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文档简介

1/1形状曲线变换中的神经风格迁移第一部分形状曲线变换的定义 2第二部分神经风格迁移的原理 4第三部分形状曲线变换中的风格迁移模型 8第四部分损失函数的构建 10第五部分优化算法的选择 12第六部分模型训练和评估方法 16第七部分改进风格迁移模型的策略 18第八部分形状曲线变换风格迁移的应用 21

第一部分形状曲线变换的定义关键词关键要点【形状曲线变换的定义】:

1.形状曲线变换是一种图像处理技术,用于改变图像中物体的形状和轮廓。

2.该变换基于控制点和形状函数的数学模型。

3.通过移动控制点并调整形状函数,可以对物体进行自由变换,包括变形、扭曲和重塑。

【曲线设计和建模】:

形状曲线变换的定义

形状曲线变换(ShapeCurveTransformation,简称SCT)是一种数学方法,用于将不同形状的曲线进行匹配和对齐。它利用控制点来描述曲线,并通过最小化两条曲线之间的控制点距离来实现形状对齐。SCT被广泛应用于图像处理和计算机视觉领域,特别是在图像配准、形状匹配和目标跟踪等任务中。

SCT基本原理

SCT的基本原理基于两个关键概念:

1.控制点:曲线上均匀分布的一组点,用于定义曲线的形状。

2.形状距离:用于度量两条曲线形状差异的度量。

SCT算法通过最小化形状距离来调整一条曲线的控制点位置,使其与另一条曲线对齐。形状距离通常定义为控制点之间的距离和,即:

```

D(C1,C2)=Σ||c1i-c2i||^2

```

其中,C1和C2是两条曲线的控制点集合,c1i和c2i是C1和C2中的对应控制点,||.||表示欧氏距离。

SCT算法流程

典型的SCT算法流程包括以下步骤:

1.初始化:以一条曲线作为目标曲线,另一条曲线作为参考曲线。

2.控制点匹配:使用最近邻或其他匹配算法,将目标曲线的控制点与参考曲线的控制点进行匹配。

3.形状优化:通过利用优化算法(如梯度下降法),迭代调整目标曲线的控制点位置,以最小化形状距离。

4.收敛判定:当形状距离达到预先设定的阈值或满足其他收敛条件时,算法停止。

SCT的优势

SCT具有以下几个优势:

*鲁棒性:对噪声和变形具有鲁棒性,能够处理复杂形状。

*可伸缩性:可用于各种形状和尺寸的曲线。

*效率:优化算法通常收敛速度较快,即使处理大量控制点也能实现实时处理。

*通用性:可与其他计算机视觉和图像处理技术相结合,用于更复杂的应用。

SCT的应用

SCT在图像处理和计算机视觉领域有着广泛的应用,包括:

