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2022年第9期

• 空间可变BRDF贴图的滤波算法

  高童, 徐昆

  近年来,实时渲染的真实程度不断上升,空间可变双向反射分布函数(SVBRDF)材质也越来越多地应用在实时渲染中.为了避免走样问题,在渲染前有必要对SVBRDF贴图进行滤波.因此,提出一种考虑SVBRDF纹素各个分量贡献度的综合滤波算法.首先,将每个纹素在拟合时的权重定义为其漫反射率、高光反射率的亮度之和;然后,考查已有vonMises-Fisher(vMF)混合模型,并在拟合时加入权重分量;最后,通过启发式地选择k中心算法的初始值,提出一种改进的自底向上多级SVBRDF纹理计算方法.为测试算法效果,手工设计了4套具有不同微观法向分布的SVBRDF贴图.实验结果表明,在渲染这种复杂材质时,所提算法的RMSE值比参考算法降低25.5%;在改变拟合叶片数量时,所提算法仅用2个vMF叶片就可以取得比已有算法用4个叶片更好的渲染结果.

• 基于全局与局部特征对比的点云自监督学习

  刘耿欣, 胡瑞珍

  传统的有监督学习依赖大量的标签数据,而收集标签数据通常是昂贵的.因此,提出一种通过对比点云的全局和局部特征的自监督学习算法,包括数据构造和对比学习2个阶段.在数据构造阶段,通过不同的局部视角和局部子结构生成全局物体的局部区域;在对比学习阶段,将全局物体和局部区域分别依次输入编码器、投影层和预测器得到全局和局部特征,使用基于对比学习的目标函数增强全局和局部特征相似.通过在2个公开数据集ModelNet40和ShapeNet上与Info3D等自监督学习算法对比,实验结果表明,所提算法在无监督点云分类和小样本学习任务上的分类准确率得到显著提升,并且在训练数据匮乏时比现有算法具有更强的鲁棒性.

• 点法约束下厄米径向基隐式自由光学曲面的光滑构造

  寿华好, 莫佳慧, 任浩杰, 陈锡媛, 刘艳, 季康松, 张航

  自由曲面因其具有更高自由度成为光学设计与制造的重要工具,二次支撑包络曲面因具有内在可积性成为自由曲面光学设计的主流方法之一,但其通常是不光滑的,需要进一步求解其光滑包络面以满足加工要求.以二次支撑曲面上的采样型值点和对应单位法向量作为约束条件,利用基于厄米径向基的隐式曲面方法成功地生成了投射均匀方斑的光滑自由光学曲面;进一步在型值点细分插值和支撑子面规模2个方面优化了点法约束条件.与已有曲面重建算法相比较,所提算法具有更小的点法误差和更好的光束整形效果.

• 从单幅图像生成人物三维动画

  林之钊, 黄惠

  传统的人物建模和动画绑定方法对人员专业性有较高要求,同时也涉及多种大型商业软件使用.提出一种从单幅图像中生成三维人物动画的方法.首先,借助基于深度学习的隐函数重建方法从图像中获得人物静态三维模型;然后,使用模板参数模型进行形状拟合匹配;最后,配准后参数模型的参数信息正确地迁移到静态模型上,使其可以自由变形以及被动画驱动,并基于该方法构建了应用系统.从模型匹配结果、动画生成结果和人物模型质量等方面对所提方法进行评估,实验合成的图片结果清晰度及人体关键点识别正确率表明,与当前主流的方法相比,所提方法能够获得更加优越的结果.

• 基于关系图的三维功能场景预测和生成

  孙乾, 胡瑞珍

  三维形状的功能性分析作为理解和操纵三维环境的手段对人工智能起着重要的作用,人类在没有任何环境的情况下,可以凭借知识和经验预测出对象的功能.为此,提出一种使用关系图指导给定对象生成三维功能场景的方法,包括关系图生成和场景生成2个步骤.在关系图生成阶段,采用深度卷积生成网络预测给定对象的关系图,将中心和交互对象编码为节点,对象之间的空间关系编码为边;在场景生成阶段,将生成的图和给定的中心对象作为输入,并输出交互对象的形状和位置.该方法在用于场景生成的交互场景数据集上进行测试,并与PG-DNN和PQ-NET方法比较,采用倒角距离和光场距离作为评价指标.实验结果表明,所提方法生成的功能场景优于现有方法,还可以使用对象的隐式表达生成高分辨率的功能场景.

• NURBS曲线的无自交近似等距曲线计算

  赵轩艺, 贺仕琪, 朱春钢

  NURBS曲线是CAGD中的标准工具,其等距曲线的计算是CAGD中的重要内容,对异常情况包括自交(或自交环)、奇点等的处理是等距曲线计算的关键技术.基于2阶导数采样和NURBS曲线的单值性,提出一种NURBS曲线的无自交近似等距曲线计算算法.首先提出并证明了NURBS曲线无自交等距曲线的最大偏移距离;然后通过计算最大偏移距离,以NURBS曲线的单值性为约束条件计算NURBS曲线的无自交近似等距曲线.2次和3次NURBS曲线无自交近似等距曲线计算的数值实例的结果表明,所提算法可以快速、有效地生成无自交的NURBS曲线的近似等距曲线,保证剩余控制顶点数尽量少且不依赖于权因子的选择,保留了NURBS曲线的权因子对曲线形状的调整性.

