專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于Quardtree的三維模型紋理壓縮編/解碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是一種基于Quardtree的三維模型紋理屬 性信息壓縮編/解碼方法，應(yīng)用于各種帶紋理屬性信息三維模型的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。
背景技術(shù)：
當(dāng)前三維外形掃描數(shù)據(jù)技術(shù)的日益成熟使得人們對(duì)三維模型數(shù)據(jù)的精度和細(xì)節(jié)都提出了 更高的要求，這同時(shí)也導(dǎo)致了三維數(shù)據(jù)的規(guī)模和復(fù)雜程度急劇增長(zhǎng)，龐大的三維數(shù)據(jù)量對(duì)現(xiàn) 有的三維圖形引擎的處理能力和速度提出了巨大的挑戰(zhàn)。另一方面，Internet的迅猛發(fā)展也使 得三維模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制嚴(yán)重阻礙了這種媒體的傳播。如果 僅僅依靠增加硬件設(shè)備的投入是不足以解決這一問(wèn)題的，需要人們研究針對(duì)三維數(shù)據(jù)的壓縮 編碼技術(shù)。-
目前網(wǎng)絡(luò)上比較常見(jiàn)的三維對(duì)象多采用網(wǎng)格(mesh)尤其是三角網(wǎng)格表示。網(wǎng)格數(shù)據(jù)通
常包括三部分幾何、拓?fù)浜蛯傩?。?dāng)前對(duì)拓?fù)涞膲嚎s編碼已接近理論極限[Rossignac, J. EdgeBreaker: connectivity compression for triangle meshes. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 5(1), Jan-Mar 1999: 47-61.]，幾何編碼是研究的熱點(diǎn)，而屬性壓縮編碼
研究得較少。
已有的無(wú)損幾何編碼研究集中在空間域方法中，其中Kdtree和Octree等空間劃分的方法
逐漸成為壓縮編碼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，最新的文獻(xiàn)丄Peng， C,C. J. Kuo, Geometry-guided progressive lossless 3D mesh coding with octree (OT) decomposition. ACM Transactions on Graphics, vol. 24, no. 3， pp. 609-616, 2005.表示Octree壓縮方法比Kdtree壓縮方法能達(dá)到更低
的壓縮比特率。Peng的OT Compression方法對(duì)幾何壓縮目前來(lái)說(shuō)是最好的，但是該方法只完
成了幾何、拓?fù)湫畔⒌木幋a，并沒(méi)有對(duì)屬性信息尤其是紋理信息進(jìn)行遞進(jìn)壓縮編碼
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于Quardtree的三維模 型紋理屬性信息壓縮編/解碼方法，該方法壓縮比高，并且適合網(wǎng)絡(luò)遞進(jìn)傳輸，滿(mǎn)足了當(dāng)前大 數(shù)據(jù)量的三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨蟆?br> 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是 一種基于Quardtree的三維模型紋理壓縮編 碼方法，其特征在于包括以下步驟
(1) 將紋理圖像進(jìn)行Quardtree劃分，分解成一系列不同分辨率的基紋理，并對(duì)其編碼；
(2) 對(duì)紋理坐標(biāo)排列，并遞進(jìn)編碼。
