三角网格模型及基于RBF隐曲面方程求解的曲面重建


资料来源:径向基函数和神经网络技术在逆向工程中的应用研究(博士论文:王宏涛)


RBF神经网络模型

    RBF神经网络起源于数值分析中多变量插值的RBF方法,1988年Broomhead等人首先将该算法应用于神经网络的设计,从而构成了RBF神经网络。

    RBF神经网络是一种由输入层、隐层和输出层组成的三层前馈型网络,其结构简图如图2.3所示[120]。输入层节点只传递输入信号到隐层,从输入层到隐层的变换是非线性的,隐层节点由一定的作用函数构成,从隐层到输出层的变换是线性的。输入层到隐层之间的权固定为1,只有隐层到输出层之间的权可调。

    隐层的变换函数是一种局部分布的、对中心点径向对称衰减的非负线性函数,其常用的函数形式是高斯函数


式中,phi j 为隐层第j个单元输出;X=[x1,x2,...,x n ] T ,为输入矢量;||·||表示范数,C j 为隐层第j个高斯单元的中心;σ为半径。
网络的输出可表示为:
常用的RBF为
1.薄板样条函数(thin-plate splines):φ(r )=r2klogr,k为自然数;
2.多重二次函数(multiquadrics):φ(r)=(r2+c 2)β,β>0,β不为自然数,c为常数;
3.逆多重二次函数(inverse multiquadrics):φ(r)=(r2+c2)β,β<0,c为常数;
4.高斯函数(Gaussian):φ(r)=exp (?cr2),c>0,c为常数。
通常薄板样条函数用来拟合具有两个变量的光滑函数;多重二次函数适用于许多场合,特别适用于拟合地形数据;高斯函数一般用于神经网络。拟合具有三个变量的函数,效果较好的RBF是双调和样条函数(biharmonic)φ(r)=r和三调和样条函数(triharmonic)φ(r)=r 3 。[40]


2 基于RBF的隐式曲面
曲面插值问题可表述为:给定R3中曲面S上的n个散乱数据点{(x,y,z)|i=1..n},找到一个插值S的曲面S′。如果运用一个隐式函数f定义曲
面S′,则在曲面S上的n个散乱点满足方程
f(x,y,z)=0, for all p,
约束
f(x,y,z)=hi <> 0

综上所述,曲面插值问题就变成了散乱数据点插值问题:给定R3空间的n个散乱点Ps及其对应的约束值{hi},如果可以构造一个函数f(r),对每一个散乱点都满足f(ci)=hi,则由这些散乱点可以定义一个隐式曲面方程f(r)=0。定义二阶可微函数f的薄板能量函数为[86]
该能量函数反映了函数f在R3上的光滑程度,因此曲面的光滑性可用能量值来衡量,如果曲面上不存在褶皱等曲率变化急剧的区域,则能量值较低。在f(c)=h的插值约束条件下求解插值函数f,使薄板能量函数的值最小,此时求得的插值函数f的形式为RBF形式[87、93]
式中,r表示生成的曲面上的任意点,r=(x,y,z);c表示定义该方程的散乱点,c=(x,y,z);w表示对应于每一个散乱点的实数权值;P(r)是一个一阶多项式,对任意一点r,P(r)的形式为
P(r)=p0+p1*x+p2*y+p3*z,
φ(r-c)是RBF,本文采用的RBF形式为三调和样条函数φ(r)=r 3
三角网格模型及基于RBF隐曲面方程求解的曲面重建_第1张图片

三个网格法矢量:

图1示意出了三角网格模型的各单纯形的邻域,对图中用方形所示的任意顶点v,其一重邻点为图中所示的黑圆点,其二重邻点(即顶点v的一

重邻点的一重邻点)为图中所示的黑三角点,其邻边为图中所示的粗黑线,其邻三角片为图中所示的阴影中的各三角片。


如图2所示,对三角网格曲面M中的一个顶点vi,设其有m个一重邻点vj(j=1,2,…m)∈nbhd{i},则其有m个邻三角片f

j(j=1,2,…m)。设nj是fj的单位法矢,di,j是eij的长度,采用柯映林[108]从力学角度给出的单位法矢加权叠加的方法,可计算顶点vi的法矢Ni

eq1


在不少文献[123~125]中,用相邻三角片法矢与三角片面积的加权来获得顶点的法矢,设Nfi是三角片fj的法矢,Aj是三角片fj的面积,顶点vi的法矢Ni为:



[108] 柯映林.散乱数据几何造型技术及其应用研究[博士学位论文].南京,南京航空航天大学,1992.


[123] Taubin G.Estimating the tensor of curvature of a surface from a polyhedral approximation.In:Proc.5th Intl.Conf.on Computer Vision(ICCV’95),1995:902~907. 

[124] Biermann H,Levin A,Zorin D.Piecewise smooth subdivision surfaces with normal control.In:K.Akeley ed.,Proceedings of SIGGRAPH’2000.Boston,MA:Addision Wesley Professional,2000:113~120.

[125] Page D L,Koschan A,Sun Y,et al.Robust crease detection and curvature estimation of piecewise smooth surfaces from triangle mesh approximations using normal voting.In:C.E. Brodley,A.P.Danyluk ed.,Proceedings of the International Conference on Computer Vision and Pattern Recognition 2001.San Francisco,CA:Morgan Kaufmann,2001:162~167.




[126]周儒荣,张丽艳,苏旭,等.海量散乱点的曲面重建算法研究.软件学报,2001, 12(2):249~255.


[129]刘利刚,王国瑾.基于球面三角网格逼近的等距曲面逼近算法.工程图学学报, 2000(3):70~74.




 

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