*图像配准:将两幅图像中相应的特征对齐,以实现影像融合或立体视觉等任务。

*形状匹配:比较不同形状的相似度,用于目标识别或图像检索。

*目标跟踪:通过预测目标的运动轨迹,在连续的图像序列中跟踪目标。

*医学图像分析:用于分割和对齐医学图像中的解剖结构。

*计算机动画:用于变形和对齐动画人物的网格模型。第二部分神经风格迁移的原理关键词关键要点神经风格迁移的基础

1.神经风格迁移是一种图像生成技术,将一幅图像的风格(纹理、色彩模式)迁移到另一幅图像的内容(对象形状、轮廓)中。

2.该技术利用卷积神经网络(CNN)从源图像和目标图像中提取特征,并结合这些特征创建新的图像。

3.CNN学习源图像中的风格表示和目标图像中的内容表示,然后使用这些表示来生成风格化的目标图像。

风格表示与内容表示

1.风格表示捕获图像的纹理和色彩模式等视觉特征,而内容表示则描述图像中的对象形状、轮廓和其他结构化特征。

2.神经风格迁移使用预训练的CNN分别提取图像的风格和内容特征,这些特征映射与网络的层有关。

3.较浅层的特征映射包含更多的内容信息,而较深层的特征映射则包含更多风格信息。

图像生成过程

1.神经风格迁移的生成过程涉及将目标图像的内容表示与源图像的风格表示相结合。

2.这可以通过使用加权平均或其他优化技术来实现,以找到目标图像的风格化版本,同时保留其内容。

3.生成过程通常是迭代的,随着每次迭代,风格化版本会更接近源图像的风格。

风格强度控制

1.神经风格迁移允许用户控制生成图像的风格强度,从轻微的风格化到完全的风格化。

2.这种控制可以通过调整风格表示和内容表示的权重来实现,较高的风格权重导致更强的风格化效果。

3.用户可以根据自己的审美偏好或特定应用需求来调整风格强度。

应用与局限性

1.神经风格迁移已广泛应用于艺术、设计、图像编辑和其他创意领域。

2.它允许艺术家将各种风格应用于他们的作品,并为图像生成提供了新的可能性。

3.然而,神经风格迁移也存在局限性,例如潜在的风格和内容冲突以及处理复杂图像时的困难。

前沿发展与趋势

1.神经风格迁移的最新进展包括改进的风格表示技术,例如Gram矩阵和风格激活。

2.生成对抗网络(GAN)的出现已导致神经风格迁移的新方法,允许更高的风格化精度和控制。

3.随着计算机视觉领域的持续进步,神经风格迁移技术预计将进一步发展,提供更多创造性和实用的应用。神经风格迁移的原理

简介

神经风格迁移是一种计算机视觉技术,它可以将一幅图像的风格转移到另一幅图像的内容中。该技术基于卷积神经网络(CNN),它是一种深度学习算法,在图像处理和识别任务中得到了广泛应用。

神经风格迁移的步骤

神经风格迁移的步骤如下:

1.选择内容图像和风格图像:首先,选择一幅图像作为内容图像,它包含要保留的内容。然后,选择另一幅图像作为风格图像,它包含要转移的风格。

2.预处理图像:将两幅图像缩放到相同的大小并将其转换为张量格式,以便可以输入到CNN中。

3.选择神经网络:选择一个预先训练好的CNN模型,例如VGG-19或Inception-V3。这些模型在大型图像数据集上进行过训练,能够提取图像中的复杂特征。

4.初始化生成的图像:生成的图像最初是内容图像的一个副本。

5.迭代优化:使用反向传播算法,迭代地更新生成的图像。优化目标是使生成的图像与内容图像的内容相似,同时与风格图像的风格相似。具体来说,优化目标通常包括以下两项:

-内容损失:衡量生成图像中的内容与内容图像中内容之间的相似度。

-风格损失:衡量生成图像中的风格与风格图像中风格之间的相似度。

6.生成最终图像:经过足够多的迭代后,优化目标将收敛,生成图像将包含内容图像的内容和风格图像的风格。

内容损失

内容损失通常通过计算内容图像和生成图像之间对应特征图的均方差(MSE)来衡量。特征图是由CNN不同层输出的激活图。

风格损失

风格损失是通过计算内容图像和生成图像之间的格拉姆矩阵之间的MSE来衡量的。格拉姆矩阵是特征图之间的协方差矩阵。通过比较格拉姆矩阵,可以捕获图像中不同特征之间的关系,从而衡量风格的相似性。

优化算法

用于神经风格迁移的优化算法通常是L-BFGS或Adam。这些算法通过迭代更新优化目标中的参数(即生成图像的像素值)来最小化优化目标。

应用

神经风格迁移已在各种应用中得到应用,包括:

-艺术生成:创建具有特定艺术风格的图像。

-图像编辑:在图像中添加或删除特定风格元素。

-纹理合成:生成具有特定纹理或图案的新图像。

-图像增强:提高图像的视觉质量。

优点

神经风格迁移具有以下优点:

-灵活:可以将任何风格转移到任何内容中。

-可控:可以通过调整损失函数中的权重来控制风格迁移的强度。

-高效:使用预先训练好的CNN可以实现近乎实时的风格迁移。

局限性

神经风格迁移也有一些局限性:

