基于非完备几何特征测量数据建模的关键技术基础研究

面向有效恢复非完备区三维原貌问题，本项目研究了基于非完备区域几何特征测量数据完备特征建模的关键技术：对称特征非完备数据几何建模所需的高精度对称面存在获取困难，完好区的数据往往在缺损区找不到正确对应点，错误对应点对将影响最终迭代结果。针对对称面有效提取，结合点云数据几何特性，提出基于扩展高斯球与M估计融合的非完备数据对称特征提取策略。基于扩展高斯球的点云数据初始对齐，使原本无法定量解决的点云数据初始对应问题得到解决，基于M估计的ICP方法能有效去除迭代过程错误对应点对。面向对称特征局部变形问题，提出基于旋转不变量拉普拉斯算法的局部变形恢复策略。为编辑区域每个顶点估计一合适仿射变换矩阵，解决传统拉普拉斯算法不能很好处理旋转问题，线性系统快速求解提供速度优势。研究基于视觉图像特征相似性的非完备数据快速建模方法，根据二维图像特征点与三维形貌特征点对应关系构建缺损区3D模型；经过基于约束的非刚性对齐实现非完备数据有效恢复，并满足有关约束要求。针对颌面摘除手术与颌面赝复手术时间相隔较长导致口腔部软组织明显偏移，提出扭曲变形颌面缺损的几何建模赝复策略：基于旋转不变量的拉普拉斯算法的局部变形恢复；基于扩展高斯球与M估计融合的缺损数据对称面获取；非完备几何特征恢复；改进非完备重建特征初始边界条件，运用双伞形运算使得边界能够达到平滑切向过渡。对于自身无相似信息可利用的非完备数据，可利用特征相似性，获取自身以外与缺损区信息相符的数据源，实现相似特征三维重建；基于约束的非刚性模板模型映射技术，实现满足有关约束要求的非完备数据有效恢复，并可进行虚拟试戴评估，如中心对称面的差异检测以及赝复体与周围组织的贴合程度虚拟评价等。项目研究加深了对基于非完备几何信息的测量数据完备特征建模机理本质的理解，揭示先验知识对于完备特征建模的影响及相互关系，对医学颜面修复，文物保护，扫描数据质量提升均具有重要意义。 2100433B

本项目面向有效恢复非完备区三维原貌问题，利用非完备几何特征与先验知识的关联特性，研究先验知识的识别、抽取、关联、集成等关键技术，拟构建基于非完备几何信息的测量数据完备特征建模基本理论，结合颜面缺损赝复，建立颜面缺损赝复的几何建模技术体系。针对对称面的有效提取，结合点云数据几何特性，提出基于扩展高斯球与M估计融合的非完备数据对称特征提取算法；面向对称特征中存在局部变形问题，研究局部变形恢复方法，形成基于旋转不变量拉普拉斯算法的局部变形恢复策略；消除2D图像恢复三维数据的病态问题，通过2D图像与已有3D数据深度融合，形成基于视觉图像特征相似性的非完备数据完备特征建模理论；针对扭曲变形颌面缺损和参照患者照片修复鼻缺损问题展开赝复应用研究。集成本项目研究成果以及三维形貌采集等技术，搭建颜面完备特征建模CAD试验系统，完成临床验证。项目研究对医学颜面修复，文物保护，扫描数据质量提升均具有重要意义。

本课题围绕基于过程的城市建筑三维建模技术开展理论方法和关键技术研究工作，重点开展了基于单张图像的建筑物组件重复性检测与几何过程建模技术，基于图像集的建筑建模、组件几何和反射属性建模技术，基于GIS数据的城市虚拟场景快速建模技术与工具等研究工作。 在基于单张图像的建筑物过程建模技术方面，研究了针对单张图像建筑物重复性组件的检测算法、建筑规则和组件生成算法。从分割的单张图像中自动生成三维建筑组件、建筑规则及三维建筑模型。通过简单的人工交互可以生成风格相同、形状可变的三维建筑模型。在基于图像集的建筑建模技术方面，以未标定数码相机拍摄的建筑物多幅照片为输入，提出了一系列算法，研究了建筑物三维点云数据的恢复与分割、建筑物组件重复性检测、建筑物前后层结构自动提取等技术，能够全自动的重构出逼真度较高的建筑物三维模型。在基于图像集的建筑物组件几何和反射属性建模技术方面，研究了基于本征图像分解的建筑物组件材质反射属性建模技术、基于径向基函数的逐像素组件深度插值算法，从而构建出可重光照的建筑物组件模型。在基于GIS数据和过程建模技术的城市场景快速建模方面，通过解析地理信息数据，提取地图数据中的建筑位置和朝向信息，结合本课题已研究的单个建筑建模方法生成的建筑模型, 快速生成城市局部区域的三维场景，研制了场景建模工具原型系统。 在本项目资助下，发表论文10篇（SCI检索2篇、EI检索4篇）、专利申请2项、专利授权2项，其中8篇文章发表在《Computers & Graphics》、《The Visual Computer》、《Computer Graphics Forum》、Graphics Interface (GI2013)、Pacific Graphics (PG2013)、Eurographics Symposium on Geometry Processing (SGP2014)，Asian Conference on Computer Vision (ACCV2014)， IEEE International Conference on Image Processing (ICIP2015)等CCF推荐国际B类、C类期刊与会议上。项目负责人获2013年教育部技术发明一等奖1项，排名第7（总发明人数为9），并晋升副教授。3名硕士在本项目资助下完成毕业论文，2名博士基本完成论文。 2100433B

基于过程的建模技术是当前城市建模研究的新途径之一，但是建筑语义规则大多由人工创建或由单幅图像交互生成，建筑组件简单，建模效果逼真度较差。因此，本项目将研究基于多尺度照片集的城市过程建模技术，利用照片集多尺度、多视点、多光照的特点，研究建筑规则自动生成，建筑组件逼真建模，结合GIS和卫星图像数据的城市道路及场景建模等理论、方法和关键技术，主要包括：建筑语义规则的表示方法，基于数据驱动的建筑语义规则生成方法；研究基于多尺度室外场景图像重构建筑组件几何和反射属性的建模方法；研究基于GIS数据和卫星图像的城市场景快速构建方法。研究成果在智慧城市构建、文化遗产数字化，数字娱乐与游戏等领域具有重要应用价值。