论文一起读 | CWF: 在高质量网格简化中整合弱特征

文摘   科技   2024-10-18 13:36   广东  

导读

本文是VCC陈佳乐同学对论文 CWF: Consolidating Weak Features in High-quality Mesh Simplification 的解读,该工作来自山东大学、德克萨斯大学达拉斯分校、青岛科技大学、得克萨斯农工大学、韦恩州立大学和香港大学,并被发表在计算机图形学顶级会议SIGGRAPH 2024上。 

项目主页: 
https://ruixu.me/html/CWF/index.html
项目代码: 
https://github.com/Xrvitd/CWF

该工作提出了一种新的目标函数,能够在网格简化中同时考虑精度、三角形质量和特征对齐这三个关键需求。该方法还引入了一种衰减权重技术,以减少两个能量项之间的冲突,从而更好实现了弱特征的保留和整合

注:本文图片与视频均来自原论文与其项目主页。



I


 引言 

在计算机图形学和几何处理领域,三角网格简化(Mesh Simplification)技术是一项重要的研究课题,旨在通过减少网格的复杂度,在保证视觉保真度的前提下提升计算效率。网格简化在实时渲染、移动应用、增强现实(AR)和虚拟现实(VR)环境等应用中具有广泛的实际意义,尤其是在有限的计算资源和带宽条件下。


现有的网格简化算法通常在准确性、三角形质量和特征对齐之间进行权衡(trade-off)。例如,Quadric Error Metrics (QEM) 方法在保留强特征线和点方面表现良好,但在确保三角形质量和保留弱特征方面却有所欠缺。相反,一些基于Centroidal Voronoi Tessellation (CVT) 的方法通过优化点的分布来维持网格的均匀性,但在特征对齐上表现较弱。

本次导读论文介绍了一种新的目标函数,旨在同时满足网格简化中的多个关键需求:准确性、三角形质量和特征对齐。本文提出了一种包含法向各向异性(Normal Anisotropy)和CVT能量项的平滑函数,通过可移动点的优化来实现这些需求的平衡。通过引入了衰减权重,进一步减少法向各向异性项和CVT能量项之间的冲突,自然地协调这两个能量项。实验结果表明,本文提出的目标函数在引入衰减权重后,有效减少了两个能量项之间的冲突,从而更好地实现了弱特征的对齐。此外,这一独特的特性还展现出在形状理解方面的巨大潜力。

II


 技术贡献 

本工作主要贡献如下:

  • 提出了一种新的目标函数,旨在同时满足准确性三角形质量和特征对齐的要求,并能够在这三个方面实现有效的平衡;

  • 提出了一种衰减权重的方法,逐步减少CVT能量项的影响,从而自然平衡两个能量项。


III


 方法介绍 

CWF方法提出了一种新的目标函数,旨在同时满足准确性、三角形质量和特征对齐的要求。给定N个可移动的点  作为输入,通过在每次迭代中交替进行两个关键步骤来优化这些点的位置。首先根据每个点与其他点之间的距离,将整个表面分解成若干个独立的区域。每个区域与一个点对应,这些点负责控制各自区域内的几何形状。然后在这些分解后的区域中优化点的分布,使得这些点在其控制区域内的排列更加均匀合理。


目标函数
本文提出了一个新的目标函数,即一个能量函数: 其中,  和  表示法向各向异性项和CVT项。  主要关注强弱特征对齐和  保持网格的精度,  主要关注网格简化后的质量。法向各向异性项在论文[1]定义为:  
其中,  表示分解后的表面,通常为受限Voronoi图(RVD)。  表示法向各向异性矩阵,量化了向量与点处法向量的正交程度。CVT项定义为:
通常来说,对于主要有以下三种选择: 
1)表示欧几里得线距离的单位矩阵;
2)在曲面上编码密度函数的各向同性矩阵;
3)使用各向异性张量来捕捉表示方向变化的各向异性矩阵。
总的来说,本文提出的目标函数可以表示为:其中内核矩阵M被定义为:
衰减权重
在一些简单的几何模型(如标准立方体)中,法向各向异性项可以被完全消除(即其值可以趋近于零),但CVT项不能被完全消除。而在复杂的模型(如Bunny模型)中,法向各向异性项不可能趋近于零,因为这些模型的表面特征更加复杂,需要法向各向异性项来描述特征的变化。这说明目标函数中的两个能量项之间的平衡难以维持,为了解决这个问题,本文提出了在优化过程中权重衰减的机制。