-图像失真:在某些情况下,神经风格迁移可能会导致图像失真或伪影。

-计算成本:优化过程可能是计算密集型的,特别是对于大型图像。

-风格匹配:神经风格迁移可能无法始终准确地捕捉到风格图像中微妙的特征。第三部分形状曲线变换中的风格迁移模型关键词关键要点风格迁移阶段

1.利用预训练的VGG网络提取内容图像和风格图像的特征。

2.使用Gram矩阵计算风格图像特征的协方差矩阵,作为风格损失函数。

3.通过优化内容损失和风格损失的加权和,生成具有目标风格的内容图像。

形状曲线变换阶段

1.使用Bezier曲线对图像中的形状进行参数化,并引入形状参数作为优化变量。

2.定义形状损失函数,以约束生成图像中形状与目标形状之间的差异。

3.通过联合优化内容损失、风格损失和形状损失,生成具有目标风格和形状的内容图像。形状曲线变换中的风格迁移模型

引言

神经风格迁移是一种图像处理技术,它通过将一幅图像的风格应用于另一幅图像的形状,从而产生融合了两者特征的混合图像。在传统的神经风格迁移中,图像形状和风格是通过固定图像的局部和全局特征来表示的。然而,这种表示方式限制了模型处理复杂形状的能力。

为了解决这个问题,研究人员提出了形状曲线变换,一种利用可变形形状表示图像形状的新方法。这种表示允许模型捕获更复杂的形状变化,从而生成具有更高视觉保真度的风格迁移结果。

形状曲线变换

形状曲线变换是一种形状表示方法,它将图像形状分解为一组可变形的曲线。这些曲线可以独立移动和变形,从而创建各种形状。该变换是通过学习一组控制点的起始形状和位置来实现的。

风格迁移模型

在形状曲线变换的框架下,神经风格迁移模型可以修改为:

1.形状表示:图像形状由形状曲线变换表示。该变换学习控制点的位置,以生成目标图像的形状。

2.风格表示:图像风格通过一组风格特征来表示。这些特征可以从预先训练的卷积神经网络(例如VGGNet)中提取。

3.损失函数:损失函数用于衡量形状和风格域之间的差异。形状差异通过曲线控制点的距离来计算,而风格差异则通过风格特征的均方误差来计算。

4.优化:模型通过优化损失函数进行训练。优化算法调整曲线控制点的位置,以最小化形状和风格差异,同时保持图像的整体结构。

关键优势

与传统的神经风格迁移模型相比,形状曲线变换方法具有以下关键优势:

*更复杂的形状处理:形状曲线变换允许模型捕获更复杂的形状变化,从而生成具有更高视觉保真度的风格迁移结果。

*可变形控制:曲线控制点允许艺术家直接操纵图像的形状,从而实现更精细的风格迁移效果。

*局部与全局形状控制:该变换允许同时对图像的局部和全局形状进行控制,从而产生更自然和连贯的风格迁移结果。

应用

形状曲线变换中的神经风格迁移模型已在各种应用中得到了探索,包括:

*图像编辑:生成具有独特和令人印象深刻的风格的创意图像。

*艺术风格探索:研究不同风格之间的相互作用,并创造新的艺术风格融合。

*图像生成:根据给定的形状和风格特征生成新图像。

结论

形状曲线变换中的神经风格迁移模型是一种强大的图像处理工具,它能够生成具有复杂形状和丰富风格的高视觉保真度图像。该模型的灵活性和可控制性使其成为图像编辑、艺术风格探索和图像生成等应用的理想选择。第四部分损失函数的构建关键词关键要点感知损失

*

*衡量特征图间的差异,最小化风格图像和生成图像间的差异。

*通过预训练分类模型提取图像特征,如VGG19。

*加权组合不同层特征图间的损失,加强不同层级特征匹配。

样式损失

*损失函数的构建

神经风格迁移中,损失函数包含三个主要组件:内容损失、风格损失和总变差损失。

内容损失

内容损失旨在衡量生成图像与原始图像之间的内容相似性。它基于两个图像之间特征图的欧氏距离:

```

L_c(x,y)=1/2*∥f_c(x)-f_c(y)∥^2

```

其中:

*`L_c`为内容损失函数

*`x`为生成图像

*`y`为原始图像

*`f_c`为预训练卷积网络中提取的内容特征图

风格损失

风格损失衡量生成图像与风格图像之间的风格相似性。它基于两个图像之间格拉姆矩阵的范数差异:

```

L_s(x,y)=1/2*∥G_s(x)-G_s(y)∥^2

```

其中:

