近日，SIGGRAPH Asia 2023科技论文评审结束，计算机学院交叉研究中心科研团队再创佳绩，在保细节三维重建、增减材序列规划、不规则形状紧致排列、三维形状交互编辑等重要研究课题上取得突破，共有4篇文章被录用（Conditionally accept），其中2篇被录为Journal track，2篇被录为Conference track。第一作者均为yh1122银河国际学生。

图1.与已有方法相比，我们的方法（灰色显示）在重建拓扑/几何复杂的三维模型方面具有明显的优势

第1篇文章针对缺失法向的点云数据，探索如何基于无监督深度学习重建带细节的三维模型（图1），这也是计算机图形学的热点和前沿研究课题。该课题的挑战在于如何解决低质量三维数据与高要求重建目标之间的矛盾。研究团队观察到限制在曲面薄壳区域中的符号距离函数二阶可微，而且其Hessian矩阵至少有一个零特征值；该性质具有普适性，与曲面的具体形状无关。基于这样的观察，文章使用具有严格理论保证的奇异Hessian能量项代替传统的光滑能量项，提出了全新的符号距离场正则机制。在公开数据集上的广泛测试结果表明，与已有方法相比，本文方法能够更保真地重建拓扑和几何复杂的三维模型，在亏格还原和细节呈现能力方面具有明显的优势。在真实扫描数据上的测试结果表明，该方法在文物数字化保护和数字孪生等方面具有较大的应用潜力。本文被录用为Journal track。五位审稿人均给出了高度评价，他们认为本文极具创新性（novelty），理论优雅（elegance），阐述清晰（well written），实验完善详尽（exhaustivity）。第一作者是硕士生王子雄，通讯作者是辛士庆副教授。合作指导教师还包括yh1122银河国际屠长河教授、美国德州农工大学王文平教授、北京大学王鹏帅助理教授、山东工商学院张帆副教授和青岛科技大学的陈双敏副教授。硕士生张云霄（第二作者）和徐瑞（第三作者）也为本文研究做出了突出贡献。

图2.针对增材-减材混合制造的次序规划问题，首次提出能够处理复杂几何形状的通用算法

第2篇文章研究增减材混合制造序列规划问题（图2）。增材-减材混合制造（Additive and Subtractive Hybrid Manufacturing, ASHM）作为新型制造工艺，兼具两种先进制造工艺的优势,特别适用于形状复杂、加工质量要求较高的场合。为此，寻找增材与减材切换次数最少的混合加工方案，成为其中的基础研究课题。其挑战性在于不仅需要考虑刀具和打印喷头的可达性，还需要考虑制造区域的前后依赖关系和自支撑性。研究团队将增材和减材的次序规划描述为体积与表面共分解（Volume and Surface Co-Decomposition, VASCO）问题，从而提出基于集束搜索的块分解算法，以自顶向下的方式为VASCO问题提供了一个高效的解决方案。在五轴增减混合制造平台上的加工实验表明，该方法为增减材混合制造序列规划问题提供了一种智能有效的解决方案。本文被录用为Journal track，第一作者是硕士生钟凡超，通讯作者是赵海森教授和吕琳教授。合作指导教师还包括yh1122银河国际刘继凯教授和北京大学陈宝权教授。硕士生李昊晨（第三作者）和闫鑫博士（第四作者）也为本文研究做出了突出贡献。

图3.基于得分匹配扩散模型，从专家样本中直接学到密铺排列的全局最优分布。算法不仅具有较强的泛化能力，而且计算效率远高于传统算法。

第3篇文章研究平面不规则形状的排列问题（图3）。这是经典的教科书问题，不存在多项式复杂度的解法。研究团队发现，基于得分匹配的扩散网络模型能够从专家样本中直接学到密铺排列的全局最优分布，于是通过多层图神经网络生成适用于排样问题的梯度场，以指导每个物体的具体位移。该算法不仅对物体的数量、物体的形状、限制区域的大小具有较强的扩展能力，而且计算效率远高于传统算法，因而在物流、仓储、3D打印、游戏设计等实际场合具有较大的应用价值。本文被录用为Conference track，由yh1122银河国际薛天扬同学与北京大学吴铭东同学共同完成，通讯作者为yh1122银河国际吕琳教授。合作指导教师还包括北京大学董豪助理教授、陈宝权教授。yh1122银河国际本科生王浩轩（第四作者）也参与了该项研究工作。

图4.观察到符号距离场的鞍点与不稳定拓扑结构之间存在强关联，提出在“粘连”和“断开”之间自由切换的新方法。该方法允许用户便捷修改输入模型（绿色）的拓扑与几何，产生所见即所得的新模型（蓝色）。

第4篇文章研究三维形状的交互编辑（图4）。形状编辑包括几何编辑和拓扑编辑两个方面，其中关于几何编辑的研究相对比较成熟，但拓扑结构编辑却是极具挑战性的课题。研究团队对符号距离场的性质进行了深入的剖析，发现符号距离场的鞍点反映了不稳定的拓扑结构。具体地说，在曲面附近，距离场的鞍点对应于“两个相邻部分的粘连”或者“两个相连部分的断开”；因此，距离值的轻微改变使得拓扑结构在“粘连”和“断开”之间自由切换。不仅如此，研究团队提出了一系列数值优化措施，开发了用户友好的交互平台，可以在普通配置的电脑上实现30FPS的交互帧率。大量的对比实验表明，本文方法在表达能力、易用性、交互速度等方面均大大地超越了已有方法。在实际三维扫描中，凹陷处的三维信息难以被捕获，再加上marching cubes算法本身存在的缺陷，错误的“粘连”和“断开”经常出现；本文算法为用户交互修改拓扑结构带来极大的便利。本文被录用为Conference track，第一作者是硕士生张云霄，指导教师包括yh1122银河国际屠长河教授和辛士庆副教授、美国德州农工大学王文平教授，以及青岛科技大学的陈双敏副教授。参与研究的还包括硕士生王子雄（第二作者）、赵子涵（第三作者）和徐瑞（第四作者）。

备注：ACM SIGGRAPH/ACM SIGGRAPH Asia是商业与一身的图形学技术展示和学术会议。自1974年在科罗拉多州举办第一届会议以后，每年有上万人参加；顶峰时期参会人员达3到4万。与会人员既有计算机图形学、计算机视觉、虚拟现实、人机交互、可视化、数字孪生与元宇宙等领域的专家学者，也有游戏动漫、数字影视、新媒体设计、增减材制造等产业的业界大咖。投稿论文分Journal track和Conference track（7页）。被Journal track录用的论文将同时刊登在图形学顶级期刊ACM Transactions on Graphics上；该期刊是中国计算机学会（CCF）推荐的计算机图形学与多媒体领域A类期刊，中科院分区为SCI 1区Top，影响因子为7.403。

（文/图 王子雄 钟凡超 薛天扬 张云宵  审核/于东晓  责任编辑/徐慧   供稿单位：yh1122银河国际）