專利名稱：使用網(wǎng)格細(xì)分的細(xì)節(jié)保留幾何模型變形方法
使用網(wǎng)格細(xì)分的細(xì)節(jié)保留幾何模型變形方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及幾何造型技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種使用網(wǎng)格細(xì)分的細(xì)節(jié)保留幾何模型變形方法。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)水平的不斷發(fā)展，由圖形學(xué)帶來的科技產(chǎn)物越來越融合到人們的日常生活當(dāng)中。炫麗的電影特效、三維動畫和極具真實(shí)感的游戲場景等渲染，極大地提升了影視文化娛樂的水平。虛擬實(shí)驗(yàn)、模擬場景分析和計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)等手段，正改變著傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。網(wǎng)格幾何模型變形是這些領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，本發(fā)明所做的工作就是逼真地模擬出網(wǎng)格幾何模型的動態(tài)變形效果。
網(wǎng)格幾何模型變形主要研究如何高效地根據(jù)用戶的設(shè)計(jì)意圖將初始模型進(jìn)行形變，常用于計(jì)算機(jī)動畫或三維特效的生成。而網(wǎng)格幾何模型形變的關(guān)鍵在于如何降低網(wǎng)格模型操作的復(fù)雜度，如何有效地和用戶進(jìn)行交互工作，并轉(zhuǎn)換成為內(nèi)在計(jì)算模型所需要的參數(shù)信息，使網(wǎng)格編輯工作能更迎合普通用戶?？疾焖惴ê脡牡闹笜?biāo)主要有兩點(diǎn)，一是變形結(jié)果的質(zhì)量，二是完成特定任務(wù)所需的用戶交互工作量，即變形的效率問題。自網(wǎng)格幾何模型變形技術(shù)誕生以來，先后經(jīng)歷了三次飛躍，每次突破都給三維幾何造型領(lǐng)域帶來了巨大的進(jìn)步。自由變形技術(shù)成為第一次突破的典型，而多分辨率技術(shù)則成為了第二次飛躍的代表，這兩種思想都可以歸為是基于插值重構(gòu)思想，優(yōu)點(diǎn)是算法簡單，操縱簡便，但由于是逐點(diǎn)操作，效率不高，且容易出現(xiàn)瑕疵。由于三維掃描技術(shù)的發(fā)展，人們對于模型細(xì)節(jié)的要求越來越高，模型幾何信息也隨之變得龐大起來，原來的算法開始出現(xiàn)了變形效率低下等問題。二十世紀(jì)初基于能量優(yōu)化技術(shù)的產(chǎn)生標(biāo)志著網(wǎng)格編輯技術(shù)的第三次革新，這類方法屬于間接變形，通過在網(wǎng)格表面定義一定的能量，然后由一些約束條件，得到整個編輯過程的方程組，再利用最優(yōu)化思想結(jié)合最小二乘法得到最終模型的頂點(diǎn)信息。而微分坐標(biāo)技術(shù)更是其中的主要內(nèi)容。
微分坐標(biāo)通過描述頂點(diǎn)和其相鄰頂點(diǎn)的關(guān)系來表示幾何模型的微分屬性，由于其包含了網(wǎng)格表面頂點(diǎn)的曲率，以及法向信息，使微分坐標(biāo)具有能夠保持模型細(xì)節(jié)特征的優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)發(fā)生較大的旋轉(zhuǎn)或平移變換時(shí)，原模型表面上的一些曲率較高的頂點(diǎn)由于本身的微分屬性，即最大程度地保持原模型的外形特征，導(dǎo)致這些頂點(diǎn)的法向在變形后只發(fā)生微小的變化，對變形顯得不夠敏感，不符合變形要求。為了使微分坐標(biāo)技術(shù)更好地保持模型表面的細(xì)節(jié)特征并使其廣泛應(yīng)用于動畫制作以及工業(yè)造型等領(lǐng)域，需要對這個缺點(diǎn)進(jìn)行修正，而現(xiàn)今的解決方法大多是對頂點(diǎn)變換進(jìn)行局部估算。
