在计算机图形学和数字娱乐领域,手绘是一种重要的艺术呈现方式,也是人们传达思想的一种常用方式。在三维形状的创建和生成中,基于手绘的建模是一个热门的研究方向。手绘建模以其特有的方式自然地将已有的艺术创造形式融合于三维模型的创建中,令设计者能够专注于艺术的创作并从繁杂的建模操作中解脱出来。同时,手绘线画图中所包含的重要语义信息,也为三维物体的重建和生成提供了深度计算的一种线索。针对三维自由形体,本文着重研究基于用户手绘的建模技术、基于单幅图像的建模技术、基于特征感知的形状简化建模技术。本文主要工作和取得的研究成果如下:1)在基于用户手绘的三维建模方面,本文提出了一个有效创建三维对称自由形体的建模方法和系统。三维重建任务通常将对称形体分解为两种类型的部分,即自对称形体部分和相互对称形体部分。两种类型的部分均以交互方式创建:根据一个唯一的对称面,用户首先在绘制平面上为物体每个部分描绘二维曲线。利用镜像对称的特性,该方法可以方便地计算用户手绘曲线的深度坐标,从而获得三维构造曲线。结合物体每个部分的一对对称构造曲线和一对一般构造曲线,应用了改进的剖面混合算法为物体各部分生成参数曲面。最终逐步生成三维对称自由形体并用网格表示。2)在基于单幅图像的三维建模方面,本文提出了一种利用二维手绘线画图重建生成三维对称自由形体的便捷方法。在以单幅图像为背景的画布上,用户首先根据图像中的物体位置为待重建模型指定一个对称面,然后为确定了对称面的物体绘制出其各个子部分的手绘线条,每个子部分通常由四条手绘曲线表示,即一对对称曲线和一对非对称的一般曲线。对称曲线的深度坐标信息可以利用物体对称面信息进行计算,一般曲线的深度坐标信息则可以由同一子部分的三维对称构造曲线计算得到。利用恢复了深度信息的三维构造曲线,自由形体的每个部分可以分别由一对对称构造曲线和一对非对称构造曲线利用旋转混合方法生成其参数曲面,并离散化为三角网格表示。最后,根据输入图像中物体的纹理信息,进一步合成自由形体每一部分的表面纹理以得到三维真实物体。3)在针对三维形状的建模和简化中,利用内容感知的视觉显著性度量,本文提出了一种新颖的特征感知三维形状简化建模方法。通过在高度精细的三维网格上稳定提取浮雕高度,并利用在高斯加权浮雕高度上尺度依赖的中心环绕算子计算模型视觉显著性度量。在视觉显著性度量主导下,本文的特征感知形状简化算法利用顶点对显著性加权的高维特征空间二次误差度量,在模型顶点对合并中基于误差度量极小进行迭代收缩实现形状简化建模,其中的特征空间二次误差度量在包含了网格顶点位置和法向信息的六维特征空间中计算得到。基于用户手绘和图像的建模、特征感知的形状简化是三维模型重建和生成中的重要技术,对它们的研究具有理论价值和实际意义。本文阐述了国内外的研究现状,提出了具体的理论模型和相应算法,并给出各个算法的实验效果以及在现实中的若干应用实例。