• Hi-Geo-Ti: 基于层次地理划分时间线的行人轨迹可视化分析系统

  任浩林, 马骢, 王正, 胡大宁

  随着计算机视觉技术的发展,行人重识别技术得到了广泛的应用.为了有效地分析海量的行人轨迹数据的时空相关性,提出一个可扩展的可视化分析系统Hi-Geo-Ti,应用分层(hierachical)地理(geographical)时间轴(timelines)可视化系统,允许用户从海量图像存储中即时提取和可视化行人的轨迹.特别地,Hi-Geo-Ti将行人重识别产生的关联与摄像机的时空属性相结合,在此基础上创建了三维轨迹图与二维时序故事图的交互组合,直观地解决了行人轨迹时空复杂度问题,快速有效地分析海量轨迹的相关性.以分析Covid-19的传播过程为例,展示了结合行人重识别技术该系统在抗击疫情中的助力作用,并进行用户研究验证设计的有效性.

• 基于对抗点的局部点云神经网络特征匹配攻击

  史亚文, 唐可可, 彭伟龙, 吴坚鹏, 顾钊铨, 方美娥

  对基于点云神经网络的局部形状特征匹配模型进行对抗攻击,有益于评估并提高其对抗鲁棒性.针对上述问题,提出了3种基于对抗点的攻击方法,包括通过移动原始待匹配局部点云中点的坐标进行对抗点扰动;计算局部点云的显著图,通过添加点到显著图中关键点的位置并施加位移进行对抗点添加;通过将显著图中的关键点移动到形状中心位置进行对抗点删除.在3DMatch数据集上针对DIP模型和SpinNet模型的实验结果表明,3种攻击方法均能实现有效攻击;攻击的效果与所设置的扰动大小有关;在保证隐蔽性的前提下,随着扰动的增大,攻击效果逐渐显著,如DIP模型被攻击后的特征匹配召回率可从100%降低至2%.

• 基于局部的全自动网格修复算法

  王骁, 雷娜, 罗钟铉

  为了提高复杂三维外形模型的网格修复鲁棒性和准确性,提出一种基于局部的全自动网格修复算法.首先,对瑕疵类型进行自动识别,将其自动分划为洞、退化三角形、自交和非流形等不同类别;然后,针对不同瑕疵类别分别采用类动态规划方法、混合内核方法和裁剪缝合方法等相应的策略进行修复;最后,设计出一个完善的修复流程以确保高效、准确地完成整体的网格修复.以Thingi10K数据集为例,以修复后的模型能否被填充四面体为标准,与6种经典算法进行对比,实验结果表明,所提算法不仅可以准确地保持原模型的几何特征,并且其修复成功率为90%.

• 基于模型集成的高分辨率融合车道线检测算法

  袁鑫, 江聪世

  针对无人机航拍视角下车道线形状复杂、细节特征易丢失、车道线前后景像素占比不均衡等问题,提出一种基于模型集成的高分辨率融合车道线检测算法.首先使用高分辨率融合结构和双线性插值算法改进全卷积神经网络的卷积模块和上采样模块;然后依据模型集成思想,使用改进后的模型结构作为车道线前后景语义分割模型及车道线多类别语义分割模型,用于分步骤解决车道线检测问题,并使用阈值化交叉熵损失函数和Lovasz损失函数组成联合损失函数对2种模型进行训练;最后使用局部色选区域生长算法为检测结果添补细节.实验结果表明,所提算法在自定义无人机航拍视角的15类车道线语义分割数据集中达到0.5484的平均交并比和0.9931的像素精度,在NVIDIA Tesla V100平台对分辨率为512×512的图像的检测速度达到23.08帧/s.

• 基于体素联合坐标的单人三维姿态估计

  万云翀, 宋云鹏, 刘利刚

  从单幅彩色图像获取三维人体姿态是许多应用的基本任务,但精度不足和不适定姿态难以判断的问题一直存在,因此提出一个基于深度学习的方法处理三维姿态估计的问题.首先,使用空间体素作为数据存储结构,提出联合坐标的表达方式;其次,利用空间积分回归的方法来计算卷积网络的输出结果;最后将输出送入全连接网络进行联合训练.所提方法在human3.6m数据集的2种标准测试协议下进行了测试,取得了比以往大部分方法更高的精确度,面对MPI-INF-3DHP等数据集时也展现出良好的泛化能力.

• 基于感知去模糊的高效人脸图像修复算法

  赵汉理, 刘影, 卢望龙, 金小刚, 黄辉, 史开杰

  针对现有深度学习图像修复算法在修复区域内部产生模糊纹理或存在修复区域边界的内容不连贯性的问题,提出一种基于感知去模糊的人脸图像修复算法.首先提出一种包含PSNR损失、SSIM损失和对抗损失的生成对抗网络生成粗略的人脸结构修复信息;然后开发一种基于感知去模糊的生成对抗网络对粗略的人脸结构进行进一步的纹理细节恢复,从而生成自然清晰且内容连贯的面部纹理.在CelebAHQ公开人脸数据集上进行定量、定性和消融实验的结果表明,所提算法在峰值信噪比和结构相似性等定性评价指标方面优于所对比的前沿图像修复算法.

