物体表面重建方法的研究与实现

论文摘要

三维物体表面重建是计算机视觉、模式识别和可视化技术等领域的研究重点之一。重建物体的三维几何模型也是分析、仿真、决策的前提。本文主要对断层图象上轮廓线的几何重建及其相关技术进行研究,该问题可以分成四个子问题:轮廓线对应、廓线拼接、分支处理和曲面拟合。首先,为了有效的实现物体表面重建中的轮廓线拼接,本文提出了基于模拟退火遗传算法实现廓线拼接。该算法以面积、边长和三角形内角共同形成一个加权函数做为最优目标函数,通过在遗传算法中融入退火处理操作,提高了种群的多样性,,避免了遗传算法中存在的早熟收敛问题,有效地增强了算法的全局寻优能力。因为交叉操作在该算法中占用了大部分执行时间,故本文为提高交叉操作效率,提出一种基于边的最小交叉多边形算法,实验表明该新交叉算法可以极大的提高算法的交叉效率。算法中还针对问题的特点设计了有针对性的数据结构,有效地提高了算法的性能。为了处理物体表面重建中的各种不同情况,本文还实现了添加辅助线方法来实现更加灵活的轮廓线拼接。然后,为了处理物体表面重建中的分支情况,本文改进了一种分支处理算法。该算法根据平面点集Delaunay三角剖分的特性,将Delaunay三角剖分应用到分支问题上。将相邻层轮廓线投影到同一个剖面上形成一个带约束边的平面点集,并将它们Delaunay三角化,根据这些三角形组来生成新的轮廓线,使相邻层的轮廓线一一对应来完成物体表面重建的分支处理。实验结果表明该算法实现的效果较符合实际情况,能有效地处理各种不同情况。为能够灵活的处理各种分支情况,本文还实现了手动分解轮廓线算法。最后,介绍了三维空间模型的分类和应用以及可视化原理。论文结合具体项目实现了本文中的算法,在实验和实践中都取得了较为满意的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究内容和研究意义
• 1.2 三维物体表面重建的关键问题及研究现状
• 1.3 三维空间信息系统模型
• 1.4 可视化技术概述和开发现状
• 1.5 研究思路和关键问题
• 1.6 论文的组织结构
• 第二章 物体表面重建方法
• 2.1 物体表面重建方法概述
• 2.2 连接轮廓线的表面重建方法
• 2.2.1 基本原理
• 2.2.2 轮廓对应
• 2.2.3 轮廓线拼接
• 2.2.4 分支处理
• 2.3 体素级重建方法
• 2.3.1 MC方法的基本原理
• 2.3.3 MC方法的存在的问题
• 2.4 其它曲面重建技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于模拟退火遗传算法的轮廓线拼接
• 3.1 优化算法介绍
• 3.2 基于模拟退火遗传算法的轮廓线拼接
• 3.2.1 基本定义
• 3.2.2 数据结构
• 3.2.3 算法描述
• 3.2.4 算法关键步骤
• 3.2.5 正确性检验
• 3.2.6 算法分析及效果
• 3.3 添加辅助线轮廓线拼接
• 3.4 本章小结
• 第四章 分解轮廓线分支处理改进算法
• 4.1 几种分支处理算法介绍
• 4.2 Delaunay三角网的基本概念性质及应用
• 4.3 分解轮廓线分支处理改进算法
• 4.3.1 基本概念
• 4.3.2 算法描述
• 4.3.3 算法关键步骤
• 4.3.4 算法分析及实验效果
• 4.4 人工添加辅助线分支处理算法
• 4.5 本章小结
• 第五章 三维空间模型及项目实现
• 5.1 三维空间模型与构建模型方法分类
• 5.2 可视化原理及实现
• 5.3 危机矿山三维信息评价系统可视化实现
• 5.3.1 项目背景
• 5.3.2 系统总体模块功能划分
• 5.3.3 三维表面建模系统的实现
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 进一步研究方向
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的主要研究成果