本發(fā)明涉及三維模型技術領域，尤其涉及一種三維模型的外觀紋理合成方法及裝置。

背景技術：

目前，三維模型的外觀紋理信息(幾何紋理與材質紋理)是其視覺真實性的重要因素。今天的高端電腦游戲和電影特效對帶有逼真外觀的高精度三維模型提出了很大需求。然而，制作這樣的三維模型即使對于經(jīng)驗豐富的專業(yè)建模師來說也十分費時費力。為了制作一個具有豐富外觀紋理的高精度三維模型，建模師往往需要通過一些圖片作為創(chuàng)意來源或參考。而如今數(shù)字圖像的極大應用與易獲得性也使得計算機藝術家能夠輕松構建他們的圖像素材庫作為創(chuàng)意來源與參考。

當前的三維模型的外觀紋理合成方法中一般是基于單幅圖像的三維建?；蚣y理建模方法，主要存在以下一些問題：第一：目前的技術主要是在三維模型上進行材質紋理合成而不改變模型本身的幾何細節(jié)，因此這種貼圖形式的外觀紋理往往在視覺上不夠真實，為了增加幾何細節(jié)又需要耗費建模師大量的時間和精力。第二：目前在三維模型上進行紋理合成使用的紋理樣例僅僅是顏色圖像，無法捕捉足夠的外觀紋理信息。第三：目前的技術無法針對模型不同的感興趣區(qū)域進行不同的外觀紋理合成。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例提供一種三維模型的外觀紋理合成方法及裝置，以解決當前現(xiàn)有技術的貼圖形式的外觀紋理在視覺上不真實，且無法捕捉足夠的外觀紋理信息的問題。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種三維模型的外觀紋理合成方法，包括：

獲取預先設置的外觀紋理模型和用戶輸入的三維模型；

確定預先設置的外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征；

確定外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征的相似性信息；

根據(jù)所述相似性信息對所述三維模型進行第一級幾何紋理增強，生成第一級幾何紋理增強三維模型；

確定第一級幾何紋理增強三維模型的幾何特征圖；

根據(jù)所述幾何特征圖作為引導，進行外觀與材質互相關合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理；

在第一級幾何紋理增強三維模型上根據(jù)所述合成的幾何紋理進行第二級幾何紋理增強，生成第二級幾何紋理增強三維模型；

在所述第二級幾何紋理增強三維模型上應用合成的材質紋理，并進行渲染，得到三維模型的外觀紋理合成結果。

具體的，確定預先設置的外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征，包括：

將外觀紋理模型和三維模型通過各自的對稱平面進行對齊；所述對稱平面通過RANSAC算法獲得；

在參數(shù)網(wǎng)格上，確定三維模型的每個頂點的全局幾何特征；其中，所述每個頂點的全局幾何特征由一個9維向量表示，所述9維向量包括：1維歸一化高度值、4維對稱面投影法向量與位置、4維對稱面一致的方向阻擋；

獲取外觀紋理模型的每個頂點的全局幾何特征和外觀紋理模型的其他位置的全局幾何特征；

根據(jù)三維模型的每個頂點的全局幾何特征進行插值計算，確定參數(shù)網(wǎng)格上三維模型的其他位置的全局幾何特征。

具體的，確定外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征的相似性信息，包括：

根據(jù)塊匹配方法，通過外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征反復更新最近鄰場NNF直至收斂，確定三維模型每個頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，或者接收用戶的選擇指令，確定用戶的選擇指令對應的感興趣區(qū)域，確定所述感興趣區(qū)域的三維模型頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置。

具體的，所述外觀紋理模型的每個頂點對應有一個第一幾何偏移向量；

根據(jù)所述相似性信息對所述三維模型進行第一級幾何紋理增強，生成第一級幾何紋理增強三維模型，包括：

根據(jù)三維模型每個頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定三維模型各頂點對應的一個或多個第一幾何偏移向量；或者根據(jù)所述感興趣區(qū)域的三維模型頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定三維模型各頂點對應的一個或多個第一幾何偏移向量；