上述步驟(1)中的紋理圖像的Quardtree劃分和編碼方法為對(duì)紋理圖像進(jìn)行Quardtree 劃分，將其等分為4個(gè)子圖；同時(shí)對(duì)原始圖像的像素進(jìn)行2x2分塊，對(duì)每個(gè)紋理塊做以下處 理對(duì)于其右上、右下、左下的三個(gè)像素，將其直接復(fù)制到對(duì)應(yīng)的右上、右下、左下三個(gè)子 圖的相應(yīng)位置；而對(duì)于每個(gè)紋理塊的左上像素，則并不直接復(fù)制到左上子圖，取而代之的是 該紋理塊4個(gè)像素的平均值。這個(gè)過(guò)程重復(fù)使用到左上子圖中，直到左上子圖僅剩一個(gè)像素。
上述步驟(1)中的紋理圖像劃分后的編碼方法為對(duì)于采用Quardtree方法劃分后的子 圖，只需首先編碼最低分辨率級(jí)的左上子圖，然后依次按照右上、左下、右下的順序編碼當(dāng) 前層的另外三個(gè)子圖，然后再按照此規(guī)則編碼高一級(jí)分辨率的四個(gè)子圖，直到將最高分辨率 的子圖全部編碼完畢。所述的編碼方法為算術(shù)編碼。
上述步驟(2)中在對(duì)屬性信息中的紋理索引編碼之前先按照幾何信息中葉節(jié)點(diǎn)從左到右 的順序，對(duì)其中的紋理頂點(diǎn)索引重新排列得到新的頂點(diǎn)序列，并且根據(jù)新頂點(diǎn)序列更新屬性 信息中頂點(diǎn)索引值。
與權(quán)利要求l對(duì)應(yīng)的一種基于Quardtree的三維模型紋理壓縮解碼方法，其特征在于將 紋理數(shù)據(jù)流與幾何網(wǎng)格數(shù)據(jù)同步傳輸，并在解碼過(guò)程中遞進(jìn)恢復(fù)出原始模型，以不同分辨率 的紋理匹配到對(duì)應(yīng)分辨率的幾何模型。其中采用的遞進(jìn)恢復(fù)顯示策略為在客戶(hù)端模型更新 顯示的次數(shù)等于幾何信息劃分的深度，即只在幾何信息每一層數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，紋理信息此 時(shí)才更新顯示。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果(1) 本發(fā)明釆用Quardtree子分過(guò)程能產(chǎn)生豐富的信息，而且劃分效率較高，收斂速度 快，客戶(hù)端響應(yīng)等待時(shí)間短并能控制對(duì)模型解碼的精細(xì)程度，能更有效的進(jìn)行屬性信息中的 紋理編碼。
(2) 本發(fā)明方法的壓縮程度可以進(jìn)行有效控制，能達(dá)到無(wú)損壓縮程度，'如果設(shè)置較小的 Quardtree深度值也能得到更大壓縮比率的有損壓縮。
(3) 本發(fā)明方法設(shè)計(jì)了優(yōu)化的遞進(jìn)顯示策略，使得客戶(hù)端圖形界面不僅很快就能得到圖 形顯示，并且所展示的圖形恢復(fù)過(guò)程比較合乎人眼的視覺(jué)習(xí)慣。


圖1為本發(fā)明的紋理圖片顏色分塊與子圖創(chuàng)建過(guò)程；
圖2為使用本發(fā)明方法的Wa^/"ace模型紋理編碼過(guò)程； 圖3為使用本發(fā)明方法的〃;y^gw朋;;/M模型紋理編碼過(guò)程； 圖4為本發(fā)明的結(jié)合幾何和紋理屬性的遞進(jìn)編碼顯示過(guò)程。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。
本發(fā)明的基于Quardtree的三維模型紋理壓縮編/解碼方法，采用如下步驟 (1)紋理圖像的Quardtree劃分
假設(shè)原始紋理圖像為image,尺寸為2"x2"，將其等分為4個(gè)子圖A、 B、 C、 D;同時(shí)對(duì) image的像素進(jìn)行2x2分塊，假設(shè)所得的每個(gè)紋理塊左上角像素為a，右上角像素為b，左下 角像素為c，右下角像素為d。構(gòu)造多分辨率圖像如算法1所示。
算法1多分辨率紋理構(gòu)造算法
1. currentlmg《image
2. loop each block in currentlmg
3. if currentlmg has more than one pixel
4. move b to B
5. move c to C
6. move d to D7. move average(ajb,c,d) to A
8. currentlmg A
