基础上，本文研究并提出一种曲面浮雕生成算法。首先，提取目标对象上映射范围所对应曲面顶点和面片的信息作为目标曲面；然后利用空间权重矩阵和非线性压缩生成浅浮雕模型；通过曲面参数化构建源三维模型与目标曲面之间的映射关系生成曲面浅浮雕。实验结果所得的曲面浮雕模型细节明显，轮廓清晰，效果较好。实验结果与前人的方法对比表明方法更简单有效。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 选择最佳观察视角研究现状

1.2.2 三维浮雕模型布局研究现状

1.2.3 数字化浅浮雕生成方法研究现状

1.3 亟待解决的问题

1.4 研究内容

1.5.1 研究方法

1.5.2 技术路线

1.6 论文结构组织

第二章 基于视觉显著性的最佳观察视角选择方法

2.1 引言

2.2.1 视图特征

2.2.2 视图特征计算

2.2.3 视觉显著性模型

2.3.1 粒子群算法

2.3.2 方法步骤

2.4 实验结果及讨论

2.5 本章小结

第三章 曲面浮雕布局方法研究

3.1 引言

3.2 基于对称规则的浮雕布局方法

3.3 基于退火模拟算法的浮雕布局方法

3.3.1 拟合评估指标的适应度函数

3.3.2 成本函数

3.3.3 退火模拟算法

3.3.4 近邻布局参数生成

3.4 实验结果及分析

3.5 本章小结

第四章 基于曲面参数化的曲面浮雕生成算法

4.1 引言

4.2 细节增强

4.3 非线性压缩

4.4 曲面参数化

4.5 实验结果对比及分析

（1）基于对称规则的曲面浅浮雕生成结果

（2）对比试验

4.6 章节小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

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