將所述一個或多個第一幾何偏移向量進行平均值處理，確定三維模型各頂點的第二幾何偏移向量；

根據(jù)三維模型各頂點的第二幾何偏移向量，確定第一級幾何紋理增強三維模型；

所述第一級幾何紋理增強三維模型的每個頂點位置為：

其中，P為三維模型當前的頂點位置；E_s(P)為形狀正則項；D_m(P_target)為根據(jù)第二幾何偏移向量移動后的頂點位置；β為平衡參數(shù)。

具體的，確定第一級幾何紋理增強三維模型的幾何特征圖，包括：

以第一級幾何紋理增強三維模型中的每個頂點為球心，以預先設置的四個長度為半徑，確定所述四個長度對應的球與第一級幾何紋理增強三維模型相交的部分占四個長度各自對應的球的體積比率；所述體積比率為所述四個長度對應在該頂點處的固態(tài)曲率角；

將第一級幾何紋理增強三維模型的全局幾何特征的9維向量與四個長度對應在該頂點處的固態(tài)曲率角構成的4維向量，構成第一級幾何紋理增強三維模型的13維幾何特征向量。

具體的，根據(jù)所述幾何特征圖作為引導，進行外觀與材質互相關合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理，包括：

根據(jù)公式：

確定降低維度后的實際使用特征向量X；其中，W_x和W_y表示最大相關性分析的返回矩陣；為對角矩陣；X為第一級幾何紋理增強三維模型的13維幾何特征向量；Y為第一級幾何紋理增強三維模型對應的外觀紋理模型；

通過距離函數(shù)：

根據(jù)降低維度后的實際使用特征向量X進行特征引導，進行包含3維材質紋理和1維幾何紋理的合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理；其中，r和t為降低維度后的實際使用特征向量X中的兩個特征向量；為以兩個特征向量為中心的塊區(qū)域之間的距離；d_f(r,t)為以兩個特征向量為中心的塊區(qū)域之間的歐氏距離；d_t(r,t)為以兩個特征向量為中心的塊區(qū)域的當前合成紋理的歐式距離；為權重函數(shù)；Ω(s)為合成紋理的使用次數(shù)；μ為預設參數(shù)。

此外，在第一級幾何紋理增強三維模型上根據(jù)所述合成的幾何紋理進行第二級幾何紋理增強，生成第二級幾何紋理增強三維模型，包括：

根據(jù)第一級幾何紋理增強三維模型每個頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定第一級幾何紋理增強三維模型各頂點對應的一個或多個第三幾何偏移向量；或者根據(jù)用戶選擇的感興趣區(qū)域的第一級幾何紋理增強三維模型頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定第一級幾何紋理增強三維模型各頂點對應的一個或多個第一幾何偏移向量；

將所述一個或多個第三幾何偏移向量進行平均值處理，確定第一級幾何紋理增強三維模型各頂點的第四幾何偏移向量；

根據(jù)第一級幾何紋理增強三維模型各頂點的第四幾何偏移向量，確定第二級幾何紋理增強三維模型；

所述第二級幾何紋理增強三維模型的每個頂點位置為：

其中，P'為第一級幾何紋理增強三維模型當前的頂點位置；E_s'(P')為形狀正則項；D_m'(P_target)為根據(jù)第四幾何偏移向量移動后的頂點位置；β為平衡參數(shù)。

一種三維模型的外觀紋理合成裝置，包括：

模型獲取單元，用于獲取預先設置的外觀紋理模型和用戶輸入的三維模型；

全局幾何特征確定單元，用于確定預先設置的外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征；

相似性確定單元，用于確定外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征的相似性信息；

第一級幾何紋理增強單元，用于根據(jù)所述相似性信息對所述三維模型進行第一級幾何紋理增強，生成第一級幾何紋理增強三維模型；

幾何特征圖確定單元，用于確定第一級幾何紋理增強三維模型的幾何特征圖；

合成紋理生成單元，用于根據(jù)所述幾何特征圖作為引導，進行外觀與材質互相關合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理；

第二級幾何紋理增強單元，用于在第一級幾何紋理增強三維模型上根據(jù)所述合成的幾何紋理進行第二級幾何紋理增強，生成第二級幾何紋理增強三維模型；

三維模型的外觀紋理合成結果生成單元，用于在所述第二級幾何紋理增強三維模型上應用合成的材質紋理，并進行渲染，得到三維模型的外觀紋理合成結果。

另外，所述全局幾何特征確定單元，具體用于：

將外觀紋理模型和三維模型通過各自的對稱平面進行對齊；所述對稱平面通過RANSAC算法獲得；

在參數(shù)網(wǎng)格上，確定三維模型的每個頂點的全局幾何特征；其中，所述每個頂點的全局幾何特征由一個9維向量表示，所述9維向量包括：1維歸一化高度值、4維對稱面投影法向量與位置、4維對稱面一致的方向阻擋；

