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1、第 l 8卷第 9 期 2 0 0 8 年 9 月 计 算 机 技 术 与 发 展 COMP UTE R TECHNOL OGY AND DEVE【oPM匮NT V0 1 1 8 No 9 S e p 2 0 0 8 一种多特征动态集成的 3 D模型检 索方法 李得亮，秦茂玲(山东师范大学 信息科学与工程学院，山东 济南 2 5 0 0 1 4)摘要：基于内容的 3 D模型检索是多媒体信息检索的热点研究问题之一，其主要的问题是提取 3 D模型的形状特征，但是 采用单一特征很难保证检索系统对于任意输入查询模型都有很好的检索准确率。为了提高准确率，引人多种形状特征，通过加权求和在输出层融合，得到总
2、体上模型间的相似度。每种特征采用动态权值，针对输入查询模型的不同，根据用户 反馈对知识库中的权值 自动更新。采用了形状分布特征和球面调和特征进行系统的建模，实验表明，文中方法比采用单 特征检索的准确率大大提高。关键词：三维模型检索；多特征；动态权值；反馈 中图分类号：】13 9 1 4 1 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3 6 2 9 X(2 0 0 8)0 9 0 0 3 0 一 o 4 3 D M o d e l Re t r i e v a l Ba s e d O n M u l t i _。Fe a t u r e Dy na mi c I t e r g r a t i o
3、 n LI De-l i a n g，QI N Ma o-l i n g (I n s t i t u t e o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g，S h a n d o n g N o r ma l Un i v e r s i t y，J i n a n 2 5 0 0 1 4，C h i n a)A】：Th e c o n t e n t b a s e d 3 D mo d d r e t r i e v a li s o n e o ft h e h o t r e s e a r c h
4、 p r o b l e msint h emult i me d i ai n f o r ma t io nret r i e v a l。a n dt h e ma i n p r o b l e m i sh o w t od i s t i l l 3 D mo d e ls s h a p ef e a t u r e s Bu t s i n g l ef eat u r ei s n o t e no u g ht od e s c rib et h e s h a p eof 3 D mo d e ls Pr e s e n t a me t t x x t b yi t e
5、 r g r a t in gmult i f eat u r et oi mp r o v eret r i e v a l a c c u r a c y Twof eat u r e s a r e u s e dandeac hf eat u r e h a s awe ig h t Th e s ef eat u r e s a r e s y n e r e t iz e d o u r p u t l a y er B yp l u s ing t h e t w o r e s u lt s o f t h e f e a t u r e s wi t ht h e i r w
6、e igh t s c a ng e t t h ew hol e r e s ult A c c o r d ing t ou s e r s f e e d b a c k，the s y ste l n e ban g et h ewe ig h t s o feac hf eat u r ed y n a mi c a l l yEx p e r i n e n t s s ho w r e t r i e v a l a c c u r a c y h a s ag r eat e ri mp rov e me n tt h a n o n s i ng l ef eat u r e
7、 Ke y w 咖 s：3 D mo d e l ret r i e v a l mu l t i f eat u r e s；d y n a mi c we ig h ts f e e d bac k O引 言 三维模型作为一种新媒体，其应用越来越广泛。随着三维建模工具和扫描装置的改进，以及计算机软 硬件技术的发展，每天都有大量模型产生并被传播，因 此，迫切需要对三维模型进行有效的管理和检索。虽 然基于文本的检索技术较成熟且应用广泛，但并不能 有效检索三维模型-1 J。基于内容的检索技术是根据模 型的实际内容(如几何形状、拓扑结构等)进行 自动检 索，由于人为干预较少，已经成为研究热点。基于