• 粗糙语义引导的同时预测前背景的透明度图估计算法

  王宸昊, 张慧

  针对抠图算法中的“溢色”现象,提出一种同时预测前景、背景和透明度图的算法,并设计了一个结合粗糙语义的自动抠图网络.该算法包括2个阶段:粗糙语义生成阶段和同时预测前背景的抠图阶段.在粗糙语义生成阶段,利用语义分割网络得到中间结果,再通过一个粗糙语义信息融合模块,在多个尺度上对语义信息进行粗略估计;在抠图阶段,利用一个编码器-解码器结构的神经网络对粗糙的语义信息进行编解码,最终得到前景、背景和透明度图的预测.上述2阶段网络可以更加准确地提取出前景物体,得到的透明度图可直接应用于影视特效、图像处理等下游任务.在Adobe数据集和Distinction-646数据集上的实验结果表明,所提算法的绝对误差和分别为42.5和50.3,梯度误差分别为27.1和28.0;抠图的细节也更为准确.

• 三维形状的自支撑晶体结构的逼近与填充

  王伟明, 冯冬卫, 李琦, 韩磊, 刘秀平

  针对三维打印无法制造具有悬空杆和悬空节点的晶体结构的问题,提出自支撑晶体结构针对三维形状的逼近与填充算法.首先以菱形六面体为晶体单元,构造晶体单元的几何形状与其自支撑性的函数关系,进一步生成包围三维形状的最小自支撑晶体单元;然后在最短边长与细分次数的约束下,通过晶体单元的迭代细分对三维形状进行逼近;最后,对悬空节点添加支撑杆以保证整体结构的可打印性.另外,通过晶体结构的细分生成三维形状的自支撑填充结构.实验对选自3D ShapeNet数据库的三维模型进行逼近与填充,在VS 2010和MATLAB R2017a平台上进行算法的实现和结果的可视化,结果表明了所提算法对三维形状的逼近与填充的有效性和鲁棒性.

• 纤维编织复合材料几何结构的生成

  王琳钦, 伯彭波, 谭军波

  为了对编织机的运动进行验证以及对复合编织材料的性能进行预测,提出编织机运动仿真和纱线编织结构几何模型的生成方法.面向传统的五月柱编织机的运动仿真,提出一种紧密的纱线编织结构的几何建模方法.该方法借助编织基本单元的空间状态和平面展开状态的几何对应关系得到芯模表面的编织方向场,基于该方向场得到纱线的轨迹;为了改善五月柱编织机携纱率低的问题,面向双层六边形编织机的运动仿真提出具有正确的内外关系的纱线编织结构生成方法,其中交替执行割角操作和删点操作,产生纱线拉紧的效果,同时借助虚拟纱线实现纱线和芯模的碰撞检测.基于纱线的驻留比、孔隙率和平均交织比等评估策略,对多种形状芯模的编织仿真实验结果表明,所提方法是有效和鲁棒的.

• 结合几何一致性的图卷积颈缘线形变网络

  彭宸婕, 田彦, 王嘉磊, 江腾飞, 任午令, 王勋, 杨柏林

  针对曲面形变方法计算复杂度高、曲线形变方法中忽视非局部信息的关联性、没有考虑位置与法向之间的几何一致性等问题,提出一种同时建模局部与非局部信息的图卷积层,且设计了引入位置与法向几何约束的几何辅助预测模块.首先采用k最近邻算法和注意力机制相结合的图卷积层对局部和非局部信息进行挖掘,预测空间中点的位置和法向信息;然后将预测得到的点的位置输入几何辅助预测模块,利用几何一致性约束计算得到几何法向信息;最后将得到的几何法向信息与图卷积网络预测得到的法向信息融合,再次通过图卷积网络进行形变预测,得到最终形变预测结果.在876个样本的自建颈缘线数据库上的实验结果表明,相比于其他主流方法,所提方法在均方误差度量上降低了16.7%.

• 基于卷积神经网络的人像浮雕建模与动画生成

  罗萍, 龙文斐, 陈彦钊, 周浩, 张玉伟

  为克服传统人像浮雕设计专业性强、效率低、效果单一等不足,提出一种人像浮雕快速建模方法.首先基于法向相似原理构建人像浮雕合成数据集;然后建立卷积神经网络模型,实现2.5D高度场的快速压缩;最后对3D模型进行多视角连续采样,通过网络预测批量生成单帧浮雕模型,合成人像浮雕动画.在人像浮雕合成数据集上进行实验的结果表明,所提方法可以实现人像浮雕快速建模,建模效率高于传统方法;建模结果在定量分析指数PSNR方面优于同类方法,具有合理的深度层次,同时较好地保留了人脸细节特征;合成动画为3D人像提供了良好的浮雕艺术展示效果.