*`L_s`为风格损失函数

*`G_s`为格拉姆矩阵,由特征图的协方差矩阵计算得到

格拉姆矩阵可以捕获特征图的分布和相关性,从而表征图像的风格。

总变差损失

总变差(TV)损失旨在防止图像出现噪声和伪影。它通过计算相邻像素之间的L1距离来衡量图像的平滑度:

```

L_tv(x)=1/2*∥∇x∥^2

```

其中:

*`L_tv`为总变差损失函数

*`x`为生成图像

*`∇`为梯度运算符

总体损失函数

总体损失函数将内容损失、风格损失和总变差损失结合起来,权重分别为`α`、`β`和`γ`:

```

L(x)=α*L_c(x,y)+β*L_s(x,z)+γ*L_tv(x)

```

其中:

*`L`为总体损失函数

*`z`为风格图像第五部分优化算法的选择关键词关键要点梯度下降法

1.是一种迭代优化算法,通过计算损失函数的梯度来更新模型参数,从而最小化损失。

2.在形状曲线变换中,梯度下降法用于优化风格损失和内容损失的权重,以实现风格迁移的效果。

3.梯度下降法的收敛速度受学习率、动量和正则化等超参数影响。

动量法

1.是一种加速梯度下降法,在更新参数时考虑了历史梯度信息。

2.通过引入动量项,可以平滑梯度方向并加速收敛。

3.在形状曲线变换中,动量法可以帮助模型从局部最优解中逃逸,提高优化效率。

自适应学习率

1.是一种动态调整学习率的优化算法,避免学习率过大或过小导致的收敛缓慢或不稳定。

2.在形状曲线变换中,自适应学习率可以根据损失函数的变化调整学习率,增强模型的适应性。

3.常见的自适应学习率算法包括Adam和RMSprop,可以有效地处理稀疏梯度和非凸优化问题。

二阶优化算法

1.是利用损失函数的二阶导数信息进行优化的一类算法,收敛速度更快,精度更高。

2.在形状曲线变换中,二阶优化算法可以用于优化风格损失和内容损失的权重矩阵,进一步提升迁移效果。

3.常见的二阶优化算法包括牛顿法和拟牛顿法,需要计算Hessian矩阵或其近似值。

拟合度优化算法

1.是一种通过最小化误差函数来进行优化的算法,误差函数度量了模型预测值与真实值之间的差异。

2.在形状曲线变换中,拟合度优化算法可以用于优化目标形状曲线与参考形状曲线的相似度,增强形状变换的准确性。

3.常见的拟合度优化算法包括最小二乘法和最大似然估计。

全局优化算法

1.是针对非凸优化问题设计的一类算法,旨在找到全局最优解,避免陷入局部最优解。

2.在形状曲线变换中,全局优化算法可以用于优化复杂的权重函数,获得更鲁棒的迁移效果。

3.常见的全局优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法和模拟退火算法。优化算法的选择

神经风格迁移中所涉及的优化问题是高度非凸的,这就需要使用合适的优化算法来寻找问题的局部最优解。本文总结了目前文献中常用的优化算法及其特点。

1.L-BFGS

L-BFGS(限制记忆拟牛顿法)是一种拟二阶优化算法,利用梯度信息和拟牛顿近似海森矩阵来近似目标函数的局部二次模型。L-BFGS的特点是:

-收敛速度快,尤其是在早期阶段。

-存储需求低,只需保存有限数量的梯度和近似海森矩阵的信息。

-适用于小到中等规模的问题。

2.Adam

Adam(AdaMax和RMSProp的结合)是一种自适应矩估计(AdaptiveMomentEstimation)算法。Adam的特点是:

-通过指数加权移动平均来估计梯度的第一矩和二阶矩。

-自适应地调整学习率,从而在初期快速下降,在后期稳定收敛。

-适用于大规模问题,对超参数不敏感。

3.Momentum

Momentum是一种基于动量的优化算法,它通过将当前梯度与前一轮的梯度结合,利用历史梯度信息来加速收敛。Momentum的特点是:

-通过引入惯性效应来增加收敛速度。

-有助于克服局部极小值,找到更好的解。

-对超参数设置敏感,需要仔细调整。

4.RMSProp

RMSProp(均方根传播)是一种自适应学习率优化算法。RMSProp的特点是:

-通过计算梯度的指数加权移动平均来动态调整每个参数的学习率。

-能够防止过拟合,避免大幅度的梯度更新。

-对于稀疏梯度表现良好,适用于训练神经网络。

5.其他算法

除了上述算法外,还有许多其他优化算法可用于神经风格迁移,包括:

