一种基于构造减材基元与高斯附着的CAD重建方法及装置

本技术涉及计算机视觉与计算机辅助设计中的三维重建，具体涉及基于多视图图像的参数化几何重建与可编辑cad建模技术。

背景技术：

1、随着计算机视觉、计算机图形学和计算机辅助设计（computer-aided design，cad）技术的发展，从图像、扫描数据或其他观测数据中恢复三维模型，已广泛应用于机械零部件数字化、产品逆向工程、虚拟装配和几何内容生成等场景。与仅生成三角网格、点云或体素模型相比，cad模型通常还需要具有明确的几何基元、构造关系以及孔、槽、凸台等可编辑特征，以便进行后续参数修改和工程应用。

2、现有基于点云、网格或体素的基元拟合方法通常需要先对三维输入进行分割，再将局部区域拟合为相应参数化几何单元，因此对三维输入质量以及基元分割结果具有一定依赖，当输入数据存在遮挡、噪声或局部细节缺失时，容易影响后续基元拟合结果。

3、现有神经辐射场以及三维高斯溅射方法能够直接利用多视图图像获得较好的外观重建效果，但其网络参数、密度场或自由分布的高斯单元通常缺少与cad几何基元及制造特征之间的明确对应关系。因此，当需要对重建结果中的孔径、槽宽、凸台高度等几何参数进行编辑时，外观表示与几何结构之间可能缺少稳定的关联，难以直接获得具有明确构造语义且便于参数化编辑的cad表示。

4、为提高三维模型的可解释性和可编辑性，现有技术还提出采用长方体、圆柱体、球体等几何基元，通过并、交、差等布尔运算构造目标对象。对于具有孔、槽、凹腔等减材特征的目标对象，仅利用参与构造的正基元通常需要较多基元进行近似表示，而采用负基元对主体结构进行减除能够更加直接地表达相应结构。但是，若正基元与负基元采用固定配对关系，可能在不存在减材特征的区域引入冗余基元，并增加参数优化过程中的耦合程度。

5、此外，在利用多视图图像对正基元和负基元进行联合优化时，仅依靠图像级渲染误差或整体几何误差，可能使多个正基元对同一区域产生冗余覆盖，也可能使负基元位于主体结构之外而未形成实际减除，或者使负基元过度侵入主体结构而破坏原有几何结构。因此，在保证负基元能够有效表达孔、槽及凹部等减材特征的同时，还需要兼顾主体结构的完整性。

6、不同目标对象所需的几何基元数量通常不同。现有基元重建方法可通过稀疏约束、筛选、剪枝或基元合并减少冗余基元，但对于承担不同构造作用的基元采用相同的紧凑化策略时，可能在减少基元数量的同时改变原有构造关系。例如，多个彼此嵌套或连续作用的减材基元可能共同形成具有层次结构的孔、槽或凹部，若直接进行合并，可能造成相应减材结构的几何层次丢失，从而影响后续cad特征的恢复。

7、另外，现有部分三维重建方法虽然能够获得参数化几何单元或边界表示，但几何单元之间的空间关系并不必然对应cad中的特征语义。若未进一步确定各基元之间的同轴、共面、邻接以及构造、减除等关系，则难以根据重建得到的基元组合直接识别通孔、盲孔、槽、凸台等cad特征，也不利于将针对cad特征的编辑操作转换为相应几何参数的更新。

8、因此，在基于参数化基元进行cad重建时，如何使负基元实际形成所需减除并限制其对主体结构的过度减除，如何在减少冗余基元的同时避免破坏由多个负基元形成的复合减材结构及其构造关系，以及如何利用保留下来的基元类型和基元关系进一步确定cad特征，仍是需要解决的技术问题。此外，在实现cad特征参数化编辑时，还需要保持外观表示与相应几何基元之间的关联，以使几何结构更新后相应外观表示能够同步调整。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于构造减材基元与高斯附着的cad重建方法及装置，以解决现有基元式cad重建过程中负基元可能未形成有效减除或者对主体结构产生过度减除，以及基元紧凑化可能破坏复合减材结构及其构造关系，进而影响cad特征恢复和参数化编辑的问题。