獲取外觀紋理模型的每個頂點的全局幾何特征和外觀紋理模型的其他位置的全局幾何特征；

根據(jù)三維模型的每個頂點的全局幾何特征進行插值計算，確定參數(shù)網(wǎng)格上三維模型的其他位置的全局幾何特征。

另外，所述相似性確定單元，具體用于：

根據(jù)塊匹配方法，通過外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征反復更新最近鄰場NNF直至收斂，確定三維模型每個頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，或者接收用戶的選擇指令，確定用戶的選擇指令對應的感興趣區(qū)域，確定所述感興趣區(qū)域的三維模型頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置。

此外，所述外觀紋理模型的每個頂點對應有一個第一幾何偏移向量；

所述第一級幾何紋理增強單元，具體用于：

根據(jù)三維模型每個頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定三維模型各頂點對應的一個或多個第一幾何偏移向量；或者根據(jù)所述感興趣區(qū)域的三維模型頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定三維模型各頂點對應的一個或多個第一幾何偏移向量；

將所述一個或多個第一幾何偏移向量進行平均值處理，確定三維模型各頂點的第二幾何偏移向量；

根據(jù)三維模型各頂點的第二幾何偏移向量，確定第一級幾何紋理增強三維模型；

所述第一級幾何紋理增強三維模型的每個頂點位置為：

其中，P為三維模型當前的頂點位置；E_s(P)為形狀正則項；D_m(P_target)為根據(jù)第二幾何偏移向量移動后的頂點位置；β為平衡參數(shù)。

此外，所述幾何特征圖確定單元，具體用于：

以第一級幾何紋理增強三維模型中的每個頂點為球心，以預先設置的四個長度為半徑，確定所述四個長度對應的球與第一級幾何紋理增強三維模型相交的部分占四個長度各自對應的球的體積比率；所述體積比率為所述四個長度對應在該頂點處的固態(tài)曲率角；

將第一級幾何紋理增強三維模型的全局幾何特征的9維向量與四個長度對應在該頂點處的固態(tài)曲率角構成的4維向量，構成第一級幾何紋理增強三維模型的13維幾何特征向量。

此外，所述合成紋理生成單元，具體用于：

根據(jù)公式：

確定降低維度后的實際使用特征向量X；其中，W_x和W_y表示最大相關性分析的返回矩陣；為對角矩陣；X為第一級幾何紋理增強三維模型的13維幾何特征向量；Y為第一級幾何紋理增強三維模型對應的外觀紋理模型；

通過距離函數(shù)：

根據(jù)降低維度后的實際使用特征向量X進行特征引導，進行包含3維材質紋理和1維幾何紋理的合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理；其中，r和t為降低維度后的實際使用特征向量X中的兩個特征向量；為以兩個特征向量為中心的塊區(qū)域之間的距離；d_f(r,t)為以兩個特征向量為中心的塊區(qū)域之間的歐氏距離；d_t(r,t)為以兩個特征向量為中心的塊區(qū)域的當前合成紋理的歐式距離；為權重函數(shù)；Ω(s)為合成紋理的使用次數(shù)；μ為預設參數(shù)。

此外，所述第二級幾何紋理增強單元，具體用于：

根據(jù)第一級幾何紋理增強三維模型每個頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定第一級幾何紋理增強三維模型各頂點對應的一個或多個第三幾何偏移向量；或者根據(jù)用戶選擇的感興趣區(qū)域的第一級幾何紋理增強三維模型頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定第一級幾何紋理增強三維模型各頂點對應的一個或多個第一幾何偏移向量；

將所述一個或多個第三幾何偏移向量進行平均值處理，確定第一級幾何紋理增強三維模型各頂點的第四幾何偏移向量；

根據(jù)第一級幾何紋理增強三維模型各頂點的第四幾何偏移向量，確定第二級幾何紋理增強三維模型；

所述第二級幾何紋理增強三維模型的每個頂點位置為：

其中，P'為第一級幾何紋理增強三維模型當前的頂點位置；E_s'(P')為形狀正則項；D_m'(P_target)為根據(jù)第四幾何偏移向量移動后的頂點位置；β為平衡參數(shù)。