-NAG(加速的梯度下降):一种基于动量的优化算法,通过外推梯度信息来加速收敛。

-AdaGrad(自适应梯度):一种自适应学习率优化算法,通过累积梯度平方和来调整每个参数的学习率。

-SGD(随机梯度下降):一种简单且高效的优化算法,通过逐个采样数据点来更新梯度。

选择合适算法的准则

在选择优化算法时,需要考虑以下因素:

-问题规模:L-BFGS更适合处理小到中等规模的问题,而Adam和SGD则适用于大规模问题。

-梯度稀疏性:RMSProp和AdaGrad更适合处理稀疏梯度,如神经网络训练中。

-收敛速度:L-BFGS和Momentum通常具有更快的收敛速度,而Adam和SGD则在收敛后期更加稳定。

-超参数设置:L-BFGS和Momentum对超参数设置更敏感,需要仔细调整。

根据具体的神经风格迁移任务和计算资源的限制,可以根据上述因素选择最合适的优化算法。第六部分模型训练和评估方法关键词关键要点训练数据准备:

1.使用ShapeNet数据集收集10万个3D形状,涵盖广泛类别和复杂性。

2.采用体素表示法,将形状转换为64x64x64的二值体素块,保留其几何结构和局部细节。

3.将体素块归一化为[-1,1]范围,以确保网络输入的一致性。

网络架构:

模型训练

数据准备:

收集形状曲线数据集,其中包含用于训练和测试的多种形状曲线。

模型架构:

采用变分自编码器(VAE)模型,包括编码器和解码器。

编码器:

-将形状曲线转换为潜在特征向量。

-使用卷积神经网络(CNN)从曲线中提取特征。

-通过全连接层生成潜在特征向量。

解码器:

-将潜在特征向量重建为形状曲线。

-使用转置卷积和反池化层反转编码过程。

-产生与输入曲线相似的输出曲线。

训练目标:

-重建损失:最小化输入曲线和重建曲线之间的均方误差(MSE)。

-KL散度:最小化潜在特征向量和先验分布之间的KL散度。

训练过程:

1.初始化VAE模型。

2.对每个批次的数据进行正向和反向传播。

3.根据损失函数更新模型权重。

4.重复步骤2和3,直到达到收敛标准。

模型评估

定量评估:

-峰值信噪比(PSNR):测量重建曲线和输入曲线之间的平均MSE。

-结构相似性索引度(SSIM):评估重建曲线和输入曲线之间的结构相似性。

定性评估:

-视觉比较:人工评估重建曲线与输入曲线之间的视觉相似性。

-风格差异:比较不同风格转换模型产生的重建曲线与输入曲线之间的差异。

其他评估指标:

-重建时间:测量重建单个形状曲线所需的时间。

-内存消耗:评估模型在训练和推理时的内存占用情况。

-模型稳定性:测试模型在不同初始化条件和输入扰动下的鲁棒性。

评估过程:

1.从验证集或测试集中选择一批形状曲线。

2.使用训练好的模型重建曲线。

3.计算定量和定性评估指标。

4.根据评估结果,优化模型架构和训练参数。第七部分改进风格迁移模型的策略关键词关键要点基于内容感知的损失函数

1.将内容图像和风格图像中的高层特征相比较,通过最小化感知损失来保留内容信息。

2.采用级联方式计算感知损失,在不同尺度的特征图上叠加损失,增强模型对不同细节的感知。

3.引入局部感知损失,考虑局部区域的风格差异,避免整个图像风格的过度迁移。

多尺度风格匹配

1.对风格图像进行多尺度分解,提取不同尺度的风格特征。

2.将提取的风格特征重构为目标图像的大小,增强风格迁移的全面性。

3.采用不同权重的风格损失函数,加强对重要尺度风格特征的匹配,避免风格过度或不足。

基于纹理的风格迁移

1.运用纹理合成技术,从风格图像中提取纹理信息,并应用于目标图像。

2.引入基于纹理的损失函数,最小化目标图像和纹理合成图像的距离,提高纹理匹配效果。

3.采用多级纹理迁移策略,从粗到细地将纹理信息逐层迁移,避免纹理失真和风格不协调。

引导式风格迁移

1.为目标图像提供一个初始的风格参考图,引导模型向预期的风格方向迁移。

2.采用内容-风格一致性损失,最小化目标图像与参考图像在内容和风格上的差异。

3.通过迭代优化,逐步调整目标图像的风格,直到达到与参考图像相近的风格效果。

成对对抗训练

1.将神经风格迁移模型转换为生成对抗网络(GAN),引入判别器区分真实图像和迁移图像。

2.判别器帮助模型学习真实图像的结构和纹理,增强迁移图像的质量。

3.通过对抗训练,模型能够生成更逼真的迁移图像,同时保留内容信息和风格特征。

注意机制的应用

1.引入注意机制,让模型专注于图像中重要的区域,增强风格迁移的针对性。

2.采用基于注意力的损失函数,对注意区域的风格特征进行更强烈的匹配。

3.结合多头注意机制,同时关注不同尺度和位置的特征,提升风格迁移的细节和多样性。改进风格迁移模型的策略

感知损失函数改进

*感知损失权重(PerceptualLossWeighting):调整神经激活层不同层次的感知损失权重,以强调或减轻不同特征的重要性。

*多层感知损失(Multi-ScalePerceptualLoss):从多个神经激活层提取感知损失,捕获更多层次的风格信息。

*内容感知层特征匹配(Content-AwareLayerFeatureMatching):使生成图像不仅匹配内容图像的整体结构,还匹配其纹理和细节。

内容保留策略

*内容掩码(ContentMask):识别图像中需要保留的内容区域,并对这些区域应用更强的内容损失。

*内容增强(ContentEnhancement):使用生成对抗网络(GAN)或其他技术增强内容图像的细节和纹理。

*局部内容约束(LocalContentConstraints):对图像的不同区域施加局部内容约束,例如颜色或纹理。

风格混合和转换

*风格插值(StyleInterpolation):平滑地混合多个风格,以创建新的风格或探索风格之间的过渡。

*风格转换(StyleTranslation):将一种风格迁移到另一种基底图像上,甚至不同的图像模式上。

*风格变换网络(StyleTransferNetworks):使用神经网络将风格从一个图像转换到另一个图像,而无需明确的风格图像。

生成质量提升

*生成器架构改进:探索不同的生成器架构,例如使用残差块、注意力机制或自注意力。

*判别器架构改进:设计更强大的判别器,以区分生成图像和真实图像。

*对抗损失函数优化:调整对抗损失函数(如Wasserstein距离或铰链损失),以提高训练稳定性和生成图像质量。

其他改进策略

*图像变换(ImageTransformations):应用图像变换,例如旋转、裁剪或颜色调整,以增强风格迁移的效果。

*超参数优化(HyperparameterOptimization):通过网格搜索或贝叶斯优化等技术,优化模型超参数,例如学习率和损失权重。

*神经风格迁移的可解释性:发展技术来可视化和解释神经风格迁移过程,以提高对模型行为的理解。第八部分形状曲线变换风格迁移的应用关键词关键要点图像增强

1.形状曲线变换风格迁移可以应用于图像增强,例如改善图像对比度、锐度和纹理细节。

2.通过调整风格迁移参数,可以控制形状曲线变化的程度,从而实现不同的图像增强效果。

3.已有研究证明,形状曲线变换风格迁移可以显著提高图像的视觉质量和感知分数。

图像编辑

1.形状曲线变换风格迁移可以用作图像编辑工具,用于图像变形、扭曲和重新造型。

2.通过结合不同的风格图像,可以创建具有独特形状和纹理的复合图像。

3.该技术在图像合成、场景创作和视觉特效制作中具有广泛的应用前景。

风格迁移

1.形状曲线变换风格迁移是一种新的风格迁移方法,它可以保留图像的形状和结构,同时传输风格信息。

2.这种方法基于形状曲线描述符,可以捕获图像的形状和纹理特征。

3.与传统风格迁移方法相比,形状曲线变换风格迁移可以产生更逼真和一致的风格化结果。

计算机图形学

1.形状曲线变换风格迁移在计算机图形学中具有应用,例如生成具有复杂形状和纹理的3D模型。

2.该技术可以用来创建逼真的虚拟世界、电影视觉效果和视频游戏资产。

3.与传统建模技术相比,它可以节

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