近年來，越來越多的方法被引入到三維模型的編輯操作中，包括有些在二維圖像中的算法也相繼被移植到三維上?？梢钥吹?，網(wǎng)格變形的發(fā)展趨勢是結(jié)合幾類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行取長補(bǔ)短、合理配合，在達(dá)到理想的變形效果同時(shí)提高變形效率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決傳統(tǒng)基于微分坐標(biāo)的模型變形中不能較好保留細(xì)節(jié)幾何特征的問題。
本發(fā)明的原理是借鑒多分辨率網(wǎng)格幾何模型編輯的思想，把初始模型分離為低頻模型和高頻模型。其中利用網(wǎng)格細(xì)分技術(shù)構(gòu)造出極限模型作為低頻模型，而把初始模型與低頻模型的位移差作為高頻模型。用戶通過操縱低頻模型，進(jìn)行微分坐標(biāo)幾何模型變形， 然后根據(jù)保存的幾何細(xì)節(jié)重構(gòu)出網(wǎng)格頂點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)幾何細(xì)節(jié)保留的微分坐標(biāo)變形。
本發(fā)明方法包括以下步驟步驟1.輸入初始模型M，具體是讀取網(wǎng)格模型的幾何信息，即定義M =( B蔦F),其中Γ、E、F分別為初始模型M 點(diǎn)、邊、面的集合。
步驟2.計(jì)算網(wǎng)格模型M的低頻模型Mi ,具體是利用網(wǎng)格細(xì)分技術(shù)，計(jì)算初始模型頂點(diǎn)的細(xì)分極限頂點(diǎn)，從而獲得低頻模型Mi，頂點(diǎn)集合為Ki ；低頻模型M2的邊、面拓?fù)潢P(guān)系與V相同。
步驟3.計(jì)算網(wǎng)格模型M的高頻模型Mjy ,具體是以初始模型與低頻模型之間的位移差作為幾何細(xì)節(jié)特征，即& =從而獲得高頻模型Mh,高頻模型Afg的邊、面拓?fù)潢P(guān)系與Wr相同。
步驟4.對高頻模型進(jìn)行頂點(diǎn)信息編碼，具體是在低頻模型Mi的每個頂點(diǎn)上構(gòu)建出局部正交坐標(biāo)架，通過計(jì)算高頻模型Mh每個頂點(diǎn)在局部正交坐標(biāo)架上的坐標(biāo)， 實(shí)現(xiàn)高頻模型Mii的頂點(diǎn)信息編碼。
步驟5.計(jì)算低頻模型Mz中頂點(diǎn)的微分坐標(biāo)，具體是通過低頻模型M1中的頂點(diǎn)信息，即 中每個頂點(diǎn)的三維笛卡爾坐標(biāo)與它相鄰頂點(diǎn)的幾何關(guān)系，計(jì)算得到每個頂點(diǎn)相應(yīng)的微分坐標(biāo)。
步驟6.計(jì)算變形后的低頻模型Mi'，具體是對低頻模型Jtf2進(jìn)行幾何變形，用戶根據(jù)需求指定Λ χ中的變形控制頂點(diǎn)，通過調(diào)整這些控制頂點(diǎn)的幾何位置，對Λ χ進(jìn)行拉普拉斯幾何變形操作，得到變形后的低頻模型Ai/，模型M/的邊、面拓?fù)潢P(guān)系與|相同。
步驟7.對高頻模型M胃進(jìn)行頂點(diǎn)信息解碼(計(jì)算變形后的高頻模型M^ )，具體是對變形后的低頻模型M/，在^中每個頂點(diǎn)上構(gòu)建局部正交坐標(biāo)架，并將高頻模型 Mg中頂點(diǎn)信息的編碼恢復(fù)到M/中對應(yīng)頂點(diǎn)上去，得到變形后的高頻模型Mi/。
步驟8.計(jì)算最終變形后模型Μ<，具體是將變形后的低頻模型Mi'和變形后的高頻模型Mi/的對應(yīng)頂點(diǎn)相加，得到最終變形后模型Jkr，模型Μ<的邊、面拓?fù)潢P(guān)系與相同。
