非刚性三维模型形状分析与描述的关键技术研究

In recent years, with the developments of computer technology and 3D model acquisition technology, the number of 3D models has shown explosive growth, and how to effectively describe the shape information of 3D models is the key issue that need to be firstly solved for the analysis and understanding of 3D model. Due to the non-rigid objects widely exists in the real world and virtual world, the shape analysis and description methods designed for rigid 3D models can not deal with complicated non-rigid deformation problem. Under the practical application demand driven, the shape analysis and description of 3D non-rigid models has become a new research focus in the field of multimedia information processing. The purpose of this project is to make full use of effective discriminant features of non-rigid 3D models, and find the description and analysis methods that are robust to 3D non-rigid deformation. The research object of this project is non-rigid 3D models, and the main contents include non-rigid deformation invariant 3D local features extraction, the construction and description of local feature based strcture graph, the generation of canonical form and the fusion of multiple features etc.The research of this project can help solve non-rigid 3D model registration, recognition and retrieval problems. It also has great significance to perfect the theoretical framework of the non-rigid 3D shape analysis and description.

近年来，随着计算机技术和三维模型获取技术的发展，三维模型的数量呈现出爆炸式增长的态势，如何有效地描述三维模型的形状信息是对三维模型进行分析与理解首先需要解决的关键问题。由于非刚性物体广泛存在于实际世界和虚拟世界中，针对刚性三维模型设计的形状分析与描述方法不能处理非刚性三维模型复杂的形变问题，因此在实际应用需求的驱动下，非刚性三维模型的形状分析与描述成为多媒体信息处理领域一个新的研究热点。本项目旨在充分挖掘出非刚性三维模型中蕴含的有效鉴别特征，并寻找对三维模型非刚性形变鲁棒的形状分析与描述方法。本项目的研究对象是非刚性三维模型，主要内容包括对非刚性形变具有不变性的三维局部特征提取、基于局部特征的结构图构造与描述、非刚性三维模型的形态标准化方法研究和多特征融合方法研究等。本项目的研究对于解决非刚性三维模型注册、识别及检索等实际问题，完善非刚性三维模型形状分析与描述的理论框架具有重要意义。

本项目针对非刚性三维模型具有丰富可变性的特点，深入研究了非刚性三维模型形状分析与描述的理论以及它们在非刚性三维模型检索中的应用。研究内容主要包括：设计了双高斯加权非相似性度量，提出了一种鲁棒的多尺度三维关键点检测方法；将深度信息融入到局部特征描述子的构造中，提出了基于旋转深度投影统计的三维局部特征提取方法；针对热核特征对三维模型尺度变化敏感、尺度不变热核特征会丢失部分高频信息的特点，提出了三种改进的尺度不变热核特征；研究了非刚性三维模型形态规范化方法，设计了一种基于多视图卷积神经网络的非刚性三维模型特征提取方法；设计了一种基于词组模型的非刚性三维模型全局特征提取方法；分别研究了谱图理论、深度学习在非刚性三维模型特征提取中的应用，提出了基于谱图小波描述子和自动编码器的非刚性三维模型特征提取方法和基于四元组卷积神经网络的非刚性三维模型特征提取方法；提出了基于DS证据理论的多特征融合非刚性三维模型检索方法；设计了多特征融合卷积神经网络，并将其应用到非刚性三维模型检索中。本项目完成了研究计划的预期目标，并在本项目执行的基础上拓展了研究内容，研究了最近比较流行的深度学习技术在非刚性三维模型特征提取中的应用，发表论文26篇，其中SCI/EI期刊论文19篇，EI会议论文7篇，申请国家发明专利3项，设计开发了一套非刚性三维模型检索原型系统。本项目的研究工作对于解决非刚性三维模型的高效管理和检索具有重要的意义。