人类的头骨,骨骼等发掘到的文物是人类重要的历史遗产。人类学与法医学专家可以利用发掘得到的头骨来还原死者生前的面貌。但是,由于自然环境的侵蚀与人为的破坏,这些骨骼模型往往呈碎片状,直接对这些碎片模型进行分析处理是十分困难的。随着三维扫描技术的发展,三维扫描仪能够将实际的头骨扫描成电子数据存储在计算机内,并利用几何处理技术来对头骨模型进行还原和修复,还原得到的头骨模型为后续的分析处理工作带来极大的便利。因此,做为脸部重建的预处理程序,头骨模型的的还原与修复是计算机图形学的重要研究课题,本文针对计算机环境下的头骨碎片拼接与破洞修补提出了解决方法。　　 本文首先介绍了在计算机环境下表示三维网格模型的半边数据结构,并讨论半边数据结构在头骨还原与修复流程上的优点;介绍了用于快速查找三维空间最近点的索引数据结构K维搜索树,并讨论了经典的刚性配准算法迭代最近法(ICP算法)的局限性以及ICP算法在本研究课题中的应用。　　 针对头骨模型的还原,本文提出了基于特征带点的头骨碎片拼接流程。碎片模型被匹配到一个完整的头骨模板模型上,并找到头骨碎片之间的相对几何位置。在碎片到模板头骨的配准流程中,本文提出了基于Slippage特征分析的特征点提取算法以提高碎片拼接的效率,以及基于优化后的Spin-Image描述子以提升碎片拼接在精确度。　　 针对头骨模型的修补,本文提出了基于模板模型的头骨模型修补框架。基于模板模型的修补方法能够高效地修补较大的破洞,通过计算模板模型到待修补模型上的非刚性映射,将模板模型上对应破洞区域的曲面片剪切移植到待修补模型上。　　 基于以上的理论研究,本课题研究组还开发了人机交互的头骨模型拼接修补系统,该系统能够方便的为拥有专业知识的工作人员提供模型拼接修补流程必要的引导,该系统基于Qt与OpenInventer开发,在实践过程中被证明了具有较高的鲁棒性。本文还演示了大量的实验结果,实验结果使用三维数据可视化软件进行了渲染。　　 本文最后总结了现有算法的特点和不足,并为算法框架的提升优化提出了方向;同时也对于人脸重建过程提出了未来的理论研究方向。