原始圖像每個(gè)2x2紋理塊由4個(gè)相鄰的像素組成，對(duì)于原2"x2"的圖像，就可以得到22"-2 個(gè)紋理塊。根據(jù)算法1，對(duì)每個(gè)紋理塊做以下處理對(duì)于其右上、左下、右下的三個(gè)像素， 將其直接復(fù)制到原始圖像對(duì)應(yīng)的右上B、左下C、右下D三個(gè)子圖的相應(yīng)位置。這樣，這3 個(gè)子圖在外觀(guān)上就形成了原圖像的3個(gè)粗糙版本，只包含原圖像1/4的像素；而對(duì)于每個(gè)紋 理塊的左上像素，則并不直接復(fù)制到原始圖像左上A子圖，取而代之的是將對(duì)應(yīng)的紋理塊4 個(gè)像素的平均值復(fù)制于此，因而最終左上子圖為原始圖像有效地縮小1/4后的圖像，但它本 身并不包含紋理圖像的任何原始像素。以2、2^的圖像為例，其紋理圖像多分辨率重構(gòu)過(guò)程如 圖1所示。
這個(gè)過(guò)程可以重復(fù)使用到左上子圖中繼續(xù)將左上子圖進(jìn)行子分，直到左上子圖僅剩一 個(gè)像素(其像素值對(duì)應(yīng)于原始圖像所有像素的平均值)，進(jìn)而完成了圖像的多分辨率劃分，其 中從左上到右下逐層精細(xì)。 (2)紋理圖像編/解碼
對(duì)于上述重新變化的序列，只需首先編碼左上子圖，然后依次編碼對(duì)應(yīng)的另外三個(gè)子圖， 就可以對(duì)原圖像進(jìn)行遞進(jìn)傳輸。假設(shè)每個(gè)子圖的像素集合表示為V^Wmg， /為圖像分辨率級(jí)
數(shù)，^W附g為當(dāng)前分辨率中某個(gè)子圖，最低分辨率子圖級(jí)數(shù)為0，則紋理圖像數(shù)據(jù)流為
V。,爿，V/,b， V/,c， V/", V2:s,V2,c,V2.z)......
重構(gòu)四像素紋理塊的解碼方法非常簡(jiǎn)單，只需要從數(shù)據(jù)流中當(dāng)前分辨率圖像的B、 C、 D 子圖中獲取相應(yīng)的像素值來(lái)填充b、 c、 d像素，a像素則由A子圖當(dāng)前像素值乘4再減去b、 c、 d像素即可。
對(duì)Wa4/"ace模型和模型的紋理使用QT方法進(jìn)行多分辨率構(gòu)造和編碼的結(jié) 果分別如圖2和圖3所示。其中圖2子圖(a)為Wac詠"模型原始紋理圖像，(b)為構(gòu)造多分辨 率等級(jí)紋理過(guò)程，(c)、 (d)、 (e)、 (f)分別為紋理數(shù)據(jù)流傳輸?shù)降燃?jí)為2、 4、 6、 IO時(shí)構(gòu)造出的 紋理圖像。圖3子圖(a)為^恥gw""力模型原始紋理圖像，(b)為構(gòu)造多分辨率等級(jí)紋理過(guò)程，(c)、 (d)、 (e)、 (f)分別為紋理數(shù)據(jù)流傳輸?shù)降燃?jí)為2、 4、 6、 IO時(shí)構(gòu)造出的紋理圖像。 (3)其他屬性數(shù)據(jù)遞進(jìn)編碼
在對(duì)三維模型的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼時(shí)使用的是Peng的Octree編碼方法。該方法建立 Octree的過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)頂點(diǎn)集合，設(shè)為S^Pew。rfe，該集合中實(shí)際記錄的是頂點(diǎn) 的原始索引值，屬性數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)也是按照原始的頂點(diǎn)索引值記錄的。但是幾何編碼文 件并不按照原始頂點(diǎn)索引順序編碼，而是按照Octree廣度優(yōu)先遍歷遞進(jìn)編碼的，所以在幾何 數(shù)據(jù)遞進(jìn)編碼的情況下，屬性數(shù)據(jù)無(wú)法與之對(duì)應(yīng)。本發(fā)明采用的策略是在編碼之前就對(duì)頂點(diǎn) 索引進(jìn)行重排，即按照Octree中葉節(jié)點(diǎn)從左到右的順序，對(duì)其中的頂點(diǎn)索引重新排列得到新 的頂點(diǎn)序列，并且根據(jù)新頂點(diǎn)序列更新原始屬性信息中頂點(diǎn)索引值。
當(dāng)客戶(hù)端對(duì)幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行遞進(jìn)解碼時(shí)，三維網(wǎng)格模型中的原始屬性數(shù)據(jù)的排列順序不能 與幾何數(shù)據(jù)流同步顯示。為解決這一問(wèn)題，可對(duì)照原始拓?fù)湫畔?，找出S^,/vww中哪些頂點(diǎn)
