针对复杂模型表面细节的建模方法与系统实现

摘要

三维复杂模型表面细节在表征模型外形信息和内在属性方面都具有重要的意义，针对复杂模型表面细节的建模技术和方法得到了学术界和工业界的广泛关注。针对复杂模型表面细节的建模技术和方法能生成有丰富表面细节的三维模型。这些模型往往是高质量三维模型，并且在渲染中有更好的可视化效果，为此受到广大用户的青睐。本文在三维滤波中考虑了人类视觉对滤波质量的影响，提出了一个高效的三维模型保细节滤波器。此外，本文通过研究保表面细节的三维可控浮雕生成方法使用户能在统一框架下方便高效地生成两种不同类型的浮雕:高浮雕和浅浮雕。
　　本文主要工作和取得的研究成果如下：
　　1）基于粗糙度的三维模型保细节滤波。本文将视觉粗糙度引进模型滤波的极小化能量中，提出一种基于粗糙度的三维模型保细节滤波器。首先在能量函数定义中引进基于模型粗糙度度量的一个平衡系数，来调节模型光顺项和细节保持项对最终滤波效果的影响。然后在原始模型和目标光顺模型对应顶点之间存在线性关系的假设下，求解能量函数的极小化问题；解该极小化问题得到最终的三维光顺模型。最后，本文将保细节滤波器分别应用到三维模型的光顺去噪和分层细节增强中。
　　2）视觉粗糙度导向的三维模型可控浮雕生成。本文以视觉粗糙度为导向，提出了一个既能生成浅浮雕又能生成高浮雕的新颖的统一框架。在本文提出的浮雕生成中，浮雕模型的类型和压缩参数由用户指定来满足其艺术需求。通过修改这些参数，用户就能控制浮雕的类型和厚度。本文首先介绍了一个包含保细节项和边约束项的能量极小化函数，其中用边浮雕度量来平衡保细节项和边约束项；这里的边浮雕度量是由视觉粗糙度和边z坐标深度共同决定的。然后从能量极小化函数可以得到一个线性方程组；用一种特殊的迭代去解该线性方程组来得到浮雕。最后，通过使用压缩参数来非线性压缩三维浮雕来满足用户的艺术需求。
　　3）三维网格模型表面细节造型系统设计与实现。该系统允许用户导入和导出模型，包含一些交互操作如场景光照变换、视点变换、渲染模式变换以及拖动等。除了将有关基于粗糙度的三维保细节滤波、视觉粗糙度导向的三维可控浮雕生成集成到该系统中，系统还集成了一些分析三维模型的常用工具，比如三维模型的曲率估计、三维模型的质量分析，帮助用户从客观出发来选择高质量模型。
　　三维复杂模型去噪与表面细节增强、模型保表面细节的浮雕生成是针对复杂模型表面细节建模中的重要方面，这些研究具有理论价值和实际意义。本文阐述了国内外的研究现状，提出了具体的理论模型和相应算法，各个算法的实验并给出效果以及在现实中的若干应用实例。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 论文章节安排

第2章 相关理论基础

2.1 拉普拉斯算子

2.2 曲率算子

2.3 视觉粗糙度

2.4 三维模型间的视距

2.5 本章小结

第3章 基于粗糙度的三维模型保细节滤波

3.1 引言

3.2 基于粗糙度的模型保细节滤波

3.3 基于保细节滤波的分层细节增强

3.4 本章小结

第4章 视觉粗糙度导向的三维可控浮雕生成

4.1 引言

4.2 视觉粗糙度导向的浮雕生成算法

4.3 实验结果及讨论

4.4 本章小结

第5章 三维网格模型表面细节造型系统设计与实现

5.1 引言

5.2 系统需求分析

5.3 系统设计

5.4 系统实现

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果