[发明专利]一种基于分叉特征的三维骨架快速提取方法

说明书

技术领域

本发明属于模式识别与科学计算可视化相结合的交叉学科技术领域，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。 

背景技术

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缩短骨架的分支，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。 

发明内容

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，本发明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，本发明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，本发明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”；