基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法、系统、装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于数字几何处理、计算机图形处理技术领域，具体涉及一种基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法、系统、装置，旨在为了解决部件特征不明显的对象的三维网格模型分割精度较差的问题。本发明专利技术方法本包括：获取三角网格，对三角网格进行细分和初始化操作，得到连通且不重叠的聚类；再对网格模型进行二次曲面拟合和分割；然后使用交互式分割方法，对自动拟合后的聚类进行交互式合并与交互式切分操作，从而得到更精准的分割结果。本发明专利技术解决了部件特征不明显的对象的三维网格模型分割精度较差的问题，提高收敛速度与拟合误差率，从而提高了三维网格模型分割精度、分割效率、分割质量，以及鲁棒性。

Interactive Segmentation Method, System and Device of Models Based on Quadric Surface Fitting

The invention belongs to the technical field of digital geometry processing and computer graphics processing, and specifically relates to an interactive segmentation method, system and device based on quadric surface fitting model, aiming at solving the problem of poor segmentation accuracy of three-dimensional mesh model for objects with obscure component characteristics. The method of the invention includes: acquiring triangular mesh, subdividing and initializing triangular mesh, obtaining connected and non-overlapping clustering; fitting and segmenting quadric surface of the mesh model; then using interactive segmentation method, the clustering after automatic fitting is interactively merged and segmented, so as to obtain more accurate segmentation results. The invention solves the problem of poor segmentation accuracy of three-dimensional mesh model for objects with unclear component characteristics, improves convergence speed and fitting error rate, thereby improving segmentation accuracy, segmentation efficiency, segmentation quality and robustness of three-dimensional mesh model.

【技术实现步骤摘要】
基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法、系统、装置
本专利技术属于数字几何处理、计算机图形处理
，具体涉及一种基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法、系统、装置。
技术介绍
三维网格模型分割，是将多边形网格模型依据一定的分割准则(几何位置、拓扑结构等特征)，分解为一组数目有限、各自具有简单形状意义、且各自连通的子网格片的操作。在计算机辅助设计(Computer-aideddesign，CAD)领域，由CAD软件导出的离散网格模型或者由逆向工程扫描重建得到的网格模型，往往丢失了原始模型中的高层语义信息，如各曲面的几何类型信息，以及曲面之间的对称、平行等几何约束关系等。因此，为了对获取的离散模型进行后续分析处理，关键的一步就是网格模型分割。在过去的几十年中，针对机械零件模型的网格分割已经获得了很多关注。目前，比较经典的分割算法都是基于层次聚类或基于边界特征识别的技术。针对研究目的和使用的领域不同，研究者们已经提出了大量的网格模型分割算法。与本专利相关的网格分割算法分为面向机械模型的网格分割和交互式网格分割。面向机械模型的网格包含贪心方法与变分方法。其中贪心方法主要包括区域增长、层次聚类和层次分解。在区域增长方法中，通常先选择一组三角面片作为种子区域，然后遍历这些种子使其生长，直至网格的所有面片被分配到一个区域。该方法通常使用局部特征如法向量和主曲率来指导生长过程。层次聚类方法一般采用自下而上的策略，首先将网格的每个面片视为一个单独区域，然后根据某种度量，将这些类合并为较大的类，直到所有的对象都在一个类中，或是满足某个终止条件为止。最后，层次分解方法与层次聚类相反，网格表面以自上而下的方式分割成有意义的组件。