8、内容 的三维模 型检索技术的研究重点是三维模型的特征 提 取、特征描述和特征 比较。形状 特征提取 方法主要包 括基于统计特性的形状特征、基于几何结构分析的形 收稿 日期：2 0 o 7 1 2一o 4 基金项目：国家自 然科学基金资助项目(6 9 9 7 5 0 1 0，6 O 3 7 4 O 5 4)；山东 省自 然科学基金资助项 目(Y 2 0 o 3()o 1，0 o 4 G O 2)作者简介：李得亮(1 9 8 3一)，男，山东济南人，硕士研究 生，研究方向 为三维模型检索、图像处理；秦茂玲，副教授，硕士生导师，研究方向 为实体造型、图像处理等。状特征、基于拓扑关 系的形状 特征 和
9、基 于视觉 的形 状 特征。任何一种特征都有其优缺点，B u S 瞄-2 J 的实验 证明：采用单一特征很难保证检索系统对于任意模型 都有很好的检索准确率。集成不同的形状特征可使它 们优势互补，能更 好地 描述 三维模 型特征。因此采 用 特征集成是提高检索准确率的有效方法【3-6 。在采用特征集成进行模型检索时，对用户给定的 输入查询，不同特征所表现出来的检索性能是有差异 的。文中对不 同特征分配不同的权值来度量这种差 异，并通过输出层的加权求和得到总体的相似度。但 同一种特征当输入的查询模型不同时，检索性能也有 很大差异。文中对数据库中的每个模型建立了权值知 识库，存储了针对不同的查询模型
10、各个特征所应具有 的权值。知识库中的权值是基于初始值动态调整的，其调整基于用户对检索结果的反馈。用户可以对检索 结果进行打分衡量，权值调整算法则根据用户的反馈 结果，自动调整知识库中的相应权值。权值调整算法 是一个收敛的算法，当反馈次数达到一定程度，权值会 趋于一个稳定分布，检索性能将不再变化。维普资讯 http:/ 第 9期 李得亮等：一种多特，征动态集成 的 3 D模型检索方法 3 l 1 基于反馈的多特征集成 1 1 采用动态权值集成多特征 在采用 多特征进行 模型 俭索 时，对用户给定的输 入查询，需要对不同特征描述所得 到的相似度分配不 同的权值，以度量不同特征所表现 出来的检索性能
11、 的 差异。设模型数据库共有 N个模型，系统采用的形状 特征的数 目为 L，对 于数据库中的第 i 个模型Mi，其采 用多特征描述 的总相似度 S i m，可 以采用加权 和来 表 刁：S i m=s i州，J=1，2，L (1)其中s 嘶 表示采用特征 F，时得到的查询模型和数据 库 中模型 之 间的相似度，户，表示对当前用户提交的 查询实例每一种特征所具有 的权值。如何 确定 成为 多特征描述的一个关键问题。一个比较简单的方法是为每种特征定义一个 固定 权值。但是，对于用户提交的不同查询实例，同一种特 征所表现出来的检索性能是不一 样的，即某种特征所 表现的检索性能与所输入 的查询实例 密
12、切相关。图 1 和图 2给出了采用形状 分布特征 时的查询结果，其 中 的第一列表示用户提交 的查询模型。对于鱼模型采用 该特征可以得到很好的检索结果，但对于电视模型，该 特征 的检索结果会很糟。因此，应该 根据输入查询模 型的不 同，采用不 同的权值。冒冒冒囵口 图 l 输入查询为鱼类时的检索结果 囵日啊园 图 2 输入查询为电视 时的检 索结果 1 2 建立模型的权值知识库 建立一个权值知识 库，对模 型数据 库 中的每一个 模型，给定，t 1，N，1，L，用于度量输 入检索模型为 采 用特征为 F，时具有 的检索性能。故对 于每个三维模型 M，都有NL个 值，这些 值 将组成检索 系统的
13、知识 库，用 于检索过程。初始化 时，将 训 值设 为平均值 1 L，然后根据用户对检索结果 的 反馈，动态地 更新 这些权值。当用户输 入查询模 型 Q 时，系统需要两步来完 成相似度计算过程：1)确定特征权重。2)根据式(1)计算查询模型和数据库 中每个模型 的总相似度。对 P，的确定采用如下的过程：输 入查询模型 Q，单独：采用 F 为形状特征，对计算得到 的相似度 S i 叫 进 行排 序，b e s t，=ma x(S i n )，i=1，N，即 b e s t，代表采用特征 F，时，数据库中和查询模型 Q最相似的 模型。则：=是=b e s t j (2)采用式(2)得到最优权重
14、基于这样 一个 思想：当 采用某一类特征进行 模型检索时，由于输 入的查询模 型是不确定 的，无法 度量对于任意的查询模 型某一种 特征所表现出来的检索性 能。因此采用一种 近似的方 法：首先 在 数据 库 中找 到和 查询 模型 最 相似 的模 型 b e s t，把采用该模型进行检索时得到的检索性能 作 为查询模型的权值。l-3 基于用户反馈的权值更新 权值 P，选择于系统知识库 中的某个 叫 值，值 可 以在初始值 的基础上动态调整，采用基 于用户反馈 的更新方法。通过用户评价分析不 同特征对 当前输 入 模型所表现出来的检索性能，从而完成权值的动态更 新。权值更新采用如下算法l 7 J
15、。设集合 R T C MS是采用多特征描述返 回的检索 结果，对集合中的每个模型，用 户可以对其进 行评 价。其 评价参数 S c o r e 定义如下：f 1 l S c o r e=0 L 一 1 相似的 不确定的(3)不相似的 在式(3)中，若 S c o r e 等于 1，表 明该模型是用户期 望的结果；而等于 一1 表 明检索 到的模型和用 户查 询 是不相关的；等 于 0是一个临界状态，表 明对该模型用 户很难做 出一个确定的判断。类似地，记单独 采用 特征 F，得 到 的检 索结果 为 R c MS。显然，集合 R 和R T存在一定的交集。在 交集 中，若用户表 明相似的模型越多