2、本技术第一方面，提供一种基于构造减材基元与高斯附着的cad重建方法，其特征在于，包括：

3、获取目标对象的多视图图像及与所述多视图图像对应的相机参数；

4、初始化用于表征所述目标对象几何结构的类型化可微分基元集合，所述类型化可微分基元集合包括正基元和负基元，且所述负基元与所述正基元之间不预设一一对应关系；

5、根据各所述类型化可微分基元的可微分占据函数进行构造实体几何组合，得到所述目标对象的可微分构造实体几何占据；

6、针对各所述类型化可微分基元建立对应的基元局部表面模板，并在所述基元局部表面模板上附着多个高斯单元，以形成与基元位姿和尺度关联的结构化高斯附着；

7、基于所述相机参数对所述高斯单元进行渲染，得到与各所述多视图图像对应的渲染图像；根据所述渲染图像与对应的所述多视图图像之间的差异确定渲染损失，并基于所述可微分构造实体几何占据以及所述类型化可微分基元的参数确定用于约束所述类型化可微分基元的结构正则损失；基于所述渲染损失和所述结构正则损失，对所述类型化可微分基元的参数和所述高斯单元的参数进行联合优化；其中，所述结构正则损失包括布尔差集保护正则损失，所述布尔差集保护正则损失用于约束负基元形成有效减除并限制所述负基元的过度减除；

8、对联合优化后的所述类型化可微分基元进行筛选、剪枝和/或合并，得到紧凑的正负基元组合；

9、基于紧凑的正负基元组合输出可编辑的cad表示。

10、本技术第二方面，提供一种基于构造减材基元与高斯附着的cad重建装置，包括：

11、图像获取模块，用于获取目标对象的多视图图像及与所述多视图图像对应的相机参数；

12、类型化基元构建模块，用于初始化用于表征所述目标对象几何结构的类型化可微分基元集合，所述类型化可微分基元集合包括正基元和负基元，且所述负基元与所述正基元之间不预设一一对应关系；

13、构造实体几何组合模块，用于根据各所述类型化可微分基元的可微分占据函数进行构造实体几何组合，得到所述目标对象的可微分构造实体几何占据；

14、结构化高斯附着模块，用于针对各所述类型化可微分基元建立对应的基元局部表面模板，并在所述基元局部表面模板上附着多个高斯单元，以形成与基元位姿和尺度关联的结构化高斯附着；

15、联合优化模块，用于基于所述相机参数对所述高斯单元进行渲染，得到与各所述多视图图像对应的渲染图像；根据所述渲染图像与对应的所述多视图图像之间的差异确定渲染损失，并基于所述可微分构造实体几何占据以及所述类型化可微分基元的参数确定用于约束所述类型化可微分基元的结构正则损失；基于所述渲染损失和所述结构正则损失，对所述类型化可微分基元的参数和所述高斯单元的参数进行联合优化；其中，所述结构正则损失包括布尔差集保护正则损失，所述布尔差集保护正则损失用于约束负基元形成有效减除并限制所述负基元的过度减除；

16、紧凑化模块，用于对联合优化后的所述类型化可微分基元进行筛选、剪枝和/或合并，得到紧凑的正负基元组合；

17、输出模块，用于基于所述紧凑的正负基元组合输出可编辑的cad表示。

18、与现有技术相比，本技术至少具有以下有益效果：

19、本技术通过在联合优化中采用布尔差集保护正则损失，根据负基元与正基元之间的占据交叠情况对负基元的有效减除进行约束，并根据主体结构的核心区域保留情况限制负基元的过度减除，使负基元能够参与孔、槽等减材特征的表达，同时降低负基元未形成实际减除以及负基元过度侵入主体结构的情况对重建结果的影响，有利于兼顾减材特征表达和主体结构完整性。

20、本技术通过对优化后的类型化可微分基元进行筛选、剪枝和/或合并，并针对正基元和负基元采用不同的紧凑化处理方式，可在减少冗余基元的同时保留复合减材特征所需的构造关系。

21、本技术通过结构化高斯附着使高斯单元与对应类型化可微分基元的位姿和尺度保持关联，并基于紧凑的正负基元组合输出可编辑cad表示，有利于在参数化几何编辑时保持外观表示与几何结构之间的对应关系，提高重建结果的可编辑性。