本發(fā)明有益效果本發(fā)明提出的使用網(wǎng)格細(xì)分的細(xì)節(jié)保留幾何模型變形方法，通 過糾正微分坐標(biāo)變形后的頂點(diǎn)法向來彌補(bǔ)微分坐標(biāo)變形出現(xiàn)的不自然現(xiàn)象，并能在變形過 程中很好地保持模型表面幾何細(xì)節(jié)，使結(jié)果真實(shí)自然。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖2為本發(fā)明方法中構(gòu)建網(wǎng)格頂點(diǎn)局部坐標(biāo)架示意圖； 圖3為本發(fā)明方法的具體應(yīng)用實(shí)例效果圖(初始模型)；
圖4 (&)為本發(fā)明方法的具體應(yīng)用實(shí)例效果圖(變形前的低頻模型和高頻模型)； 圖4 (い為本發(fā)明方法的具體應(yīng)用實(shí)例效果圖(變形后的低頻模型和高頻模型)； 圖5 (&)傳統(tǒng)微分坐標(biāo)變形的整體圖； 圖5 (b)圖5 (a)局部放大結(jié)果圖； 圖6(。本發(fā)明方法下的最終結(jié)果模型圖； 圖6 (い為圖6 (め局部放大結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)描述 本發(fā)明方法的具體執(zhí)行步驟如圖1所示。首先由步驟(1)根據(jù)計(jì)算機(jī)輸入待處理的網(wǎng)
格初始模型V解讀模型文件獲取該模型的頂點(diǎn)幾何信息與拓?fù)湫畔?，同時(shí)載入與構(gòu)建相 關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即完成|=(巧戽ダ)各元素的初始化エ作。上述步驟0)中低頻模型秘^的計(jì)算，是通過對初始模型財(cái)中每個頂點(diǎn)ろ€ド求
取網(wǎng)格細(xì)分后的極限位置へ。3 , j為頂點(diǎn)編號，求解方法依據(jù)以下公式
權(quán)利要求
1.使用網(wǎng)格細(xì)分的細(xì)節(jié)保留幾何模型變形方法，其特征在于包括以下步驟步驟1.輸入初始模型M，具體是讀取網(wǎng)格模型的幾何信息，即定義M =(巧,其中K、J、F分別為初始模型J/ 點(diǎn)、邊、面的集合；步驟2.計(jì)算網(wǎng)格模型Jtf的低頻模型Mp具體是利用網(wǎng)格細(xì)分技術(shù)，計(jì)算初始模型頂點(diǎn)的細(xì)分極限頂點(diǎn)，從而獲得低頻模型Mz，頂點(diǎn)集合力K ；低頻模型Mi的邊、面拓?fù)潢P(guān)系與M相同；步驟3.計(jì)算網(wǎng)格模型M的高頻模型具體是以初始模型與低頻模型之間的位移差作為幾何細(xì)節(jié)特征，即^ = F-F,，從而獲得高頻模型M胃，高頻模型M胃的邊、面拓?fù)潢P(guān)系與M相同；步驟4.對高頻模型Mjy進(jìn)行頂點(diǎn)信息編碼，具體是在低頻模型Mz的每個頂點(diǎn)上構(gòu)建出局部正交坐標(biāo)架，通過計(jì)算高頻模型Mjy每個頂點(diǎn)在局部正交坐標(biāo)架上的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高頻模型Msr的頂點(diǎn)信息編碼；步驟5.計(jì)算低頻模型Mz中頂點(diǎn)的微分坐標(biāo)，具體是通過低頻模型Mz中的頂點(diǎn)信息，即Vi中每個頂點(diǎn)的三維笛卡爾坐標(biāo)與它相鄰頂點(diǎn)的幾何關(guān)系，計(jì)算得到每個頂點(diǎn)相應(yīng)的微分坐標(biāo)；步驟6.計(jì)算變形后的低頻模型Mi'，具體是對低頻模型Mi進(jìn)行幾何變形，用戶根據(jù)需求指定AG中的變形控制頂點(diǎn)，通過調(diào)整這些控制頂點(diǎn)的幾何位置，對Mi進(jìn)行拉普拉斯幾何變形操作，得到變形后的低頻模型JWV ,模型M/的邊、面拓?fù)潢P(guān)系與M相同；步驟7.對高頻模型Mii進(jìn)行頂點(diǎn)信息解碼，具體是對變形后的低頻模型M/，在W中每個頂點(diǎn)上構(gòu)建局部正交坐標(biāo)架，并將高頻模型Mg中頂點(diǎn)信息的編碼恢復(fù)到M/中對應(yīng)頂點(diǎn)上去，得到變形后的高頻模型jwy ；步驟8.