计算机辅助设计与图形学学报杂志

计算机辅助设计与图形学学报杂志2020年第5期

• 六面体网格生成和优化研究进展

  王瑞, 高曙明, 吴海燕

  文中总结了近十几年来六面体网格生成和优化的研究进展.首先概述六面体网格生成的研究进展,将其归为整体生成方法和基于模型分解的生成方法2类,并指出各类方法的优缺点;然后概述六面体网格优化的研究现状,包括几何优化和拓扑优化;最后阐述六面体网格生成与优化的发展趋势.

• 时空一致的动态纹理地图快速生成

  洪阳, 吴康, 李威, 胡伟, 刘利刚

  为了获得真实的动态重建体验,需要在重建几何的基础上进一步重建颜色信息,并高效地进行数据编码传输.为此提出一种面向动态三维重建的纹理地图序列快速生成方法.首先基于动态三维重建的基准网格序列的几何相似特性快速生成相邻帧网格的三角面对应关系,然后根据该对应关系使用一种基于网格块的优化方法得到网格序列的一致性分割结果,最后结合网格序列的一致性分割结果及网格前后帧的三角面对应关系,快速生成具有时空一致性的纹理地图序列.实验结果表明,在真实动态重建场景下,使用H.264对由该方法生成的一致性纹理地图序列进行无损视频编码时可以降低约50%的比特率,使用有损编码可以降低70%~80%的比特率.

• 具有函数尺度因子的有理分形曲线

  孙庆华, 杨晓梅, 胡声立, 包芳勋, 张云峰

  带有常数尺度因子的分形插值,是描述具有明显自相似事物的一个有效工具,然而,它却难以精确地刻画自相似较弱的不规则数据.为此,提出一种具有函数尺度因子的有理样条分形插值方法.首先,在迭代函数系统中引入函数尺度因子,构造了一种仅仅基于函数值的带有形状参数的有理分形插值曲线;然后讨论了分形曲线的分析性质,包括分形曲线在尺度因子满足适当条件下的光滑性、分形曲线对插值数据扰动的稳定性以及分形插值函数的收敛性;最后,研究了分形曲线的计盒维数,给出了计盒维数的上下界.数值算例验证了该分形曲线造型的可控性和对噪声的鲁棒性;对海岸线数据插值时,该方法相比B样条、Bézier曲线和三次样条能更好地还原海岸线的粗糙程度;处理股票时序数据时,相比ARIMA和SVM方法,在RMSE等多项指标下更优.

• 基于矢量场的二维区域全自动四边网格生成

  何寿平, 肖周芳, 陈建军, 徐岗, 郑耀

  为了实现任意二维几何模型的高质量分块结构四边形网格自动生成,提出一种基于矢量场的二维区域全自动分解方法.首先利用边界元法求解拉普拉斯型控制方程,获取一个反映模型边界几何特征、覆盖整个问题域的矢量场;然后结合矢量与标架的映射关系,将计算得到的矢量场转化为标架场;最后通过分析标架场的奇异结构将问题域分解成多个四边子区域,并在每个子区域利用映射法生成高质量的结构四边形网格.通过复杂区域的网格生成实例,验证了该方法的有效性和可靠性.

• 参数域边界平直化的模型表面参数化方法

  鲜永章, 姚洋, 张琮毅, 盖孟, 汪国平

  为了支持简化模型纹理边界、满足模型简化中纹理映射需求,提出了一种参数域边界平直化的模型表面参数化方法.给出了由变换能量、防翻转能量和稀疏能量组成的能量方程.求解时引入辅助变量并求得近似解.实验中分别使用文中方法和已有参数化方法进行比较.在使用缺省参数情况下,文中方法面积和角度扭曲都处于合理范围.将不同参数化方法得到的带纹理模型简化到相同简化率.从简化误差数值和简化后视觉效果进行定量定性分析,都证实了文中方法更具优越性.进一步可以将其应用到游戏、航空等领域.