本發(fā)明實施例提供的一種三維模型的外觀紋理合成方法及裝置，能夠確定預先設置的外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征；之后確定外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征的相似性信息；對所述三維模型進行第一級幾何紋理增強，生成第一級幾何紋理增強三維模型；之后確定第一級幾何紋理增強三維模型的幾何特征圖；根據(jù)所述幾何特征圖作為引導，進行外觀與材質互相關合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理；在第一級幾何紋理增強三維模型上根據(jù)所述合成的幾何紋理進行第二級幾何紋理增強，生成第二級幾何紋理增強三維模型；在所述第二級幾何紋理增強三維模型上應用合成的材質紋理，并進行渲染，得到三維模型的外觀紋理合成結果。這樣，通過兩級幾何紋理增強，可為用戶輸入的三維模型增加不同程度的幾何細節(jié)。同時，在合成第二級幾何紋理時同時考慮幾何紋理與材質紋理之間的互相關信息，使增加的外觀紋理在不僅僅具有豐富的幾何細節(jié)和顏色細節(jié)的同時，由于兩者之間來自真實數(shù)據(jù)的互相關信息，更具有視覺真實性；從而可解決當前現(xiàn)有技術的貼圖形式的外觀紋理在視覺上不真實，且無法捕捉足夠的外觀紋理信息的問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種三維模型的外觀紋理合成方法的流程圖一；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種三維模型的外觀紋理合成方法的流程圖二；

圖3為本發(fā)明實施例中的三維模型的每個頂點的全局幾何特征示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中的最近鄰場NNF的示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例中的外觀紋理模型的參數(shù)網(wǎng)格、最近鄰場NNF以及三維模型的參數(shù)網(wǎng)格示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例中的三維模型各頂點的第二幾何偏移向量的可視化圖；

圖7為本發(fā)明實施例中的用戶輸入的三維模型和第一級幾何紋理增強三維模型的示意圖；

圖8為本發(fā)明實施例中的兩種半徑下的局部特征SolidAngleCurvature示意圖；

圖9為本發(fā)明實施例中的降低維度后的特征引導示意圖；

圖10為本發(fā)明實施例中的合成的幾何紋理和合成的材質紋理的示意圖；

圖11為本發(fā)明實施例中的第二級幾何紋理增強三維模型和最終得到的三維模型的外觀紋理合成結果示意圖；

圖12為本發(fā)明實施例中的在R2D2機器人和唐朝馬的簡模上使用來自消防栓的外觀紋理的示意圖；

圖13為本發(fā)明實施例中的在唐朝馬的簡模上使用來自石頭椅子的外觀紋理的示意圖；

圖14為本發(fā)明實施例中的在鴨子容器的簡模上使用來自木頭軟椅的外觀紋理的示意圖；

圖15為本發(fā)明實施例提供的一種三維模型的外觀紋理合成裝置的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種三維模型的外觀紋理合成方法，包括：

步驟101、獲取預先設置的外觀紋理模型和用戶輸入的三維模型。

步驟102、確定預先設置的外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征。

步驟103、確定外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征的相似性信息。

步驟104、根據(jù)所述相似性信息對所述三維模型進行第一級幾何紋理增強，生成第一級幾何紋理增強三維模型。

步驟105、確定第一級幾何紋理增強三維模型的幾何特征圖。

步驟106、根據(jù)所述幾何特征圖作為引導，進行外觀與材質互相關合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理。

步驟107、在第一級幾何紋理增強三維模型上根據(jù)所述合成的幾何紋理進行第二級幾何紋理增強，生成第二級幾何紋理增強三維模型。

步驟108、在所述第二級幾何紋理增強三維模型上應用合成的材質紋理，并進行渲染，得到三維模型的外觀紋理合成結果。

本發(fā)明實施例提供的一種三維模型的外觀紋理合成方法，能夠確定預先設置的外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征；之后確定外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征的相似性信息；對所述三維模型進行第一級幾何紋理增強，生成第一級幾何紋理增強三維模型；之后確定第一級幾何紋理增強三維模型的幾何特征圖；根據(jù)所述幾何特征圖作為引導，進行外觀與材質互相關合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理；在第一級幾何紋理增強三維模型上根據(jù)所述合成的幾何紋理進行第二級幾何紋理增強，生成第二級幾何紋理增強三維模型；在所述第二級幾何紋理增強三維模型上應用合成的材質紋理，并進行渲染，得到三維模型的外觀紋理合成結果。這樣，通過兩級幾何紋理增強，可為用戶輸入的三維模型增加不同程度的幾何細節(jié)。同時，在合成第二級幾何紋理時同時考慮幾何紋理與材質紋理之間的互相關信息，使增加的外觀紋理在不僅僅具有豐富的幾何細節(jié)和顏色細節(jié)的同時，由于兩者之間來自真實數(shù)據(jù)的互相關信息，更具有視覺真實性；從而可解決當前現(xiàn)有技術的貼圖形式的外觀紋理在視覺上不真實，且無法捕捉足夠的外觀紋理信息的問題。

