三维数字化模型处理技术的快速发展和广泛的应用,为工业设计、文物考古等领域提供了丰富的技术手段和海量的数字资源。如何充分利用好这些资源,以提高工作效率、降低工作成本,三维模型特征提取算法研究是其中的关键,研究成果具有极大的理论意义和实用价值。本文依托多项国家自然科学基金项目,在深入分析研究已有三维特征提取方法的基础上,针对三维模型几何特征多变、结构复杂的特点,综合利用拓扑特征、微分几何和局部显著特征等方法,在三维曲面形状分析、特征提取与分类方法等方向进行重点研究,并将其应用于计算机辅助破碎文物修复的碎块模型分类标注当中。研究的主要创新点有:1.提出一种基于测地距离和法向夹角的特征提取方法。依据三维模型顶点在空间中相互之间的关联属性信息,将反映三维模型拓扑性质的测地距离和反映模型几何形状变化的法向量相结合。首先,以模型三角面片的面积为权值,均匀地从模型表面提取随机采样点;其次,计算出采样点间的测地距离和对应的法向量角度,统计对应区间的角度和测地距离值出现的概率构建特征矩阵;最后,使用距离计算公式获得相似度。实验表明,提取出的特征能够有效地反映模型的拓扑差异性,在查全率和查准率方面优于欧氏距离方法。2.提出一种基于三维模型曲面类型分布的特征提取方法。首先,计算三维模型曲面的曲率信息,根据曲率分析局部曲面几何形态,确定曲面所属类型;其次,将曲面类型和距离分布相结合,获得不同曲面类型出现的概率,构建距离和曲面类型分布特征矩阵;最后,通过比较特征矩阵进行相似性比较。由于特征不仅包含模型整体形状的统计信息,还包含有局部曲面几何属性,因此对于拓扑特征差异不明显但具有复杂曲面的模型具备良好的区分性能。3.提出一种基于曲面类型的文物碎块模型局部特征提取方法。将曲面类型信息应用于甲胄模型的局部特征提取当中,首先,计算文物模型局部曲面的类型特征;其次,根据其类型特征使用区域生长和扩张搜索方法获得模型的局部几何特征;第三,将局部特征结合先验知识创建模板库;最后,通过比较模板和待检测模型的局部几何特征的相似度实现对甲胄模型的分类。实验结果表明,方法对于甲胄碎块模型表面的局部规律性特征具有较好地识别的效果。4.提出一种基于局部显著特征的文物碎块模型部位标注方法。为提取不同部位碎块模型上“有意义”的局部特征,引入改进的局部显著特征函数。首先,计算模型顶点的曲率指数值,再采用中值滤波和均值滤波对数值进行处理;其次,利用二次曲面拟合技术迭代生成局部特征面片,以特征面片曲率指数极值和面片面积为参数引入显著函数,计算出面片的显著指数,进而获得碎块模型的局部显著形状特征;最后,基于快速排除策略的局部和整体匹配方法将样本库中的模型与待标注碎块模型比较,根据计算结果实现碎块模型的部位标注。实验表明,本文方法提高了文物碎块模型部位分类标注的准确率。