• 结构保持生成对抗网络的SD-OCT图像去噪方法

  蔡鑫鑫, 张世宇, 陈强, 陈允杰, 吴梦麟

  为了去除频域光学相干断层扫描(SD-OCT)中的散斑噪声,提出了一种结构保持生成对抗网络模型,可以无监督地从SD-OCT图像合成高质量的增强深部成像光学相干断层扫描(EDI-OCT)图像.该模型基于循环生成对抗网络结构学习无配对SD-OCT和EDI-OCT图像之间的域映射关系.为了克服循环生成对抗网络生成图像的结构性差异问题,模型利用连续帧之间的相似性引入全局结构损失,保证了图像的全局结构一致性;同时通过模态无关邻域描述符引入局部结构损失,保持了图像的解剖结构细节.在50组CirrusSD-OCT数据集上进行去噪的实验结果表明,该模型的PSNR值为29.03 dB,SSIM值为0.82,EPI值为0.50,均优于现有模型.

• 结合注意力模型与双峰高斯分布的深度哈希检索算法

  李宗民, 张鹏, 刘玉杰, 李华

  哈希检索因为具有存储空间小、检索速度快的特点而受到广泛关注.目前深度哈希算法存在2个主要问题:深度哈希编码本质上是二值化特征,并且编码长度较短,存在特征表达能力有限的问题;已有的深度哈希算法无法直接通过反向传播学习离散哈希编码,通常将离散值松弛为连续值来优化学习,存在量化误差的问题.针对以上问题,提出一种结合注意力模型和双峰高斯分布的深度哈希检索算法.该算法设计嵌入空间和通道注意力模型的网络结构,关注重要特征并抑制不必要特征,增强了哈希编码的特征表达能力;同时为了解决量化误差问题,将均值为+1/-1的双峰高斯分布作为先验分布,并借鉴变分自编码机的思想,提出通过KL散度约束哈希编码分布服从先验分布,以减少量化误差.在3个基准数据集CIFAR-10,ImageNet,NUS-WIDE上,在不同码位下计算MAP结果显示,其MAP值优于对比的其他算法,取得了良好的检索效果,验证了文中算法的有效性.

• 基于时空生成对抗网络的视频修复

  于冰, 丁友东, 谢志峰, 黄东晋, 马利庄

  针对现有视频修复中存在的修复结果语义信息不连续问题,提出基于时空生成对抗网络的修复方法,其包含2种网络模型:单帧修复模型和序列修复模型.单帧修复模型采用单帧堆叠式生成器和空间判别器,实现对起始帧的高质量空间域缺损修复.在此基础上,序列修复模型针对后续帧的缺损问题,采用序列堆叠式生成器和时空判别器,实现时空一致的视频修复.在UCF-101和FaceForensics数据集上的实验结果表明,该方法能够大幅提升修复视频的时空连贯性,与基准方法相比,在峰值信噪比、结构相似性、图像块感知相似性和稳定性误差等性能指标上均表现更优.

• 联合时域虚拟帧的多帧视频质量增强方法

  丁丹丹, 吴熙林, 佟骏超, 姚争为, 潘志庚

  基于神经网络的视频质量增强方法能够明显减少视频压缩噪声,提高压缩视频的主观与客观质量.目前,大多研究采用的是空域单帧增强策略.然而,视频图像在时域也具备高度相关性,这些信息还未在视频增强上得到充分利用.为此,提出了一种联合时空域信息的重建视频增强方法.首先,使用自适应网络,根据前后重建帧预测得到当前帧的虚拟帧;该虚拟帧携带了大量时域信息,当前帧在空域又有高度相关性,因此,提出使用渐进融合网络进一步融合两者信息,从而增强当前帧的质量.实验结果表明,在随机访问编码模式测试条件下,文中方法与H.265/HEVC相比,平均可获得0.38 dB PSNR增益;与仅用单帧增强相比,可获得0.06 dB PSNR增益;与已有的多帧增强方法(multi-frame quality enhancement,MFQE)相比,可获得0.26 dB PSNR增益,且参数量仅为MFQE的12.2%.此外,文中方法对重建视频的主观质量也有明显改善.

