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《计算机学报》2009年6期

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三维模型语义检索研究进展1

潘翔1，张三元2，叶修梓2

1(浙江工业大学软件学院，杭州，310014)2(浙江大学计算机学院，杭州，310027)

摘要：针对近年来三维模型检索研究不只是考虑形状相似性匹配，而更多地关注如何把语义知识应用于检索这一研究新动态。本文对三维模型语义检索研究现状，包括三维模型知识提取、语义检索中的主动学习机制、三维模型语义检索系统等方面进行总结。在此基础上，对已有研究成果进行比较分析，突出三维模型语义取得的进展以及存在的问题。最后，提出三维模型语义检索需要进一步深入研究的方向。

关键词：三维模型检索，语义特征，设计重用，本体，主动学习

1本课题得到国家自然科学基金资助。潘翔，男，1977年生，副教授，博士，硕士生导师，主要研究领域为计算机图形学、多媒体检索及模式识别。张三元，男，1966年生，教授，博士生导师，主要研究领域为计算机图形学、图像处理、数字几何处理。

《计算机学报》2009年6期

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1引言

作为继声音、图像和视频之后的第四代多媒体数据类型，三维模型已经被广泛应用于工业设计、虚拟现实、影视动画和分子生物学等领域，可共享的三维模型数量更是以指数方式在快速增长。因此，研究三维模型检索技术(Content-based3DRetrieval)，帮助用户快速准确地获取符合设计意图的三维模型，实现资源重用，成为当前热点研究问题[3]。自2000年以来，欧美等发达国家纷纷开始立项予以重点资助。而国内高校等研究机构近几年来也在国家自然基金等相关资助下开始重点关注该领域的研究工作。

对于三维模型检索，一个基础研究问题是提取形状特征用于相似性匹配。对于这方面的研究成果，有大量综述性文章可以参考[1-3]。但是对于三维模型检索和重用，只考虑其形状特征是不够的。主要包括两方面的原因：1）用户难以有效地表达设计意图。无论是采用实例或是草图作为检索接口，用户都难以有效地描述其所需的设计参数以及产品功能等信息。而且大量具有相似形状特征的三维模型，其所包含的语义知识是完全不同的。2）缺少可重用的设计知识。对于三维模型检索，其检索结果不仅需要返回相应的三维模型，更应该得到和该三维模型相关的设计知识应用于后续设计，从而实现知识重用。但是基于形状特征的检索只返回相关的三维模型，而难以获得和造型相关的设计知识。

不同于形状特征，语义特征把三维模型低层次几何数据（如点坐标、边、面方程等）转变为高层次知识表示，使三维模型检索和重用在语义知识表示机制下形成统一框架。三维模型语义检索框架不仅让用户通过产品用途、功能、设计原理、类别等信息有效地表达查询意图，而且使用户能够快速方便地重用已有三维资源知识进行再设计。因此，三维模型语义检索是解决“用户如何进行三维检索”和“检索结果如何重用”这两个问题的关键所在。三维模型语义检索成为学术界和工业界重点关注的一个新兴研究领域[4]，也是当前三维模型数据相关研究的七大学术难题之一[5]。

目前，国内外学术界和工业界已经开始针对三维模型语义检索展开研究，并取得了一定的研究成果。但是作为一个新兴的研究领域，还存在很多急待解决的深层次问题。因此，论文对三维模型语义检索已有研究进行全面综述，包括语义知识表示、语义学习机制、语义检索系统等，分析已有研究得到的成果以及需要进一步深入解决的难点问题，用以加速三维模型语义检索研究进展。

2三维模型语义检索框架

三维模型检索语义检索主要包括三维模型知识提取、知识表示、语义知识学习和匹配机制。整个框架可以由图1来表示，包括离线和在线两部分组成。其中离线部分主要用于知识表示规则的定义、语义学习机制初始化、三维模型语义知识索引结构定义及存储。而在线部分则是对用户提交的检索内容，通过语义知识匹配器进行规则理解和匹配返回检索结果。同时，系统根据用户输入的信息，例如用户标注、用户反馈等信息，通过语义学习机制，在线实现对三维模型语义知识库的动态更新。

《计算机学报》2009年6期

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三维模型集合及相关信息知识提取三维模型语

三维模型集合及相关信息

知识提取

三维模型语义学习机制

离线

三维模型语义知识库

语义知识匹配器知识提取检索结果在线

语义知识匹配器

知识提取

检索结果

用户标注

用户标注

检索实例

检索实例或关键字

交互反馈

交互反馈

用户接口

图1三维模型语义检索框架

3三维模型知识提取

视觉特征，如几何特征、颜色特征等对于三维模型知识，既包括形状特征这些低层视觉知识，也包括对三维模型拓扑结构的

视觉