一种基于分叉特征的三维骨架快速提取方法技术

本发明专利技术为基于分叉特征的三维骨架快速提取方法，首先对树状体素模型自动提取根点和末梢点；其次对体素模型的根点和末梢点进行种子点距离变换，根据根点或末梢点出发的区域生长策略，自动判断分叉特征并优化分割面，将对象分解成有意义的部件且部件之间分界合理；最后，提取体素部件骨架并连接成对象的结构化骨架。基于分叉特征的骨架提取方法快速有效，结构化的整体骨架保持了原始体素模型的拓扑结构不会产生断裂和多余的杂枝。基于骨架进行真实植物建模能够处理真实的扫描数据，具有抗噪声的能力且重建准确度高。对多个数据集的测试说明本发明专利技术适用于带有环状结构的形体，能处理表面体素模型以及实心体素模型。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于模式识别与科学计算可视化相结合的交叉学科
，涉及基于分叉特征的三维树状体素模型的骨架快速提取技术。
技术介绍
随着计算机图形学的快速发展，三维几何模型被广泛地应用在计算机辅助设计、虚拟现实环境、数据可视化、医学影像、教育与娱乐等各个领域。曲线骨架作为三维形状的一维抽象表示方式，描述了三维模型几何形状特征和拓扑结构特征。三维模型的曲线骨架提取提供了对三维模型的形状和结构的高级理解与分析，在虚拟导航、模型简化、模型匹配与检索、形变和动画等方面有着重要应用。 细化方法是目前三维骨架化方法中研究最多、也是最成熟的方法。Morgenthaler最早提出简单点概念物体的一个点(体素点)删除后不会改变物体的拓扑结构。细化过程从物体边界开始向内部延伸直到没有简单点可以被删除为止。在每一步迭代中，每个边界体素点测试拓扑保留条件，满足条件则被删除。然而，从物体中移除所有的简单点会过度縮短骨架的分支，因为骨架的末端点也是简单点。所以需要增加条件来防止末端点的移除保证物体的几何特征。另外细化方法最初产生面骨架，当削减到一个体素厚度时获得曲线骨架；另一些方法包含一系列模板来直接产生曲线骨架。另外也有2. 5D的算法专门将面骨架细化成曲线骨架。 基于距离场的方法，定义三维物体中的每个内部点有一个该点到物体边界的最小距离值。距离场中的脊点对应了物体的中心点。2004年Perchet提出测地传播方法，从三维物体根点传播上检测出的距离场局部最大值作为候选点。1999年Zhou提出体素编码方法，除测量到边界的距离场外，还结合了到单个源点的距离场来求取候选骨架点。候选体素点的数量仍然很多，所以下一步需要削减这个集合至易处理的数量，不同的标准被用来删除不重要的极值点。经过删除冗余点后剩下点是不连接的，所以最后需要重新连接这些点来产生一维曲线。为了连接性，Sunder、 Wan和Zhang使用了最小扩张树方法，但并不能保证与原始模型拓扑一致。Zhang分级骨架提取方法可以分解体素模型，但在分叉处的分割面不理想，且提取骨架速度慢。 Reeb图的思想是在三维模型上定义一个连续实数值函数，根据函数值将模型上的顶点进行分类，值相同且位于同一连通分量上的点归为一类，得到原顶点集的一个商集。将商集中的点根据原有模型点间的邻接关系连接起来，就得到原有模型的一个骨架。Reeb图中的结点对应函数中的驻点(函数梯度为零的点)，图的边表示驻点的连接边。Attene和Xiao采用的高度函数对物体的方向很敏感，Hilaga计算到所有面片顶点的积分测地距离对噪声不敏感。 除了距离变换外，许多其他函数定义的场也可以用来提取曲线骨架。在这类方法中有广义势力场函数每个物体内部点的势力大小是由物体边界对其产生的势力之和；静电场函数用来产生物体内部的静电力；可见排斥力函数用到了 Newtonian斥力计算从内部点到边界元素的可见性；网格顶点上的径向基函数的组合也用来定义物体内部的场。这些 场函数相比距离场方法的优点是它们可以产生中轴面上漂亮的曲线，减小了该类算法对边 界噪声的敏感度，但是这类方法计算量很大。体素晶格的分辨率也会影响场函数，因为较少 的边界点在该狭窄区域的势力值中贡献很多使它在物体狭窄的区域对噪声敏感。广义场方 法另一个缺点是它在数值上的不稳定性，因为计算中涉及了一阶甚至二阶的微分量。
技术实现思路