在优化开始时,给法向各向异性项和CVT项设定初始的权重。通常,初始时两个项的权重是相等的,或者根据模型的需要,CVT项的权重可能会稍大一些,以确保优化初期点的均匀分布。

随着迭代的进行,CVT项的权重逐渐减小。这种衰减通常按照一个预定的比率(例如每次迭代后乘以一个小于1的常数,即  =0.95)进行,如下所示:
通过这种机制,使得优化在初期更关注于点的均匀分布,而在后期更多地关注特征的对齐和保持。当CVT项在优化的过程中出现增加的情况,说明点的分布开始变得不均匀,三角形的质量开始下降,此时为保证网格整体的质量,需要停止优化,停止优化可以根据以下公式: 其中,  表示从第0次迭代到第  次迭代期间,所有迭代中CVT项的最小值。  是一个常数因子,通常被设置为1.05,用于判断当前的CVT项是否超过了之前迭代中出现的最小值的5%。此外,当梯度范数小于  时,说明优化的目标函数已经接近极值点,继续迭代意义已不大,也需要停止优化。

IV


 部分结果展示 

本文首先展示了在几何处理中,强特征通常表现为局部区域内法向量的剧烈变化,而弱特征则是大尺度范围内的微妙形状变化。通过对莫比乌斯环模型的测试,本文发现以往的方法QEM [1]和LpCVT [2]在捕捉这些弱特征线方面存在困难,无法充分保留重要的几何信息。相比之下,本文提出的算法在保留弱特征方面表现出显著优越性,能够更有效地处理复杂几何简化任务中的微妙形状变化,如图1所示:

图1 不同方法在莫比乌斯环模型上保留弱特征的效果对比

如表1、表2、图2和图3所示,本文在ABC数据集和有机模型上进行了大量对比实验,系统评估了提出的方法与现有SOTA方法的性能。实验结果表明,本方法在保持网格特征、提高简化质量方面显著优于其他基线方法,尤其在处理复杂几何结构和弱特征保留方面表现出色,显现出更高的精度和一致性。CVT [3] 优化Voronoi站点位置,实现高质量三角剖分,但难以保留复杂特征。LpCVT [2] 扩展了CVT,更好保留特征,但仍面临平衡特征保留和网格质量的挑战。QEM [1] 通过最小化二次误差简化网格,支持用户指定面片数,但在保持高质量三角形方面表现不足。SMS [4] 使用谱方法简化网格,但在多样几何结构中保留特征能力有限。IEM [5] 在QEM基础上保留内在特征,但处理复杂形状时仍有困难。LPM [6] 提取低分辨率等值面,并逐步简化表面,但可能导致细节丢失。PQ [7] 通过概率框架实现高效稳健的网格简化,显著提升一致性和抗噪性。MD [8] 提供灵活的网格简化模板,但在复杂几何结构中调参繁琐。ERB [9] 平衡几何保真度与网格质量,但不支持指定目标点数量。


表1 本方法与各类方法在ABC数据集上的定量对比

表2 本方法与各类方法在有机模型上的定量对比

图2 本方法与各类方法在ABC数据集上的定性对比

图3 本方法与各类方法在有机模型上的定性对比


V


 总结与展望 
网格简化算法在计算机图形学的各领域中扮演着至关重要的角色。通过减少网格模型中的顶点和面片数量,网格简化算法能够显著降低数据处理和渲染的计算复杂度,从而加快渲染速度、减少存储需求,并提升交互体验。本方法的核心在于通过平衡法向各向异性项和CVT项,实现准确、高质量、特征对齐的网格简化。大量实验验证了该方法在保留关键特征的同时,显著提高了网格简化的质量和准确性,使其在各类应用场景中表现出色。

本方法的主要局限在于:由于缺乏能够计算各向异性受限Voronoi图(RVD)的强大求解器,本方法未能充分发挥生成与感兴趣特征对齐的各向异性网格的潜力。其次,本方法实现效率较低,需要GPU加速来提升性能。此外,当目标点数量过少时,RVD策略可能无法定义流形三角网格,导致非流形伪影的出现,特别是在输入数据存在自相交的情况下,这可能会生成非流形的顶点或边。如何提出一种解决这些局限性的算法是一个值得探索的方向。