但是，上述贪心方法的主要特点是只考虑当前的状态是否为最佳状态，而不考虑整体最优，即三角面片被分配给一个区域，且在后面的过程不会被改变。Cohen-Steiner等人Cohen-Steiner[2004](DavidCS,AlliezP,andDesbrunM.Variationalshapeapproximation[J].ACMTransactionsonGraphics,2004,23(3):905–914)首先提出了变分形状近似(Variationalshapeapproximation，VSA)框架，将三维网格划分成一个最小的平面代理集合，同时通过迭代优化的方式来最小化拟合误差。在他们的方法中，虽然自动分割算法能够满足很多场合的应用需求，但目前基于语义的分割对自动算法来说依然是一个难题。为了得到更有意义的分割结果，近年来基于交互操作的半自动分割算法备受重视。根据相关文献的划分方法，基于手工交互的分割算法大体分为以下5类：(1)基于区域增长的交互分割。Ji等人(ZhongpingJi,LigangLiu,ZhongguiChen,andGuojinWang.Easymeshcutting[J].InComputerGraphicsForum,2006,volume25,pages283–291.WileyOnlineLibrary.)提出EMC(EasyMeshCutting)算法利用改进的isophotic度量来计算网格顶点之间的特征距离，并使用区域增长法进行网格的分割，在此过程中设计了一个基于前景和背景勾画的用户界面用于辅助网格分割。(2)基于Randomwalks的交互分割。该算法也提供了用户交互界面，用于指定前景和背景信息来指导分割过程。(3)基于层次聚类的交互分割。Xiao等人(ChunxiaXiao,HongboFu,andChiew-LanTai.Hierarchicalag-gregationforefficientshapeextraction[J].TheVisualComputer,2009,25(3):267.)提出的自底向上的区域聚类算法提取网格高层特征，在此过程中也可以加入用户交互的前景和背景信息，用于指导网格的分割。(4)基于图割的交互分割。Brown等人(StevenBrown,BryanMorse,andWilliamBarrett.Interactivepartselectionformeshandpointmodelsusinghierarchicalgraph-cutpartitioning.CanadianInformationProcessingSociety,2009.)根据用户指定的约束，提出使用最小割算法来确定最优的分割边界。(5)基于网格上保特征调和场的勾画交互式网格分割技术。Zhang等人(JuyongZhang,ChunlinWu,JianfeiCai,JianminZheng,andXue-chengTai.Meshsnapping:Robustinteractivemeshcuttingusingfastgeodesiccurvatureflow[J].InComputergraphicsforum,2010,volume29,pages517–526.WileyOnlineLibrary)提出基于调和场的分割方法，并使用一种可以跨边界的笔刷用于网格的交互分割。目前已有的方法大多数属于基于部件的分割，这些方法也没有的对分割的部分进行拟合，因此这些方法适合于一般的物体对象(如人体、动物等)，而对机械零件模型等部件特征不明显的对象的进行分割精度较差。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决部件特征不明显的对象的三维网格模型分割精度较差的问题，本专利技术的第一方面，提出了一种基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法,该方法包括：步骤S10，获取物体模型的三角网格结构，进行三角网格细分；步骤S20，将步骤S10得到的细分网格划分为多个连通且不重叠的区域，该区域为多个细分网格的聚类，该聚类为第一聚类；所有第一聚类构成第一聚类集合；步骤S30，基于第一聚类集合，通过表面拟合、最小化目标函数的方法，迭代优化聚类集合，获取目标函数的最小值对应的聚类集合作为第二聚类集合；所述目标函数为聚类集合中各聚类到表面拟合得到的二次曲面的距离之和；步骤S40，将第二聚类集合中法向量夹角小于设定阈值的相邻聚类进行合并，得到第三聚类集合；步骤S50，对所述第三聚类集合中各聚类进行表面拟合，得到分割区域集合；其中，步骤S30和/或步骤S40还包括交互式聚类局部优化步骤，该步骤基于录入的修改指令，对选定的聚类区域进行合并或分割。在一些优选实施方式中，步骤S30中“迭代优化聚类集合，获取目标函数的最小值对应的聚类集合作为第二聚类集合；”,其方法为：步骤S301，将第一聚类集合作为待迭代聚类集合；步骤S302，对待迭代聚类集合中各聚类进行表面拟合，得到各聚类对应的二次曲面和几何代理，并计算预设目标函数的值；步骤S303，对于待迭代聚类集合中每个聚类，基于该聚类中细分网格的拟合误差选择种子区域进行区域生长，重新聚类后获取新的聚类集合并更新待迭代聚类集合；步骤S304，依据步骤S302的方法进行表面拟合，并计算预设目标函数的值，在当前目标函数值小于上一次计算的目标函数值时执行步骤S303，否则执行步骤S305；步骤S305，将当前待迭代聚类集合作为第二聚类集合。