基于形狀分析的三維點云模型壓縮.pdf

1、隨著三維掃描和相關(guān)建模技術(shù)的快速發(fā)展，三維數(shù)字幾何模型作為一種新興的數(shù)字媒體，已逐漸融入到人們的生產(chǎn)和生活中，在三維游戲，影視特效，計算機仿真，自主導(dǎo)航，工業(yè)檢測，逆向工程，醫(yī)療診斷以及數(shù)字文化遺產(chǎn)保護等方面取得了日益廣泛的應(yīng)用。在這種趨勢下，三維模型的數(shù)量和復(fù)雜度越來越大，不斷增長的三維模型的數(shù)據(jù)量對于存儲空間以及網(wǎng)絡(luò)傳輸（尤其是無線網(wǎng)傳輸）都帶來了巨大的壓力。在這種情況下，三維模型壓縮是一個有效的解決方案。所以，在過去的近二十年間，

2、三維模型的壓縮成為一個研究的熱點。
　　本文深入研究了三維點云模型壓縮的理論基礎(chǔ)，技術(shù)特點以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對當(dāng)前研究中存在的問題，我們將三維形狀分析技術(shù)引入到模型壓縮領(lǐng)域。具體的，借助于模型的表面分割和對稱性分析技術(shù)，我們提出了兩種三維點云模型壓縮方案。本文的主要工作和創(chuàng)新點包括:
　　1.提出了一種基于形狀模式分析的點云模型壓縮算法
　　算法首先根據(jù)點的主曲率方向把模型的表面分割成一些四邊形的面片;然后把四邊形

3、的面片參數(shù)化到一個二維的平面上并進行重采樣;重采樣之后，面片可以用一個二維的高度圖來描述;基于高度圖描述，我們對這些四邊面片進行相似性分析，形狀相似的面片被聚為一類，稱為一個形狀模式;具有相同形狀模式的面片可以計算一個代表面片，這樣，每一個面片只需要存儲與代表面片的誤差即可。解碼時，只根據(jù)變換參數(shù)和代表面片即可恢復(fù)出模型的大致形狀，然后隨著面片的誤差圖像的恢復(fù)，模型會慢慢的變得精細，實現(xiàn)了對點云模型的漸進式壓縮與傳輸。
　　2.提

4、出了一種基于加權(quán)PCA的點云模型對稱性檢測算法
　　對稱性檢測算法基于對模型的迭代重加權(quán)PCA分析，算法的執(zhí)行過程如下:首先使用每個點元的面積作為權(quán)重，執(zhí)行一次加權(quán)PCA確定一個近似的對稱平面作為初始平面;然后通過迭代的方法一步步的調(diào)整這個近似的對稱平面，使之趨向于完美的對稱平面（主對稱平面）。在每一次迭代中，我們首先根據(jù)一個距離度量來更新每個點元的權(quán)重，然后使用新的權(quán)重執(zhí)行加權(quán)PCA來確定一個新的對稱平面。對于每一個近似的對稱平

5、面，我們會計算一個與之相關(guān)的對稱度。如果當(dāng)前的對稱平面與上一次迭代中的對稱平面足夠接近或者迭代次數(shù)超過了給定的閾值，迭代就會終止。迭代終止后，最后一次迭代過程中的對稱平面即作為我們要找的主對稱平面。
　　3.提出了一種基于對稱性分析的點云模型壓縮算法
　　算法基于對模型的平面反射對稱性分析，能處理任意拓撲結(jié)構(gòu)的模型。據(jù)我們所知，這是第一個利用模型的高層對稱信息對模型進行有效壓縮的算法。對于一個給定的三維點云模型，算法首先檢測

6、出模型的主對稱平面并基于對稱性檢測確定三個正交平面。然后，通過分析模型表面在這三個平面上的投影，把模型的表面分割成一些四邊形的面片以及剩余部分，四邊形的面片又可分為對稱的面片對以及不對稱的單獨面片。對于四邊形的面片，可以使用對稱性來進行預(yù)測，并用嵌入式零樹小波(EZW)編碼器進行編碼。對于剩余部分，則使用基于八叉樹(OT)的點云數(shù)據(jù)編碼器進行編碼。由于EZW編碼器以及OT編碼器的漸進特性，我們獲得了一個一般的漸進式點云模型編碼器。而且我