图像轮廓的B样条拟合和优化研究

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曲线的拟合问题一直是计算机图形学、计算机辅助几何设计(Computer Aided Geometric Design,简称CAGD)的关键研究课题。在学术方面,许多学者对此进行了大量的研究。B样条曲线具有优良的性质,用B样条拟合离散数据点在工业生产中具有广泛应用,至今仍具有重要研究意义。图像轮廓的拟合是指应用曲线的形式表现出图像轮廓。在给定误差下,应用较少的曲线段和时间拟合出图像轮廓,曲线拟合的结果应保留图像轮廓的特征点并保证其合理性。本文首先应用三次准均匀B样条拟合图像轮廓的离散数据点。选取离散数据点的首末端点作为三次准均匀B样条曲线的首末控制顶点,应用最小二乘算法确定三次准均匀B样条曲线内部控制顶点距离首末控制顶点的距离。弦长参数化每个离散数据点分配初始参数值,当误差较大时选取误差最大处的点将离散数据点分为两个子集,递归将两条三次准均匀B样条拟合到新的子曲线。B样条曲线具有优良的连续性和局部性,为确定三次准均匀B样条曲线控制多边形切线方向提供更多的自由度。当误差在一定范围内时应用牛顿迭代法获得更好弦长参数化的参数值,尽可能减少三次准均匀B样条曲线控制顶点。数值实验显示该算法在计算时间和应用曲线段数量方面具有一定优势。因为B样条曲线具有优良的连续性,当应用B样条曲线拟合具有尖角特征点的图像轮廓时,拟合曲线易于丢失图像轮廓的尖角特征。应用B样条曲线拟合低分辨率图像轮廓过程中可能产生自相交、曲线扭曲等不合理现象。本文引入长度优先、避免自相交和避免对尖角光滑处理3种先验知识对B样条曲线拟合图像轮廓进行约束。数值实验表明:引入先验知识后很好地解决拟合图像轮廓过程中出现的上述不合理现象,得到更加合理和美观的图像轮廓。
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