程雪敏

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇蘇州 215104)

三維模型檢索中特征權(quán)值的應(yīng)用研究

程雪敏

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇蘇州 215104)

在原有三維模型檢索方法的基礎(chǔ)上提出了加入特征權(quán)值進(jìn)行三維模型檢索的方法，并將此方法應(yīng)用到基于球面調(diào)和的三維模型檢索中。通過(guò)以采樣球面積為比例逐漸增加外部球面的采樣權(quán)值來(lái)平衡采樣不均勻?qū)z索效果的影響。在PSB測(cè)試集上進(jìn)行檢索實(shí)驗(yàn)，并使用多種評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入特征權(quán)值后檢索效果優(yōu)于原始方法。

三維模型檢索;特征提取;特征權(quán)值

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)處理能力的提高及圖形學(xué)理論的發(fā)展，三維模型大量產(chǎn)生并在網(wǎng)絡(luò)上共享，如何有效地找到所需要的模型是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題，三維模型檢索就自然而然成為了一個(gè)重要的研究課題。其中，基于形狀的三維模型檢索又是其中的研究熱點(diǎn)［1］?，F(xiàn)在已經(jīng)提出了多種基于形狀檢索方法，如基于形態(tài)分布的方法［2］、基于球面調(diào)和變換的方法［3］和模糊權(quán)值形狀描述的方法［4］等。

雖然現(xiàn)有檢索方法眾多，但其檢索效果仍有很大的提升空間，可以從兩方面著手提高三維模型檢索效果:一是尋找能更好地描述三維模型的特征提取的新算法，二是對(duì)現(xiàn)有檢索方法進(jìn)行改良。本文對(duì)Funkhouser等［3］提出的基于球面調(diào)和變換三維模型特征提取方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了在三維模型檢索的特征提取時(shí)依據(jù)提取的特點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)的檢索方法，并將此方法應(yīng)用到基于球面調(diào)和的三維模型檢索方法中，得到一個(gè)對(duì)球面調(diào)和模型特征進(jìn)行更好描述的檢索方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法基于球面調(diào)和的三維模型檢索中可以得到較好的檢索效果。

1 基于球面調(diào)和的三維模型檢索

球面調(diào)和變換也被稱為球面上的二維傅立葉變換，F(xiàn)unkhouser等提出了使用球面調(diào)和變換進(jìn)行特征提取的方法。Funkhouser利用基于球面調(diào)和變換每個(gè)頻帶能量的不變性獲得了無(wú)需標(biāo)準(zhǔn)化的特征描述的旋轉(zhuǎn)不變性。

Funkhouser通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行體素化，然后進(jìn)行同心球切分，之后在每個(gè)球面應(yīng)用球面調(diào)和變換得到。他使用1 890個(gè)手工分類的模型庫(kù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并比較了形狀分布、形狀直方圖、EGI等方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此方法具有較好的檢索效果。

2 特征權(quán)值在球面調(diào)和特征提取中的應(yīng)用

本文針對(duì)球面調(diào)和特征提取方法的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)球面調(diào)和特征加入特征權(quán)值來(lái)提高檢索效果。Funkhouser的方法將模型分為半徑分別為r=1,2…R的同心球，對(duì)每個(gè)球面進(jìn)行R2個(gè)等經(jīng)緯度采樣。其所采用的球坐標(biāo)如圖1(a)所示。圖1(b)給出了一個(gè)球面上的采樣點(diǎn)分布圖示?？梢钥闯龃朔椒ǖ牟蓸硬⒉痪鶆?，外部球的采樣稀疏，內(nèi)部球采樣密集。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，本文使用依采樣密度加權(quán)的方法來(lái)提高檢索效果。即在采樣密集的區(qū)域使用較小權(quán)值，在采樣稀疏的區(qū)域使用較大權(quán)值。使用此方法來(lái)平衡采樣不均勻帶來(lái)的誤差。其主要思想是，外部球的面積越大，其代表的模型三維特征越明顯，采樣點(diǎn)卻較稀疏，應(yīng)該適當(dāng)增大權(quán)值;而內(nèi)部球面積小，其代表的模型特征并不明顯，采樣卻較密集，因此可以適當(dāng)降低其權(quán)值。在上述球坐標(biāo)采樣時(shí)，使用如下方法進(jìn)行加權(quán)采樣:

