三维模型检索中特征权值的应用研究

程雪敏

(苏州工业职业技术学院 江苏苏州 215104)

三维模型检索中特征权值的应用研究

程雪敏

(苏州工业职业技术学院 江苏苏州 215104)

在原有三维模型检索方法的基础上提出了加入特征权值进行三维模型检索的方法，并将此方法应用到基于球面调和的三维模型检索中。通过以采样球面积为比例逐渐增加外部球面的采样权值来平衡采样不均匀对检索效果的影响。在PSB测试集上进行检索实验，并使用多种评价指标进行对比。实验结果表明，加入特征权值后检索效果优于原始方法。

三维模型检索;特征提取;特征权值

0 引言

随着计算机处理能力的提高及图形学理论的发展，三维模型大量产生并在网络上共享，如何有效地找到所需要的模型是一个迫切需要解决的问题，三维模型检索就自然而然成为了一个重要的研究课题。其中，基于形状的三维模型检索又是其中的研究热点［1］。现在已经提出了多种基于形状检索方法，如基于形态分布的方法［2］、基于球面调和变换的方法［3］和模糊权值形状描述的方法［4］等。

虽然现有检索方法众多，但其检索效果仍有很大的提升空间，可以从两方面着手提高三维模型检索效果:一是寻找能更好地描述三维模型的特征提取的新算法，二是对现有检索方法进行改良。本文对Funkhouser等［3］提出的基于球面调和变换三维模型特征提取方法进行改进，提出了在三维模型检索的特征提取时依据提取的特点进行加权的检索方法，并将此方法应用到基于球面调和的三维模型检索方法中，得到一个对球面调和模型特征进行更好描述的检索方法。实验结果表明，此方法基于球面调和的三维模型检索中可以得到较好的检索效果。

1 基于球面调和的三维模型检索

球面调和变换也被称为球面上的二维傅立叶变换，Funkhouser等提出了使用球面调和变换进行特征提取的方法。Funkhouser利用基于球面调和变换每个频带能量的不变性获得了无需标准化的特征描述的旋转不变性。

Funkhouser通过对模型进行体素化，然后进行同心球切分，之后在每个球面应用球面调和变换得到。他使用1 890个手工分类的模型库进行实验，并比较了形状分布、形状直方图、EGI等方法，实验结果表明此方法具有较好的检索效果。

2 特征权值在球面调和特征提取中的应用

本文针对球面调和特征提取方法的特点，通过对球面调和特征加入特征权值来提高检索效果。Funkhouser的方法将模型分为半径分别为r=1,2…R的同心球，对每个球面进行R2个等经纬度采样。其所采用的球坐标如图1(a)所示。图1(b)给出了一个球面上的采样点分布图示。可以看出此方法的采样并不均匀，外部球的采样稀疏，内部球采样密集。针对这个特点，本文使用依采样密度加权的方法来提高检索效果。即在采样密集的区域使用较小权值，在采样稀疏的区域使用较大权值。使用此方法来平衡采样不均匀带来的误差。其主要思想是，外部球的面积越大，其代表的模型三维特征越明显，采样点却较稀疏，应该适当增大权值;而内部球面积小，其代表的模型特征并不明显，采样却较密集，因此可以适当降低其权值。在上述球坐标采样时，使用如下方法进行加权采样:

式中r2称为球半径权值，它对采样球由内而外按面积比例增大权值。图1(c)给出了球采样权值剖面示意图，球心为模型的质心，球心到上部顶点的方向为模型z轴正方向。图中灰度值表示权值大小，颜色越深则表明应用的权值越大。由图1可以看出此方法在依次向外部采样球使用了递增的权值。

图1 球面采样及特征权值

3 实验与分析

图2 改进前后两种检索方法的相似矩阵对比

图2给出了在PSB测试集上改进前原始方法和改进后加特征权值方法的相似矩阵对比，可以看出改进后方法的相似矩阵在对角线的分布更为密集，因此在原有三维模型检索方法的基础上提出了加入特征权值进行三维模型检索对于模型的描述能力更强，可以更好地区分不同类的模型。

表1给出了两种方法在PSB测试集检索效果的 Nearest neighbor、first tier、second tier、E-measure、Discounted Cumulative Gain值对比，其中Original表示改进前原始方法，Weighted表示本文提出的改进后加特征权值方法，Enhancement Ratio(%指用百分比表示的检索效果提高率。由表1可以看出对于各种不同的评价指标，本文方法都要优于原始方法，其检索效果分别提高了14.52%、17.61%、14.24%、22.38%和19.42%。

表1 两种方法使用不同评价方法的检索效果对比

图3 原始特征和加权特征的检索效果P-R曲线对比

图3给出了本文方法和原始方法使用PSB测试集和Precision-Recall的检索效果曲线对比。其中Original和Weighted分别代表原始方法和本文方法的检索效果。由图3可以看出，本文方法对原始方法在检索效果上有了显著的提升。

4 结束语

本文对基于内容的三维模型检索的特征提取方法进行了研究。提出了在三维模型检索的特征提取时依据提取的特点进行加权的检索方法，并将此方法应用到基于球面调和的三维模型检索方法中，通过依次对采样稀疏的球面增大权值的方法来获取采样数据。本文在PSB测试集上对两种方法进行三维模型检索实验，并应用多种不同的指标进行对比。实验结果表明本文方法优于原始方法。

［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］徐敬华，张树有.基于形态分布图与BP神经网络的三维模型检索方法［J］.浙江大学学报:工学版，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，讲师，工程师，从事研究方向:电子信息