• 改进曲率驱动模型的敦煌壁画修复算法

  陈永, 艾亚鹏, 郭红光

  针对敦煌壁画裂纹形状复杂、划痕不规则,采用CDD曲率扩散算法修复时易出现假边缘、阶梯效应以及修复时间长的问题,提出一种改进曲率驱动模型的自适应敦煌壁画修复算法.首先对CDD算法中梯度消失问题进行改进,使扩散项更加合理;然后引入自适应控制策略,壁画破损区域曲率不同时能够选择不同的修复模型进行动态自适应控制修复;最后利用光滑函数进行角点扩散修复,达到去噪和保护边缘的目的.对真实敦煌壁画进行数字化修复的实验结果表明,该算法较好地解决了CDD算法的边缘过渡不自然以及修复时间过长的问题,在PSNR和修复时间评价指标上均优于其他对比算法.

• 使用特征空间归一化主类距离的智能零售场景开放集分类方法

  曾华, 潘毅铃, 杨泽曦, 王斌

  智能零售场景中往往会使用到图像分类技术来识别商品,然而实际场景中并不是所有出现的物体都是已知的,未知的物体会干扰场景中的模型正常运行.针对智能零售场景中的图像分类问题,从已知类别封闭数据集的分类特征出发,通过对已知类别的分类特征进行计算和修正得到对未知类别物体的分类预测.通过构造已知类别的特征空间,并结合针对图像分类特征空间的特性优化的特征距离——归一化主类距离,可以更好地拟合特征空间在已知类别数据集中的边界概率模型.最终用边界概率模型对原分类特征做出修正计算,得到对物体的未知类别的分类预测,并通过设计实验验证该方法的可行性.此外,在智能零售场景的数据集支持下,与已有方法进行了对比实验.使用特征空间归一化主类距离的开放集分类算法在有着更高的已知类别分类准确率的同时,开放集拒绝率有14.20%的提升,达到了44.85%.

• 敏感视频判别性特征投影识别算法

  丁昕苗, 郭文, 吕文恬

  网络的快速发展在给人们生活带来很多便利的同时,也存在着令人反感的敏感内容,如恐怖暴力视频等,这些内容严重影响着青少年的身心健康.因此,一种有效的敏感视频识别算法成为网络过滤技术中不可或缺的组成部分.近年来,多示例学习被引入到恐怖暴力类敏感视频识别中,并取得了令人瞩目的效果.由于该类视频中存在着很多冗余信息及部分非恐怖暴力帧的干扰,不可避免地影响了敏感视频的识别效果.因此提出了一种基于判别性特征投影的多示例学习算法,提出了一种基于自表示字典学习的示例选择框架,将示例作为字典,学习示例之间的最优表达关系,找到具有代表性的示例,并向代表示例进行投影构造了更具判别性的示例包特征.通过在恐怖暴力视频库以及VSD2014数据集上与现有多示例检测算法在准确率、召回率以及F1指标的对比,验证了该算法在恐怖暴力视频识别中的有效性.

• 单帧红外图像低频非均匀性噪声校正算法

  王帅, 赵耀宏, 向伟

  红外成像系统中,低频非均匀性噪声严重影响红外系统的成像效果,传统基于标定的方法无法对其进行有效的去除.为此,提出一种基于曲面拟合的低频非均匀性噪声校正算法,首先对含噪图像进行小波滤波,以抑制高频信息;然后利用场景和低频非均匀性噪声梯度的稀疏特性,建立关于非均匀性噪声曲面参数的l1正则化能量泛函,并利用ADMM方法求解最优的非均匀性噪声曲面参数;最后将原始图像减去估计的低频非均匀性噪声得到校正后的图像.使用中波红外热像仪拍摄得到红外图像,对仿真图像和实际图像进行校正,实验结果表明,该算法能明显降低图像的粗糙度和非均匀性值,且有效地去除低频非均匀性噪声.