式中r2稱為球半徑權(quán)值，它對(duì)采樣球由內(nèi)而外按面積比例增大權(quán)值。圖1(c)給出了球采樣權(quán)值剖面示意圖，球心為模型的質(zhì)心，球心到上部頂點(diǎn)的方向?yàn)槟Ｐ蛕軸正方向。圖中灰度值表示權(quán)值大小，顏色越深則表明應(yīng)用的權(quán)值越大。由圖1可以看出此方法在依次向外部采樣球使用了遞增的權(quán)值。

圖1 球面采樣及特征權(quán)值

3 實(shí)驗(yàn)與分析

圖2 改進(jìn)前后兩種檢索方法的相似矩陣對(duì)比

圖2給出了在PSB測(cè)試集上改進(jìn)前原始方法和改進(jìn)后加特征權(quán)值方法的相似矩陣對(duì)比，可以看出改進(jìn)后方法的相似矩陣在對(duì)角線的分布更為密集，因此在原有三維模型檢索方法的基礎(chǔ)上提出了加入特征權(quán)值進(jìn)行三維模型檢索對(duì)于模型的描述能力更強(qiáng)，可以更好地區(qū)分不同類的模型。

表1給出了兩種方法在PSB測(cè)試集檢索效果的 Nearest neighbor、first tier、second tier、E-measure、Discounted Cumulative Gain值對(duì)比，其中Original表示改進(jìn)前原始方法，Weighted表示本文提出的改進(jìn)后加特征權(quán)值方法，Enhancement Ratio(%指用百分比表示的檢索效果提高率。由表1可以看出對(duì)于各種不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文方法都要優(yōu)于原始方法，其檢索效果分別提高了14.52%、17.61%、14.24%、22.38%和19.42%。

表1 兩種方法使用不同評(píng)價(jià)方法的檢索效果對(duì)比

圖3 原始特征和加權(quán)特征的檢索效果P-R曲線對(duì)比

圖3給出了本文方法和原始方法使用PSB測(cè)試集和Precision-Recall的檢索效果曲線對(duì)比。其中Original和Weighted分別代表原始方法和本文方法的檢索效果。由圖3可以看出，本文方法對(duì)原始方法在檢索效果上有了顯著的提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于內(nèi)容的三維模型檢索的特征提取方法進(jìn)行了研究。提出了在三維模型檢索的特征提取時(shí)依據(jù)提取的特點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)的檢索方法，并將此方法應(yīng)用到基于球面調(diào)和的三維模型檢索方法中，通過(guò)依次對(duì)采樣稀疏的球面增大權(quán)值的方法來(lái)獲取采樣數(shù)據(jù)。本文在PSB測(cè)試集上對(duì)兩種方法進(jìn)行三維模型檢索實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用多種不同的指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法優(yōu)于原始方法。

［1］B.Bustos,D.Keim,D.Saupe,and T.Schreck.Contentbased 3D object retrieval［J］.IEEE Computer Graphics and Applications,2007(4):22-27.

［2］徐敬華，張樹有.基于形態(tài)分布圖與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三維模型檢索方法［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2009(5):877-883.

［3］FUNKHOUSER T,MIN P,KAZHDAN M,et al.A search engine for 3D models［J］.Acm T Graphic,2003,22(1):83-105.

［4］Daoguo Yang,Tianlong Gu,Huaiying Zhou,3D Model Retrieval Based on Fuzzy Weighted Shape Distributions［J］.Advanced Materials Research 2011(201-203):1678-1681.

［5］SHILANE P,MIN P,KAZHDAN M,et al.The princeton shape benchmark;proceedings of the Shape Modeling International 2004(SMI 2004),Washington,DC,USA,F,2004［C］.IEEE Computer Society,Washington,DC:167-168.

Researches on 3D Model Retrieval Using Weighted Features

CHENG Xue-min
(College of Suzhou Institute of Industrial Technology,Suzhou 215104,China)

Based on the original 3D model retrieval method,the paper proposes a method for 3D model retrieval adding weighted feature,and this method is applied to 3D model retrieval based on spherical harmonic.The effect of the retrieval exerted by the uneven sampling is proposed and balanced through increasing the proportion of sampling weights of the external sphere gradually which taking the ball of sampling area as ratio.The retrieval experiments are carried out on PSB and compared using a variety of evaluation.General results show that the proposed method is more effective than the original one.

3D model retrieval;content-based;weighted feature

TP 391.41

A

1672-2434(2011)04-0013-03

2011-05-10

程雪敏(1976-)，女，講師，工程師，從事研究方向:電子信息