由于现有技术不能快速提取中心性高且保留物体拓扑结构的三维树状体素模型 的曲线骨架，本专利技术的目的是提取鲁棒性高的中心骨架，基于分叉特征的自动检测和分界 面的优化合理地分解体素模型，提取部件骨架并连接成结构化骨架，为此，本专利技术提出一种 基于分叉特征的三维骨架快速提取方法。 为了实现所述的目的，本专利技术提供的基于分叉特征的三维骨架快速提取方法，该 方法的步骤包括 步骤1 :输入体素模型数据，基于种子点距离场自动获取树状体素模型的基本几 何特征点为"根点"和"末梢点"； 步骤2 :对体素模型的根点和末梢点分别进行单点种子点距离变换，获得体素模型根点和末梢点的距离场；将距离场中距离值相同并且互相连通的体素集合构成一个体素聚类，以每个体素聚类作为节点，按种子点距离值从小到大的方向连接每个相邻体素聚类得到聚类图；沿着聚类图的方向，实施基于根点和末梢点的区域生长策略，区域生长策略是从体素模型根点或末梢点出发每生长一步检测当前体素聚类是否为分叉聚类，如果是分叉聚类，则标记该体素聚类为分叉聚类；如果不是分叉聚类，则不进行标记；直到所有体素聚类都检测完为止；选取检测到的分叉聚类的重心点作为分叉点，按聚类图方向连接根点、分叉点和末梢点形成分支图；根据分支图对体素模型中的每个体素点进行分类，同一个分支上的体素点为一类部件，并且在分叉处进行分割面优化用于保证体素模型部件之间分界合理，最后得到基于分叉特征的形状分解，输入的体素模型被分解为若干个部件； 步骤3 :根据部件对应的末梢点距离场，在每个部件中提取各自的部件骨架；最后按分支结构将所有部件骨架连接成结构化的完整骨架。 其中，所述基本几何特征点提取是计算树状体素模型的根点和末梢点，首先在输 入体素点集合中任意选取一个体素点作为单点种子点进行种子点距离变换，在该种子点距 离场中最后一个被访问并赋予距离值的点就被选取为输入体素模型的根点；选取了根点之 后，以根点作为单点种子点进行距离变换，在根点距离场中每一个的局部最大类对应了一 个末梢点。 其中，区域生长策略分为基于根点的区域生长和基于末梢点的区域生长；所述基 于根点的区域生长，首先以根点作为单个种子点并用"1-2-3"矩阵对体素模型进行距离变 换，获得根点距离图；其次从根点出发沿着根点距离值不断增大的方向进行扩张直到各分 支的末梢；所述基于末梢点的区域生长是将每个末梢特征点作为单个种子点，用"1-2-3" 矩阵对体素模型进行距离变换；根据末梢点距离值不断增大的方向对体素空间进行区域的 扩张，直到所有体素点都被扩张到为止。 其中，聚类图具有相同种子点距离值的连通体素集合形成一个体素聚类，体素聚类分成根聚类、末梢聚类、分叉聚类和一般聚类；所述根聚类是包含根点的体素聚类；所述 末梢聚类是包含末梢点的体素聚类，末梢聚类的距离值大于所有相邻体素聚类的距离值； 所述一般聚类是具有两个相邻体素聚类的体素聚类；一个相邻体素聚类的距离值比一般聚 类的距离值大l，而另一个相邻体素聚类的距离值比一般聚类的距离值小1 ;所述分叉聚类 是具有两个以上相邻体素聚类的体素聚类，分叉聚类包括分离聚类和合并聚类；分离聚 类是至少有两个相邻体素聚类的距离值比该分叉聚类的距离值大一的分叉聚类；合并聚类 是至少有两个相邻体素聚类的距离值比该分叉聚类的距离值小一的分叉聚类；通过对分叉 聚类的检测自动判断体素模型的分叉；当分离聚类出现后，当前区域生长中的分支数将增 加；当合并聚类出现后，当前区域生长中的分支数将减少。 其中，所述分支图具有多个分支，其中 分支图中的节点由根点、分叉点和末梢点构成，该根点、分叉点和末梢点分别对应 聚类图中的根聚类、分叉聚类和末梢聚类，选取分叉点为分叉聚类的中心点；根点或者分叉 点是不同分支的起点；分叉点或者末梢点是不同分支的终点；在每个分叉点处，对分叉后 的分支进行竞争产生分支之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分叉特征的三维骨架快速提取方法，其特征在于，步骤包括：步骤１：输入体素模型数据，基于种子点距离场自动获取树状体素模型的基本几何特征点为“根点”和“末梢点”；步骤２：对体素模型的根点和末梢点分别进行单点种子点距离变换，获得体素模型根点和末梢点的距离场；将距离场中距离值相同并且互相连通的体素集合构成一个体素聚类，以每个体素聚类作为节点，按种子点距离值从小到大的方向连接每个相邻体素聚类得到聚类图；沿着聚类图的方向，实施基于根点和末梢点的区域生长策略，区域生长策略是从体素模型根点或末梢点出发每生长一步检测当前体素聚类是否为分叉聚类，如果是，则标记该体素聚类为分叉聚类；如果不是分叉聚类，则不进行标记；直到所有体素聚类都检测完为止；选取检测到的分叉聚类的重心点作为分叉点，按聚类图方向连接根点、分叉点和末梢点形成分支图；根据分支图对体素模型中的每个体素点进行分类，同一个分支上的体素点为一类部件，并且在分叉处进行分割面优化用于保证体素模型部件之间分界合理，最后得到基于分叉特征的形状分解，输入的体素模型被分解为若干个部件；步骤３：根据部件对应的末梢点距离场，在每个部件中提取各自的部件骨架；最后按分支结构将所有部件骨架连接成结构化的完整骨架。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓鹏，项波，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]