為了使本領域的技術人員更好的了解本發(fā)明，下面列舉一個更為詳細的實施例，如圖2所示，本發(fā)明實施例提供一種三維模型的外觀紋理合成方法，包括：

步驟201、獲取預先設置的外觀紋理模型和用戶輸入的三維模型。

步驟202、將外觀紋理模型和三維模型通過各自的對稱平面進行對齊。

其中，所述對稱平面通過RANSAC算法獲得。

步驟203、在參數(shù)網(wǎng)格上，確定三維模型的每個頂點的全局幾何特征。

由于用戶輸入的三維模型一般十分光滑，不包含任何細微的幾何特征，因此此處僅確定三維模型的每個頂點的全局幾何特征。

其中，所述每個頂點的全局幾何特征由一個9維向量表示，所述9維向量包括：1維歸一化高度值、4維對稱面投影法向量與位置、4維對稱面一致的方向阻擋。

此處，該三維模型的每個頂點的全局幾何特征可以如圖3所示。

步驟204、獲取外觀紋理模型的每個頂點的全局幾何特征和外觀紋理模型的其他位置的全局幾何特征。

步驟205、根據(jù)三維模型的每個頂點的全局幾何特征進行插值計算，確定參數(shù)網(wǎng)格上三維模型的其他位置的全局幾何特征。

步驟206、根據(jù)塊匹配方法，通過外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征反復更新最近鄰場NNF直至收斂，確定三維模型每個頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，或者接收用戶的選擇指令，確定用戶的選擇指令對應的感興趣區(qū)域，確定所述感興趣區(qū)域的三維模型頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置。

通過用戶的選擇指令，可增加在紋理增強中的可控性，允許用戶進行交互選擇，用戶的感興趣區(qū)域能夠按照本發(fā)明方法進行處理，而用戶感興趣之外的區(qū)域則可不作處理。

塊匹配方法即PatchMatch優(yōu)化方法。NNF(NearestNeighborField，最近鄰場)的每個像素存儲了在源圖(外觀紋理模型的全局幾何特征)中最相似塊的位置，因此可以用來確定三維模型每個頂點所對應外觀紋理模型中的頂點位置。

該最近鄰場NNF可以如圖4所示。

此處，外觀紋理模型的每個頂點對應有一個第一幾何偏移向量。

步驟207、根據(jù)三維模型每個頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定三維模型各頂點對應的一個或多個第一幾何偏移向量；或者根據(jù)所述感興趣區(qū)域的三維模型頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定三維模型各頂點對應的一個或多個第一幾何偏移向量。

如圖5所示，右側三維模型參數(shù)網(wǎng)格上的某個頂點由方框表示，在NNF上對應位置，有n×n(n為預設塊的大小)個覆蓋該位置的塊，此處僅給出三個示例，左側方框為通過NNF讀出的在外觀紋理模型參數(shù)網(wǎng)格上對應頂點位置，外觀紋理模型的每個頂點都儲存了一個第一幾何偏移向量，平均后即得到三維模型上對應頂點的第二幾何偏移向量。

步驟208、將所述一個或多個第一幾何偏移向量進行平均值處理，確定三維模型各頂點的第二幾何偏移向量。

如圖6所示，該三維模型各頂點的第二幾何偏移向量的可視化圖，顏色表示向量方向，顏色純度表示向量強度。

步驟209、根據(jù)三維模型各頂點的第二幾何偏移向量，確定第一級幾何紋理增強三維模型。

其中，所述第一級幾何紋理增強三維模型的每個頂點位置為：

其中，P為三維模型當前的頂點位置；E_s(P)為形狀正則項，防止三維模型發(fā)生過度劇烈的變化；D_m(P_target)為根據(jù)第二幾何偏移向量移動后的頂點位置；β為平衡參數(shù)。

其中，第一級幾何紋理增強三維模型可以如圖7所示，注意該圖7的三維模型還沒有任何材質細節(jié)增強。其中圖7的左側為用戶輸入的三維模型，右側為第一級幾何紋理增強三維模型。