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法,其特征在于，该方法包括：步骤S10，获取物体模型的三角网格结构，进行三角网格细分；步骤S20，将步骤S10得到的细分网格划分为多个连通且不重叠的区域，该区域为多个细分网格的聚类，该聚类为第一聚类；所有第一聚类构成第一聚类集合；步骤S30，基于第一聚类集合，通过表面拟合、最小化目标函数的方法，迭代优化聚类集合，获取目标函数的最小值对应的聚类集合作为第二聚类集合；所述目标函数为聚类集合中各聚类到表面拟合得到的二次曲面的距离之和；步骤S40，将第二聚类集合中法向量夹角小于设定阈值的相邻聚类进行合并，得到第三聚类集合；步骤S50，对所述第三聚类集合中各聚类进行表面拟合，得到分割区域集合；其中，步骤S30和/或步骤S40还包括交互式聚类局部优化步骤，该步骤基于录入的修改指令，对选定的聚类区域进行合并或分割。

【技术特征摘要】
1.一种基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法,其特征在于，该方法包括：步骤S10，获取物体模型的三角网格结构，进行三角网格细分；步骤S20，将步骤S10得到的细分网格划分为多个连通且不重叠的区域，该区域为多个细分网格的聚类，该聚类为第一聚类；所有第一聚类构成第一聚类集合；步骤S30，基于第一聚类集合，通过表面拟合、最小化目标函数的方法，迭代优化聚类集合，获取目标函数的最小值对应的聚类集合作为第二聚类集合；所述目标函数为聚类集合中各聚类到表面拟合得到的二次曲面的距离之和；步骤S40，将第二聚类集合中法向量夹角小于设定阈值的相邻聚类进行合并，得到第三聚类集合；步骤S50，对所述第三聚类集合中各聚类进行表面拟合，得到分割区域集合；其中，步骤S30和/或步骤S40还包括交互式聚类局部优化步骤，该步骤基于录入的修改指令，对选定的聚类区域进行合并或分割。2.根据权利要求1所述的基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法,其特征在于，步骤S30中“迭代优化聚类集合，获取目标函数的最小值对应的聚类集合作为第二聚类集合；”,其方法为：步骤S301，将第一聚类集合作为待迭代聚类集合；步骤S302，对待迭代聚类集合中各聚类进行表面拟合，得到各聚类对应的二次曲面和几何代理，并计算预设目标函数的值；步骤S303，对于待迭代聚类集合中每个聚类，基于该聚类中细分网格的拟合误差选择种子区域进行区域生长，重新聚类后获取新的聚类集合并更新待迭代聚类集合；步骤S304，依据步骤S302的方法进行表面拟合，并计算预设目标函数的值，在当前目标函数值小于上一次计算的目标函数值时执行步骤S303，否则执行步骤S305；步骤S305，将当前待迭代聚类集合作为第二聚类集合。3.根据权利要求2所述的基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法,其特征在于，步骤S303中“基于该聚类中细分网格的拟合误差选择种子面片进行区域生长”，其方法为：步骤S3031，获取聚类中a个最小拟合误差三角形以及对应的邻域三角形记为其中Nj是三角形cj的一组相邻三角形；步骤S3032，选取区域拟合误差最小的一组相邻三角形，以该组相邻三角形及其对应的三角形为种子区域进行区域生长。4.根据权利要求1所述的基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法,其特征在于，步骤S302中“对待迭代聚类集合中各聚类进行表面拟合”，其方法为：采用主成分分析法计算第二聚类的平面度；将得到的平面度与设定的第一阈值进行对比，小于所述第一阈值则进行平面拟合，否则进行二次曲面拟合。5.根据权利要求1所述的基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法,其特征在于，步骤S40中所述第三聚类集合，其获取方法为：步骤S401，将第二聚类集合中，相邻聚类的法向量夹角小于等于设定的第二阈值的两个聚类进行合并；步骤S402，基于步骤S401的合并结果，更新第二聚类集合；步骤S403，重复执行步骤S401、步骤S402直至所有相邻聚类的法向量夹角均不小于所述第二阈值。6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法,其特征在于，所述交互式聚类局部优化步骤，包括：对选定的过度分割聚类进行合并；和/或对选定的第一类不准确聚类，基于获取的种子面片进行区域生长，对该不准确区域进行分割；和/或对选定的第二类不准确聚类，基于录入的分割线对该不准确区域进行分割；其中，所述第一类不准确聚类为存在三角网格缺失且需处理的局部边界长度大于设定第三阈值的聚类；所述第二类不准确聚类为存在三角网格缺失且需处理的局部边界长度小于设定第四阈值的聚类。7.根据权利要求6所述的基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法,其特征在于，对选定的第一类不准确聚类进行分割时所获取的种子面片为：与该聚类的二次曲面的拟合误差最小和最大的两个面片，或者选定的两个目标点所在的面片。8.根据权利要求7所述的基于二次曲面拟合的模型的交互式分割方法,其特征在于，对第一类不准确聚类进行分割过程中，对种子面片进行区域生长的方法为：步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴仲琦，郭建伟，肖俊，严冬明，王颖，张晓鹏，
申请(专利权)人：中国科学院大学，中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11