• 牙齿半自动精确分割算法

  姜晓通, 戴宁, 张长东, 郭保苏, 李大伟, 黎昌文

  牙齿分割是数字化牙齿正畸的基础.针对现有的牙齿分割技术自动化程度低、分割不精确的问题,提出了一种牙齿半自动精确分割算法.该算法主要包含3个步骤:首先,手动拾取每相邻2颗牙齿间的一个特征点,利用每颗牙齿两侧的特征点构建局部凹陷感知调和场矩阵,计算模型局部区域的标量场;其次在局部网格上得一系列等值线,利用一种投票机制选取最佳等值线作为牙齿分割线;最后利用一种启发式的特征线提取算法对分割线进行优化,得到精确的龈缘线,实现牙齿的精确分割.实验测试所用数据全部来源于临床扫描数据,结果表明,该算法具有较强的适应性,能够实现牙齿的精确分割,分割精度能够控制在0.1 mm以下,不需要后续过多的手工交互,自动化程度较高,综合提取时间较少,能够满足实际需求.

• 鞋胶喷涂的路径生成与优化

  江婧, 刘利刚

  为了实现鞋底涂胶自动化,提出一种在三维鞋底曲面上自动生成鞋胶喷涂路径的方法,其对非平面、不同形状的鞋型均可适用.该方法首先使用Fast Marching算法对预处理过后的三维扫描鞋底曲面模型计算测地距离,得到鞋底外轮廓的等距线;再将等距线断开重新连接形成一条连续螺旋路径;在连接螺旋路径时,针对鞋底形状特点确定最佳断开位置,并提出一种连接策略,使相邻等距线连线更加平滑;为使该螺旋路径更加符合实际喷涂工作需求,通过设计带光滑的能量项,运用拉格朗日乘子法对路径及喷头朝向进行优化.在三维扫描得到的鞋底数据上实验表明,该方法可自动高效地生成鞋底喷胶路径.

• 对位对线的粗隆间骨折计算机辅助复位方法

  邓子越, 蒋俊锋, 陈正鸣, 黄瑞

  临床医学中,股骨粗隆间骨折复位应同时满足对位和对线的医学需求,现有计算机辅助复位方法不能较好支持.为此提出一种基于对位对线的粗隆间骨折计算机辅助复位方法,以碎骨三角网格模型为拼接对象,通过充分利用人体CT扫描特点,有效地评估下肢力线,实现对线调整;然后以断裂面之间距离最小化为目标,实现对位拼接;通过对位与对线的反复迭代拼接,最终得到复位结果.在粗隆间骨折临床数据集上进行了实验,并与医生手工复位作比较,实验结果表明,该方法能满足对位对线医学需求,有效地提高粗隆间骨折的术前规划效率.

• 六面体网格复杂层插入操作的优化设计方法

  王瑞, 丁卯, 吴海燕, 郑志浩, 高曙明

  拓扑操作在六面体网格生成、编辑和优化中至关重要,而层操作是最直接有效、应用最广泛的拓扑修改操作,其中以层插入操作最为关键和复杂.针对现有的层插入操作仍无法有效地处理自相交、自贴合、多层整体生成等复杂情况的问题,为了提高层插入操作的鲁棒性和高效性,提出一种六面体网格复杂层插入操作的优化设计方法.首先根据有效性条件将插入位置分组;然后对每组插入位置,基于质量预判优化设计其局部收缩集、层拓扑结构和分裂点的几何归属,实现多层的整体插入;最后基于最大流最小割算法对剩余组中断裂面集进行补全,使其满足有效性条件.与传统层插入方法相比,该方法能够有效地插入复杂的层结构,并能够显著地提高多层插入的效率.