為了使合成在三維模型上的幾何紋理與材質紋理更加逼真，在第二級外觀紋理增強時，本發(fā)明使用了兩者統(tǒng)計上的互相關信息，例如在石頭的外觀模型上某一處因為風化等原因腐蝕導致該位置有形狀凹陷，其材質顏色則往往要比周圍區(qū)域石頭顏色要更深，利用兩者的互相關聯(lián)，在三維模型上合成新的外觀紋理就能夠保留這種相關信息，使得最終的渲染結果更好：

第二級外觀紋理不僅包含了幾何紋理也包含了材質紋理。由于這一級的幾何紋理描述幾何表面更細微的局部變化，因此僅僅使用全局幾何特征來進行合成無法得到可信的效果。因此不僅僅使用在第一級幾何紋理增強時的9維全局特征，此時需要另外計算局部特征SolidAngleCurvature，這是一種對幾何表面局部凹凸性刻畫理想的特征。

步驟210、以第一級幾何紋理增強三維模型中的每個頂點為球心，以預先設置的四個長度為半徑，確定所述四個長度對應的球與第一級幾何紋理增強三維模型相交的部分占四個長度各自對應的球的體積比率。

其中，所述體積比率為所述四個長度對應在該頂點處的固態(tài)曲率角，即為上述的局部特征SolidAngleCurvature。如圖8所示，兩種半徑下的局部特征SolidAngleCurvature不相同，當半徑較小時該表面是凸起特征，但是當半徑較大時該表面則是凹陷特征。

步驟211、將第一級幾何紋理增強三維模型的全局幾何特征的9維向量與四個長度對應在該頂點處的固態(tài)曲率角構成的4維向量，構成第一級幾何紋理增強三維模型的13維幾何特征向量。

步驟212、根據(jù)所述幾何特征圖作為引導，進行外觀與材質互相關合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理。

由于計算的特征維數(shù)較多，可以想到并非所有的這些特征都與所要合成的外觀紋理相關，如果在求解最相似塊的時候不加以區(qū)別的考慮所有維度的特征值并不能得到最好的結果，并且每個像素位置都有13維特征向量，對于一個n×n大小的塊，計算量大大增加。因此本發(fā)明應用最大相關性分析CCA(Canonical Correlation Analysis)，給定外觀模型上某一處的13維幾何特征與對應位置的外觀紋理(第二級外觀紋理有4維，其中材質顏色3維，幾何偏移1維)，該方法能夠找到幾何特征中與其紋理最相關的特征維度同時能夠將13維特征向量降低至與外觀紋理維度相同，因此也同時降低了后續(xù)合成時的計算量。與傳統(tǒng)的降維方法PCA不同，PCA適用于單一的隨機變量分布，找到其中方差最大，即變化最顯著的部分，而CCA則適用于一對隨機變量X與Y，找到X中與Y相關性最大的部分，因此更適合此處的要求。

此處的步驟212具體可以通過如下方式實現(xiàn)：

根據(jù)公式：

確定降低維度后的實際使用特征向量X；其中，W_x和W_y表示最大相關性分析的返回矩陣；為對角矩陣；X為第一級幾何紋理增強三維模型的13維幾何特征向量；Y為第一級幾何紋理增強三維模型對應的外觀紋理模型。

本發(fā)明實施例中，不僅需要保持合成內容特性還需要讓合成內容的分布滿足外觀紋理與三維模型的幾何特征分布特性。

通過距離函數(shù)：

根據(jù)降低維度后的實際使用特征向量X進行特征引導，進行包含3維材質紋理和1維幾何紋理的合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理；其中，r和t為降低維度后的實際使用特征向量X中的兩個特征向量；為以兩個特征向量為中心的塊區(qū)域之間的距離；d_f(r,t)為以兩個特征向量為中心的塊區(qū)域之間的歐氏距離；d_t(r,t)為以兩個特征向量為中心的塊區(qū)域的當前合成紋理的歐式距離；為權重函數(shù)；Ω(s)為合成紋理的使用次數(shù)；μ為預設參數(shù)。