16、，则表明该特征对 输 入模型所表现出来的检索性能越好；反之，若不相似 的模型越多，则表明该特征对输 入模 型不是一 种理想 的形状描述符。对于模型库 中的任一模型，其不 同特征 对应的初始化权值取为平均值 1 L。设 表示对于当前的查询模型，采用特 征 F，时 根据用户 的反馈，权值所应 调整幅 度，其初 始值设 为 0，则采用式(4)更新权值：a x le=a x le+S c o r e，i=1，N(4)这里 S c o r e 表示属于集合 R7 了中第 i 个元素的评 价参数。若该元素属于集合 R 和RT的交集，则该值 对应的是用户指定 的反馈值；否则该值 为 0。则最终 的 值表明
17、了特征 F，对 当前 查询模型 的检索 性能。将 维普资讯 http:/ 3 2 计算机技术与发展 第 l 8卷 进行归一化：=“，L (5)然后，将知识库中的初始权值 加上调整值来更 新权值：=+(6)这里 是与查询模型Q最相似的模型 的权 值。将权值 归一化：”，L (7)把归一化后得到的权值写入知识库，从而完成权 值的更新。这些权值将在下一次检索中被使用。对于 用户反馈，它有一个收敛的过程，已经证 明 ，当反馈 次数达到一定程度，权值会趋于一个稳定分布，检索性 能将不再变化。2 系统建模及分析 采用下面两种特征进行检索系统集成建模：(1)形 状分布直方图 8 ；(2)球面调和特征 9 l
18、。2 1 形状分布特征 O s a d a 提出一种基于形状分布的特征。这个算法 首先使用一个几何函数来计算三维模型顶点的形状特 征，然后获得形状特征分布直方图，最后通过比较形状 特征分布直方图的相似距离来获得三维模型的几何相 似性。这里采用 D 2距离作为几何函数。算法过程如下：1)首先对三维模型进行固定顶点数采样，顶点采 样方法如图3所示，首先计算两个随机数字 r 1 和 r 2(O r l，r 2 0 其中(0，妒)是球面调和分析的正交基，是频 带宽度，1 7 2 是每个频带下的频率分量，(z)是 L e g e n d r e 多项式。算法首先将三维模型的重心移至坐标原点，然后 通过扩
19、展高斯图像的方法体素化模型，得到三维模型 的球坐标函数，利用快速球面调和变换算法 F S H T进 行球面调和分析，取带宽为 6 4，最后通过球面调和分 析系数的模值来比较三维模型的相似性。2 3 实验结果及分析 实验系统是一个本机的数据库系统，系统将上面 两种特征集成，按照第 1 节的方法建立权值知识库并 初始化权值，以文件的方式输入查询模型，通过打分反 馈来评价检索结果，一般在经过 2到 3次的反馈过程 检索结果就不再变化。可通过重复这一过程训练知识 库，最终可使知识库内的权值得到合理的结果。实验 采用的三维模型是笔者从网络上下载的，并经转化，将 所有模型文件转化为 O b j 格式，以便
20、进行统一处理。实验中模型数据库共有 1 2 0 个三维模型，分为鱼类、汽 车、飞机等 1 6 大类。检索结果如图 4 和图 5 所示。图 4 输入的查询模型 通过实验可以看出，特征集成比单特征的检索性 能有了较大的提高，准确率增强。图 6是对检索性能 的比较。3 结束语 随着 3 D模 型 的广泛 使用 和 网络的发 展，基 于内 容的 3 D模型检索技术具有很大的研究价值和应用前 景。目 前已经提出了多种形状特征的提取方法，但是 采用单一的形状特征很难保证系统对任意的输入查询 模型都具有很好的检索准确率。为了解决这一问题，可以采用多种特征集成 的方法，以实现特征 问的优势 互补。文中讨论 了
21、对多特征进行集成的方法，提出了 维普资讯 http:/ 第 9期 李得亮等：一种多特征动态集成的 3 D模型检索方法 3 3 圈园圈图圜 采用形状分布特征得到的检索结果 图园图国图 采用球面调和特征得到的检索结果 田圈田园圈 采用特 征集 成得 到的检索 结果 图 5 检索最终结果 Re c 挂I I _ 一形 状分布 占一 球面 调和 +一合成 图 6检 索性 能 比较 采用动态权值集成多种特征，建立模型的权值知识库，采用用户反馈 的方法更新权值。实验表明文中方法具 有较好的效果，能够较 大提高系统检索 的准确 率。在 今后的研究中，多特征集成方法仍将是研 究的重点，如 何将非形状描述的知识
22、信息融入到检索系统中也将是 一个需要解决 的重点问题。(上接 第 2 9页)换数据包延迟时间为 TA；轨 内链路一次受区域变换数 据包延迟时间为 T ；数据包 从源端到 目的端所经过 的 路径中有 N次轨 内链路、M 次轨间链路)数据包可能 的延迟时间 了 M*T A十 。所 以，在数据包转 发 有多条路径可供选择 时，优先选择轨 内链 路发送，这样 可以降低数据包的传输延迟。4 结束语 提 出了一种基于移动 A g e n t 的卫星网动态路由算 法 该算法考虑了 L E O ME O卫星网络 的基本 特性，以及卫星节点动态移动导致 的链路切换等 因素，采 用 r类似地面距离矢量 的方法，以