能夠成一個(gè)三角面片。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)域值記錄了這些三角面片的索引集合，設(shè)為S7W&wv。如
其中每個(gè)元素為一個(gè)三元組[x， y, z]， x， y， z為頂點(diǎn)索引。在對(duì)Octree進(jìn)行廣度優(yōu)先遍歷的時(shí) 候，后面節(jié)點(diǎn)的S7w/vAWe中會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的三角形索弓l。本方法設(shè)置了一個(gè)數(shù)組Z)/^yHag可跳 過(guò)重復(fù)三角形索引，D/Aty尸/ag的元素個(gè)數(shù)與三角面片個(gè)數(shù)相同，它用來(lái)記錄當(dāng)前三角面片是 否已經(jīng)被記錄，如果當(dāng)前面片尚未記錄，則加入遞進(jìn)顯示的面片列表，如果已經(jīng)記錄了，則 不加入。假設(shè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的非空子節(jié)點(diǎn)為ChildN0de4 (0Sfe8)， x屬于ChildNodefa， y屬于 CWWNodety， z屬于ChildNodefe，遞進(jìn)顯示的面集合為Z^。g^,，算法2為構(gòu)造jLpTOg7^的過(guò)程 算法2構(gòu)造遞進(jìn)顯示面集合
1. lo叩每一個(gè)節(jié)點(diǎn)Node
2. loop S7hfeWV。rfe中每一個(gè)元素
3. if (kx!-ky)且(ky!-kz)且(kxHkz)
4. if "/,F/嘆[^SWv歸[i]]: =false
5. D時(shí)F/flg[ SWew。^[i]〗=true
6. Add 5V".尸eWV。afe[i] tO ;ogrew遍歷所有節(jié)點(diǎn)后，Z^。g^,中的面片排列順序即為遞進(jìn)顯示的拓?fù)漤樞?。屬性信息中的?維紋理坐標(biāo)、三維紋理坐標(biāo)索引根據(jù)i^。g^,中的面片排列順序遞進(jìn)編碼。最終生成的屬性文 件后綴名為.nor，其記錄了熵編碼后遞進(jìn)顯示的二維紋理坐標(biāo)和三維紋理坐標(biāo)索引信息。 (4)多分辨率顯示策略
客戶(hù)端模型解碼顯示圖形時(shí)，并不是接收一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息即刷新顯示。本方法通過(guò)判斷 Octree —層是否已遍歷完，來(lái)決定是否更新顯示。即判斷接受數(shù)據(jù)流中當(dāng)前已傳輸過(guò)來(lái)的節(jié) 點(diǎn)所包含的頂點(diǎn)個(gè)數(shù)，如果其頂點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到 ，則表明Octree—層結(jié)束，即將開(kāi)始下一層節(jié) 點(diǎn)傳輸，此時(shí)紋理在客戶(hù)端刷新顯示。若Octree共有12層，則客戶(hù)端只需刷新顯示12次即 可。這種顯示策略節(jié)省了客戶(hù)端的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，并且避免了顯示時(shí)模型的紋理表面某些地方精 細(xì)、某些地方粗糙的現(xiàn)象。
圖4所示為6/acv^flce模型經(jīng)過(guò)壓縮編碼之后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，客戶(hù)端對(duì)其解碼的情況。隨 著后臺(tái)數(shù)據(jù)流的不斷傳輸，客戶(hù)端逐漸顯示出逼近原始模型幾何形狀和紋理屬性的三維模型。 (a)、 (b)、 (c)、 (d)為Octree在不同層次解碼完畢時(shí)所顯示的圖形。在數(shù)據(jù)傳輸期間用戶(hù)就可 對(duì)模型進(jìn)行交互操作，并可隨時(shí)中止數(shù)據(jù)流的傳輸。
權(quán)利要求