此處，值得說明的是，r和t可分別表示外觀紋理模型和三維模型上的兩個位置，上述的塊區(qū)域就是以這兩個位置為中心的矩形區(qū)域(例如3*3大小)，區(qū)域中的每個采樣位置都有一個特征向量；對于外觀紋理模型的塊區(qū)域，合成紋理是輸入時就已知的；對于三維模型的塊區(qū)域，它的合成紋理是待求解的，但對于每一步迭代，目前的合成紋理是已知的。因此利用這些信息計算得到的可以更新NNF，進而更新三維模型的合成紋理作為下一步迭代的已知條件。如此反復直到收斂，即可得到三維模型上最后的合成結果。

上述降低維度后的特征引導可以如圖9所示。上述的合成的幾何紋理和合成的材質紋理如圖10所示，圖10的左側為合成的幾何紋理，圖10的右側為合成的材質紋理。

步驟213、根據(jù)第一級幾何紋理增強三維模型每個頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定第一級幾何紋理增強三維模型各頂點對應的一個或多個第三幾何偏移向量；或者根據(jù)用戶選擇的感興趣區(qū)域的第一級幾何紋理增強三維模型頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定第一級幾何紋理增強三維模型各頂點對應的一個或多個第一幾何偏移向量。

在此處，用戶選擇的感興趣區(qū)域可增加在紋理增強中的可控性，允許用戶進行交互選擇，用戶的感興趣區(qū)域能夠按照本發(fā)明方法進行處理，而用戶感興趣之外的區(qū)域則可不作處理。

步驟214、將所述一個或多個第三幾何偏移向量進行平均值處理，確定第一級幾何紋理增強三維模型各頂點的第四幾何偏移向量。

步驟215、根據(jù)第一級幾何紋理增強三維模型各頂點的第四幾何偏移向量，確定第二級幾何紋理增強三維模型。

所述第二級幾何紋理增強三維模型的每個頂點位置為：

其中，P'為第一級幾何紋理增強三維模型當前的頂點位置；E_s'(P')為形狀正則項；D_m'(P_target)為根據(jù)第四幾何偏移向量移動后的頂點位置；β為平衡參數(shù)。

步驟216、在所述第二級幾何紋理增強三維模型上應用合成的材質紋理，并進行渲染，得到三維模型的外觀紋理合成結果。

第二級幾何紋理增強三維模型和最終得到的三維模型的外觀紋理合成結果如圖11所示。其中，左側為第二級幾何紋理增強三維模型，右側為最終得到的三維模型的外觀紋理合成結果。

在不同的三維模型上應用不同的外觀模型，如圖12所示，可以在R2D2機器人和唐朝馬的簡模上使用來自消防栓的外觀紋理。如圖13所示，可以在唐朝馬的簡模上使用來自石頭椅子的外觀紋理。如圖14所示，可以在鴨子容器的簡模上使用來自木頭軟椅的外觀紋理。可以看到，本發(fā)明能夠將不同外觀紋理模型上的細節(jié)外觀特征輕松復現(xiàn)在新輸入的其他簡單模型上，增加豐富的幾何和材質紋理，這一工作如果由建模師手工完成需要消耗大量時間精力。通過用戶想象力，可以制作出很多在真實世界中不存在但是卻看起來十分逼真，表面細節(jié)豐富的三維模型。

本發(fā)明實施例的三維模型的外觀紋理合成方法的應用場景有很多，例如集成到谷歌的sketchup軟件中，作為物體表面細節(jié)三維重建的輔助工具，簡化計算機美術工程師的工作量。或者，集成到有機建模軟件pixologic的zbrush上作為紋理庫，方便計算機美術工程師在自由創(chuàng)作模型上使用感興趣的外觀紋理，增加模型的自然感與逼真度。

本發(fā)明實施例提供的一種三維模型的外觀紋理合成方法，能夠確定預先設置的外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征；之后確定外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征的相似性信息；對所述三維模型進行第一級幾何紋理增強，生成第一級幾何紋理增強三維模型；之后確定第一級幾何紋理增強三維模型的幾何特征圖；根據(jù)所述幾何特征圖作為引導，進行外觀與材質互相關合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理；在第一級幾何紋理增強三維模型上根據(jù)所述合成的幾何紋理進行第二級幾何紋理增強，生成第二級幾何紋理增強三維模型；在所述第二級幾何紋理增強三維模型上應用合成的材質紋理，并進行渲染，得到三維模型的外觀紋理合成結果。這樣，通過兩級幾何紋理增強，可為用戶輸入的三維模型增加不同程度的幾何細節(jié)。同時，在合成第二級幾何紋理時同時考慮幾何紋理與材質紋理之間的互相關信息，使增加的外觀紋理在不僅僅具有豐富的幾何細節(jié)和顏色細節(jié)的同時，由于兩者之間來自真實數(shù)據(jù)的互相關信息，更具有視覺真實性；從而可解決當前現(xiàn)有技術的貼圖形式的外觀紋理在視覺上不真實，且無法捕捉足夠的外觀紋理信息的問題。

