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工工工学学学博博博士士士学学学位位位论论论文文文
三维网格拓扑感知模型及应用研究
博士研究生:石振锋
导师:牛夏牧教授
申请学位:工学博士
学科:信息安全
所在单位:计算机科学与技术学院
答辩日期:2012年5月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
: 62-5
Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
RESEARCH ON 3D MESH
TOPOLOGICAL PERCEPTION MODEL
AND ITS APPLICATIONS
Candidate: SHI Zhenfeng
Supervisor: Prof. NIU Xiamu
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Specialty: Information Security
Affiliation: Computer Science and Engineering
Date of Defence: May, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
随着三维模型扫描设备和交互式建模工具的快速发展和广泛使用,以三
维模型为表现形式的第四代数字媒体——数字几何,比二维图像具有更丰富
的视觉感知细节和内容,更适用于人类的视觉感知和思维模式,在实际应用
中被广泛采用。三维数字几何的数据越来越庞大,要完整地呈现真实的虚拟
场景和实时地绘制这些三维数字几何实体是一件相当困难的事情。基于视觉
感知理论的三维模型处理理论与技术可在保证视觉感知质量的前提下,能较
大幅度地提高三维场景的渲染性能,已成为计算机图形学界的研究热点,为
三维数字几何处理与应用提供了一种有效的途径。
视觉感知理论的核心之一是提供可计算的视觉感知模型,主要集中在视
觉注意机制、视觉掩蔽效应和拓扑知觉理论三个方面。在三维数字几何处理
技术中,主要体现为三维网格显著图、粗糙图和骨架提取。然而,现有研究
主要侧重于人类视觉系统的单一视觉感知特性,缺乏通用的视觉感知处理模
型和三维模型视觉质量及视觉降质的客观评估方法。具有视觉意义的三维模
型分割是视觉感知理论的重要组成部分,基于马尔科夫随机场的分割可较好
地对三维模型的视觉先验知识和几何特征进行建模。目前,基于马尔科夫随
机场实现具有视觉意义的三维模型分割的研究还处于起步阶段,缺乏易于集
成不同特征的基于马尔科夫随机场的三维网格分割通用框架。本文针对上述
研究热点中存在的问题展开研究,论文的主要研究工作和创新性如下:
(1)提出了一种三维网格拓扑感知图通用计算模型——SMTPM(Skeleton
Modulated Topological Perception Map)。从人类视觉系统的视觉注意机制、视觉
掩蔽效应和全局拓扑感知三大特性出发,提出了自底向上的改进的显著度图
谱模型以及面向全局拓扑感知特性和运动重要性的基于骨架提取技术的骨架
图谱模型。以骨架图谱对三维模型的显著度图谱和粗糙度图谱进行调制,提
出了一种通用的视觉感知处理模型。该模型分别在不同的退化情况下可描述
HVS 的视觉注意机制和视觉掩蔽效应特性。
(2)基于三维网格拓扑感知图通用计算模型,提出了一种适于三维模
型简化过程中的多尺度视觉降质评估算法,并用于简化算法的比较。考虑
SMTPM 在退化为显著度图谱时的情形,以香农信息熵为工具,提出了面向
结构相似性视觉降质的全局感知结构化降质评估方法,实现了多尺度的结构
化视觉降质度量和三维模型简化算法的比较。通过构建主观实验评测库和设
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
计主观实验评测协议,实验结果分析表明,该评估算法要优于传统的几何度
量方法,并具有多尺度评估的特性,适于多分辨率和多层次细节等应用。
(3)基于三维网格拓扑感知图通用计算模型,提出了一种视点快速选
择方法,定义了用于三维模型视觉质量评价的感觉熵。基于 SMTPM 模型,提
出了视点感知信息量、最佳视点和最不利视点的定义及计算方法,并基于子
分模板设计了一种迭代式快速视点选择算法。同时,还基于视点感知信息量
定义了球形视点感知信息谱,为所有三维模型的视觉感知信息提供了统一规
范的表达方式。基于球形视点感知信息谱,本文定义了感觉熵,