23、地面逻辑地址 作为数 据包的转发依据，并将移动 舷e r t 的自主性和移动性 运用在路由信息的继 承方面，可以 说这是一个 比较 新 参考文献：1 Mi n P，H al d e r ma n j A，K a z h d a n M，e t a1 E a r l y E x p e r i e n c e s w i t h a 3 D Mo d e l S e a r c h E n g i n e C I n P r o c 0 f We b 3 D S y mp o s i u m I s e n b u r g，F r a n c e：s。n ，2 0 0 3；7 1 8 2 B u
24、 s t o s B，K e i m D A，S a u p e D，e t a1 A u t o m a t i c S e l e c t i o n a n d Co mb i n a t i o n o f De s c r i p t o r s f o r Ef f e c t i v e 3D Si mi l a r i t y S e a r c h C I E E E I n t e r n a t i o n a l Wo r k s h o p o n Mu l t i m e d i a C o n t e n t b a s e d A m l y s i s a n
25、 d Re tr i e v a 1 Mi a mi，F l o r i d a，U S A s n，2 0 0 4：5 1 4 5 2 1 3 K i t-t i e r J，H a t e f m，D u i n RPW O n c o m b i n i ng c la s s i f ie r s J I E EE Tr a m o n P a t t e rn y s i s a n d M a c h i n e I n t e l l i g e n t，1 9 9 8，2 0(3)：2 2 62 3 9。4 高波涌，莫国良，张三元 基于混合形状特征的三维模型检 索研究与实现 J
26、 计算机应用研究，2 0 0 7，2 4(4)：2 2 1 2 2 3，5 章志勇，潘志庚，李黎累进三维模型相似匹配算法 J 计算机辅助设计与图形学学报，2 0 0 5，8(8)：1 7 6 0 1 7 6 5 6 郑伯川，张征。特征间互补性结合使用的 3 D模型检索技 术 J 。重庆邮电学院学报：自然科学版，2 0 0 6，1 8(1)：1 1 9 1 22 7 R u i Y，H u a n g TS，O r t e g a M，e t al，R e l e v anc e f e e d b a c k：A p o w e r t o o l f o r i n t e r a c t
27、i v e c o n t e n t b a s e d in 诅 g e r e t r i e v al J I E E E T r a n s a c ti o n s o n C i r c u i t s an d Vid e o Te c h n o l o g y，1 9 9 8，8(5)：6 4 46 5 5 8 O s a d a R，F u n k h o nse r T，C h a z e l l e B，e t a1 S h a p e d i s t r i b u t i o ns J A C M T r a n s a c t io n o r i G r a
28、p h i c s，2 0 0 2，2 1(4)-8 0 7 8 3 2 9 K a z h d a n M，F u n k h o u s e r T，R u s i n k i e w i c z S R o t a t io n i n v a r i ant s p h e r al h a r mo n i c r e p r e s e n t a t io n o f 3 D s h a p e d e s c r i p t o r s C C o m p u t e r G r a p h i c s P r o c e e d i ng，A n n u al C o n f
29、 e r e n c e S e ti e s L o s An I e l e s：AC M S I GGRA P H，2 0 0 3：5 61 6 4 颖的卫星网路 由算法。参考文献：1 王汝传，李映，徐小龙，等 基于移动代理的动态路 由算 法的研究 J 计算机学报，2 0 0 5，2 8(3)：4 2 0 4 2 6 2 W a r s c r o t u J，P r a s a d R I P A T M移动卫星网络 M 谷深远，黄国策译 北京：电子工业出版社，2 0 0 3 3 王晓梅 胡鹏，冉崇森 宽带卫星网络路 由交换问题的思 考 J 无线通信技术，2 0 0 3(4)：5 3 5 9 4 王汝传，徐小龙，黄海平 智能 A g e n t 及其在信息网络中的 应用 M 北京：北京邮电大学出版社，2 0 0 6 5 孙屹，盂晨 O P N E T通信仿真开发手册 M 北京：国 防工业出版社，2 0 0 5 6 O P N E T M o d e l e r H o me p a g e E B O L 2 0 0 5 h t t p：o p n e t o o n 1 0 S 毒 1，【l 0 I(1 维普资讯 http:/