計(jì)算最終變形后模型，具體是將變形后的低頻模型M/和變形后的高頻模型Mii'的對應(yīng)頂點(diǎn)相加，得到最終變形后模型w模型M的邊、面拓?fù)潢P(guān)系與&相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用網(wǎng)格細(xì)分的細(xì)節(jié)保留幾何模型變形方法，其特征在于 步驟2中極限模型的求解方法是根據(jù)網(wǎng)格細(xì)分思想進(jìn)行構(gòu)造的；由于只需對原模型的頂點(diǎn)進(jìn)行編輯，所以沒有必要進(jìn)行具體的細(xì)分操作，即不必生成細(xì)分的中間頂點(diǎn)，只要計(jì)算出初始模型頂點(diǎn)的細(xì)分極限頂點(diǎn)即可，且極限模型的頂點(diǎn)與初始模型的頂點(diǎn)一一對應(yīng)，拓?fù)潢P(guān)系相同；把極限頂點(diǎn)作為低頻模型，用于步驟3求解高頻模型、步驟4局部坐標(biāo)的構(gòu)建、步驟5和步驟6的微分坐標(biāo)變形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用網(wǎng)格細(xì)分的細(xì)節(jié)保留幾何模型變形方法，其特征在于 步驟4中高頻模型頂點(diǎn)信息編碼的過程如下(1)獲取位移差，得到低頻模型IA后，計(jì)算初始模型與其之間的位移，即4=廠-V1 (2)構(gòu)建低頻模型M2網(wǎng)格頂點(diǎn)&上的局部標(biāo)架；標(biāo)架主要通過求得頂點(diǎn)法向坐標(biāo)，產(chǎn)生出垂直于該法向并包含該頂點(diǎn)的切平面，并對某一相鄰頂點(diǎn)進(jìn)行投影，得到投影向量后與法向量進(jìn)行叉積，這樣得到三個局部正交坐標(biāo)架的，幾何細(xì)節(jié)便通過局部標(biāo)架表示出來；(3)把位移差用局部標(biāo)架表示出來，得到的坐標(biāo)即為高頻模型頂點(diǎn)信息的編碼結(jié)果；高頻模型頂點(diǎn)信息以位移差的形式記錄了原模型的幾何細(xì)節(jié)特征，用于步驟7和步驟 8的坐標(biāo)重建。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用網(wǎng)格細(xì)分的細(xì)節(jié)保留幾何模型變形方法，其特征在于 最終獲得變形結(jié)果模型的方法如下(1)對低頻模型進(jìn)行基于微分坐標(biāo)的拉普拉斯變形；用戶通過交互手段，指定控制點(diǎn)， 以及確定控制點(diǎn)的新位置，驅(qū)動模型進(jìn)行變形；(2)高頻模型頂點(diǎn)信息解碼后獲得新的位移量F^,重建網(wǎng)格頂點(diǎn)，令K'= Ki+〖y，獲得糾正頂點(diǎn)法向后的最終變形結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用網(wǎng)格細(xì)分的細(xì)節(jié)保留幾何模型變形方法。本發(fā)明借鑒多分辨率網(wǎng)格幾何模型編輯的思想，把初始模型分離為低頻模型和高頻模型。其中利用網(wǎng)格細(xì)分技術(shù)構(gòu)造出極限模型作為低頻模型，而把初始模型與低頻模型的位移差作為高頻模型。用戶通過操縱低頻模型，進(jìn)行微分坐標(biāo)幾何模型變形，然后根據(jù)保存的幾何細(xì)節(jié)重構(gòu)出網(wǎng)格頂點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)幾何細(xì)節(jié)保留的微分坐標(biāo)變形。本發(fā)明提出的使用網(wǎng)格細(xì)分的細(xì)節(jié)保留幾何模型變形方法，通過糾正微分坐標(biāo)變形后的頂點(diǎn)法向來彌補(bǔ)微分坐標(biāo)變形出現(xiàn)的不自然現(xiàn)象，并能在變形過程中很好地保持模型表面幾何細(xì)節(jié)，使結(jié)果真實(shí)自然。
文檔編號G06T17/30GK102509356SQ201110354859
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者李人可, 趙乃良 申請人:杭州電子科技大學(xué)