本文關(guān)鍵詞：面向虛擬現(xiàn)實(shí)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在計算機(jī)圖形學(xué),多媒體技術(shù),傳感器技術(shù),計算機(jī)仿真以及人機(jī)交互技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉學(xué)科,是當(dāng)前計算機(jī)技術(shù)研究的熱門領(lǐng)域。三維建模技術(shù)是整個虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ),是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。三維建模技術(shù)中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)已成為了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的重要研究內(nèi)容。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)的研究內(nèi)容廣泛,主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)、幾何屬性分析和幾何造型方法。其中:數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)主要涉及數(shù)據(jù)采集、去噪平順、孔洞填充、數(shù)據(jù)精簡和分割等技術(shù)。幾何屬性分析主要包括幾何特性值計算、特征提取和模型檢索等技術(shù)。幾何造型方法包括曲面重建和模型變形等技術(shù)。本文以計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)輔助幾何設(shè)計以及離散微分幾何學(xué)等知識為理論基礎(chǔ),對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的核心技術(shù)進(jìn)行了深入研究。主要內(nèi)容包括:(1)對點(diǎn)云增強(qiáng)、數(shù)據(jù)采樣、特征提取、數(shù)據(jù)分割以及模型變形等三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理相關(guān)研究領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)綜述。為本文所研究的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。(2)針對點(diǎn)云增強(qiáng)處理迭代計算過程中運(yùn)算效率低的問題,提出了一種基于重采樣的改進(jìn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法。利用k鄰域以及相鄰點(diǎn)的法向量夾角的計算對三維點(diǎn)云模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行下采樣,降低單次迭代計算的數(shù)據(jù)量。然后對采樣后生成的多個點(diǎn)集分別利用點(diǎn)云增強(qiáng)算法進(jìn)行計算。多次迭代計算結(jié)束后,再進(jìn)行上采樣,得到最終的運(yùn)算結(jié)果。通過定義投影誤差和分布的均勻性兩個量化指標(biāo)來衡量誤差的影響,并結(jié)合模型運(yùn)行結(jié)果的定性分析來評價該方法。實(shí)驗(yàn)證明,盡管與直接使用點(diǎn)云增強(qiáng)算法比較,處理結(jié)果略微降低了投影精度,但該方法大大提高了點(diǎn)云數(shù)據(jù)增強(qiáng)的計算效率。(3)提出了一種姿態(tài)無關(guān)的基于熱核描述符和測地距離的人體模型分割方法。該方法通過計算人體點(diǎn)云模型各點(diǎn)的熱核描述符,尋找模型熱能分布的局部極大值,得到模型的特征點(diǎn)集。熱核描述符具有的仿射不變性,使其應(yīng)用在不同姿態(tài)的人體模型上都能正確地提取到人體模型的特征點(diǎn)。在獲得人體模型的語義特征點(diǎn)后,我們再采用測地距離的方法來實(shí)現(xiàn)人體模型的層次分割。實(shí)驗(yàn)證明,該方法能克服測地距離特征提取的缺陷,不同姿態(tài)的人體模型都能夠得到符合人體語義特征的模型分割結(jié)果。(4)提出了一種基于最小能量優(yōu)化的人體模型變形的方法。該方法通過構(gòu)建能量優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),并且設(shè)定約束條件。利用最小能量優(yōu)化的方法在已知弧長約束和曲線上的多點(diǎn)約束情況下實(shí)現(xiàn)折線的變形。在滿足一定誤差的情況下,用折線的變形可以近似為曲線變形。運(yùn)用重采樣WLOP算法對人體點(diǎn)云模型進(jìn)行點(diǎn)云增強(qiáng)處理,并通過熱核描述符和測地距離相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)人體模型分割。然后將待變形的人體部位轉(zhuǎn)換成線框模型形式,通過對多條曲線的分層變形,最終實(shí)現(xiàn)人體部位的變形處理。實(shí)驗(yàn)證明,曲線變形保形效果好,人體模型能按照設(shè)定的目標(biāo)模型圍度要求實(shí)現(xiàn)變形。(5)提出了一種基于cage變形技術(shù)的模型尺寸各向異性調(diào)整的方法。該方法首先根據(jù)模型特征或內(nèi)容定義對模型構(gòu)建初始cage,再利用最小彈性能量方法調(diào)整cage的每條邊在不同方向的尺度變化,運(yùn)用均值坐標(biāo)最終計算出了符合模型尺寸調(diào)整約束要求的變形結(jié)果。通過對多個不同復(fù)雜度模型的尺寸調(diào)整實(shí)驗(yàn)證明,該方法能實(shí)現(xiàn)模型各向異性的尺寸調(diào)整,并且能保持模型的敏感特征。論文最后對所做的研究工作進(jìn)行了總結(jié),并對下一步的研究內(nèi)容及研究方向進(jìn)行了討論和展望。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.9

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