1、一種基于Quardtree的三維模型紋理壓縮編碼方法，其特征在于包括以下步驟(1)將紋理圖像進(jìn)行Quardtree劃分，分解成一系列不同分辨率的基紋理，并對(duì)其編碼；(2)對(duì)紋理坐標(biāo)排列，并遞進(jìn)編碼。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Quardtree的三維模型紋理壓縮編/解碼方法，其特征 在于在所述步驟(1 )中的紋理圖像的Quardtree劃分和編碼方法為對(duì)紋理圖像進(jìn)行Quardtree 劃分，將其等分為4個(gè)子圖；同時(shí)對(duì)原始圖像的像素進(jìn)行2x2分塊，對(duì)每個(gè)紋理塊做以下處 理對(duì)于其右上、右下、左下的三個(gè)像素，將其直接復(fù)制到對(duì)應(yīng)的右上、右下、左下三個(gè)子 圖的相應(yīng)位置；而對(duì)于每個(gè)紋理塊的左上像素，則并不直接復(fù)制到左上子圖，取而代之的是 該紋理塊4個(gè)像素的平均值。這個(gè)過(guò)程重復(fù)使用到左上子圖中，直到左上子圖僅剩一個(gè)像素。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基于Quardtree的三維模型紋理壓縮編/解碼方法，其特征 在于在所述步驟(1)中的紋理圖像劃分后的編碼方法為對(duì)于采用Quardtree方法劃分后 的子圖，只需首先編碼最低分辨率級(jí)的左上子圖，然后依次按照右上、左下、右下的順序編 碼當(dāng)前層的另外三個(gè)子圖，然后再按照此規(guī)則編碼高一級(jí)分辨率的四個(gè)子圖，直到將最高分 辨率的子圖全部編碼完畢。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的編碼方法，其特征在于所述的編碼方法為算術(shù)編碼。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Quardtree的三維模型紋理壓縮編/解碼方法，其特征 在于在所述步驟(2)中在對(duì)屬性信息中的紋理索引編碼之前先按照幾何信息中葉節(jié)點(diǎn)從左 到右的順序，對(duì)其中的紋理頂點(diǎn)索引重新排列得到新的頂點(diǎn)序列，并且根據(jù)新頂點(diǎn)序列更新 屬性信息中頂點(diǎn)索引值。
6、 與權(quán)利要求1對(duì)應(yīng)的一種基于Quardtree的三維模型紋理壓縮解碼方法，其特征在于 將紋理數(shù)據(jù)流與幾何網(wǎng)格數(shù)據(jù)同步傳輸，并在解碼過(guò)程中遞進(jìn)恢復(fù)出原始模型，以不同分辨 率的紋理匹配到對(duì)應(yīng)分辨率的幾何模型。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于Quardtree的三維模型壓解碼方法，其特征在于采 用的遞進(jìn)恢復(fù)顯示策略為在客戶(hù)端模型更新顯示的次數(shù)等于幾何信息劃分的深度，即只在 幾何信息每一層數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，紋理信息此時(shí)才更新顯示。
全文摘要
一種基于Quardtree的三維模型紋理壓縮編碼方法，包括以下步驟(1)將紋理圖像進(jìn)行Quardtree劃分，分解成一系列不同分辨率的基紋理，并對(duì)其編碼；(2)對(duì)紋理坐標(biāo)排列，并遞進(jìn)編碼；以上編碼方法所對(duì)應(yīng)的解碼方法為將紋理數(shù)據(jù)流與幾何網(wǎng)格數(shù)據(jù)同步傳輸并進(jìn)行解碼恢復(fù)，以不同分辨率的紋理匹配到對(duì)應(yīng)分辨率的幾何模型；本發(fā)明的壓縮編/解碼方法劃分效率高，收斂速度快，客戶(hù)端響應(yīng)等待時(shí)間短并能控制對(duì)模型紋理解碼的精細(xì)程度。
文檔編號(hào)G06T9/40GK101447084SQ20081024040
公開(kāi)日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者余勝泉, 蘇 蔡 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)