VI


 思考与讨论 
Q: 本方法是否能够处理非流形的输入? 
A: 本方法主要针对的是生成流形网格,对于非流形模型的输入,可能存在一定的限制。具体而言,由于本方法在优化过程中依赖于受限Voronoi图(RVD)的策略,而RVD策略在处理非流形结构时可能无法定义有效的三角网格,输入非流形模型可能导致算法生成非流形的顶点或边,甚至产生不理想的网格结果。因此,本方法在处理非流形输入模型时,可能无法达到预期的效果。 

Q: 为什么本方法在优化过程中需要对CVT项的权重进行衰减,而不需要对法向各向异性项进行衰减? 
A: CVT项的权重需要衰减是为了在简化初期确保点的均匀分布和三角形质量,随后逐步减少其影响,以便在后期更关注特征的保留。持续较高的CVT权重可能会影响特征对齐。而法向各向异性项专注于特征对齐和保持,这是简化过程的核心目标,因此无需衰减,保持其稳定权重能够确保特征在简化过程中不丢失。

以下是开放性问题,欢迎读者朋友留言讨论: 
Q: 本文采用了固定衰减权重来平衡两个能量项,那如何通过深度学习的方法来动态学习和调整这两个能量项之间的平衡关系或是添加一些其他的能量项作为约束,以适应不同几何模型的特性和优化需求?

-- End--



导 读 | 陈佳乐
审 核 | 黄惠
编 辑 | 申金、余鑫泉


参考文献

[1] Michael Garland, and Paul S. Heckbert. Surface simplification using quadric error metrics. Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques. 209-216, 1997. 

[2] Bruno Lévy, and Yang Liu. Lp centroidal voronoi tessellation and its applications. ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH). 29(4), 119:1-119:11, 2010. 

[3] Qiang Du, Vance Faber, and Max Gunzburger. Centroidal voronoi tessellations: applications and algorithms. SIAM Review. 41(4), 637-676, 1999. 

[4] Thibault Lescoat, Hsueh‐Ti Derek Liu, Jean‐Marc Thiery, Alec Jacobson, Tamy Boubekeur, and Maks Ovsjanikov. Spectral mesh simplification. Computer Graphics Forum. 39(2), 315-324, 2020. 

[5] Hsueh-Ti Derek Liu, Mark Gillespie, Benjamin Chislett, Nicholas Sharp, Alec Jacobson, and Keenan Crane. Surface simplification using intrinsic error metrics. ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH). 42(4), 118:1-118:17, 2023. 

[6] Zhen Chen, Zherong Pan, Kui Wu, Etienne Vouga, and Xifeng Gao. Robust low-poly meshing for general 3D models. ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH). 42(4), 119:1-119:20, 2023. 

[7] Philip Trettner, and Leif Kobbelt. Fast and robust QEF minimization using probabilistic quadrics. Computer Graphics Forum. 39(2), 325-334, 2020. 

[8] Leif Kobbelt, Swen Campagna, and Hans-Peter Seidel. A general framework for mesh decimation. Graphics Interface. 98, 43-50, 1998. 

[9] Kaimo Hu, Dong-Ming Yan, David Bommes, Pierre Alliez, and Bedrich Benes. Error-bounded and feature preserving surface remeshing with minimal angle improvement. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (TVCG). 23(12), 2560-2573, 2016.



深圳大学可视计算研究中心
Visual Computing Research Center
----------------------------------
https://vcc.tech


中心以计算机图形学、计算机视觉、可视化、机器人、人工智能、人机交互为学科基础,致力促进多个学科的深入交叉与集成创新,重点推进大规模静动态数据获取与优化融合、多尺度几何建模与图像处理、可视内容生成与仿真渲染、复杂场景重建与识别理解、三维移动协同感知与人机交互、智能模拟学习与强化认知、海量信息可视化与可视分析等方面的科学研究。

📫
转载及合作:szuvcc@gmail.com


深圳大学可视计算研究中心
深圳大学可视计算研究中心致力于大力提升可视计算科学研究与高等教育水平,以计算机图形学、计算机视觉、人机交互、机器学习、机器人、可视化和可视分析为学科基础,促进多个学科的深入交叉和集成创新。详见官网: vcc.tech
 最新文章