對應于圖1和圖2所示的方法實施例，如圖15所示，本發(fā)明實施例提供一種三維模型的外觀紋理合成裝置，包括：

模型獲取單元31，用于獲取預先設置的外觀紋理模型和用戶輸入的三維模型。

全局幾何特征確定單元32，用于確定預先設置的外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征。

相似性確定單元33，用于確定外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征的相似性信息。

第一級幾何紋理增強單元34，用于根據(jù)所述相似性信息對所述三維模型進行第一級幾何紋理增強，生成第一級幾何紋理增強三維模型。

幾何特征圖確定單元35，用于確定第一級幾何紋理增強三維模型的幾何特征圖。

合成紋理生成單元36，用于根據(jù)所述幾何特征圖作為引導，進行外觀與材質互相關合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理。

第二級幾何紋理增強單元37，用于在第一級幾何紋理增強三維模型上根據(jù)所述合成的幾何紋理進行第二級幾何紋理增強，生成第二級幾何紋理增強三維模型。

三維模型的外觀紋理合成結果生成單元38，用于在所述第二級幾何紋理增強三維模型上應用合成的材質紋理，并進行渲染，得到三維模型的外觀紋理合成結果。

另外，所述全局幾何特征確定單元32，具體用于：

將外觀紋理模型和三維模型通過各自的對稱平面進行對齊；所述對稱平面通過RANSAC算法獲得。

在參數(shù)網(wǎng)格上，確定三維模型的每個頂點的全局幾何特征；其中，所述每個頂點的全局幾何特征由一個9維向量表示，所述9維向量包括：1維歸一化高度值、4維對稱面投影法向量與位置、4維對稱面一致的方向阻擋。

獲取外觀紋理模型的每個頂點的全局幾何特征和外觀紋理模型的其他位置的全局幾何特征。

根據(jù)三維模型的每個頂點的全局幾何特征進行插值計算，確定參數(shù)網(wǎng)格上三維模型的其他位置的全局幾何特征。

另外，所述相似性確定單元33，具體用于：

根據(jù)塊匹配方法，通過外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征反復更新最近鄰場NNF直至收斂，確定三維模型每個頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，或者接收用戶的選擇指令，確定用戶的選擇指令對應的感興趣區(qū)域，確定所述感興趣區(qū)域的三維模型頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置。

此外，所述外觀紋理模型的每個頂點對應有一個第一幾何偏移向量。

所述第一級幾何紋理增強單元34，具體用于：

根據(jù)三維模型每個頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定三維模型各頂點對應的一個或多個第一幾何偏移向量；或者根據(jù)所述感興趣區(qū)域的三維模型頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定三維模型各頂點對應的一個或多個第一幾何偏移向量。

將所述一個或多個第一幾何偏移向量進行平均值處理，確定三維模型各頂點的第二幾何偏移向量。

根據(jù)三維模型各頂點的第二幾何偏移向量，確定第一級幾何紋理增強三維模型。

所述第一級幾何紋理增強三維模型的每個頂點位置為：

其中，P為三維模型當前的頂點位置；E_s(P)為形狀正則項；D_m(P_target)為根據(jù)第二幾何偏移向量移動后的頂點位置；β為平衡參數(shù)。

此外，所述幾何特征圖確定單元35，具體用于：

以第一級幾何紋理增強三維模型中的每個頂點為球心，以預先設置的四個長度為半徑，確定所述四個長度對應的球與第一級幾何紋理增強三維模型相交的部分占四個長度各自對應的球的體積比率；所述體積比率為所述四個長度對應在該頂點處的固態(tài)曲率角。

將第一級幾何紋理增強三維模型的全局幾何特征的9維向量與四個長度對應在該頂點處的固態(tài)曲率角構成的4維向量，構成第一級幾何紋理增強三維模型的13維幾何特征向量。

此外，所述合成紋理生成單元36，具體用于：

根據(jù)公式：

確定降低維度后的實際使用特征向量X；其中，W_x和W_y表示最大相關性分析的返回矩陣；為對角矩陣；X為第一級幾何紋理增強三維模型的13維幾何特征向量；Y為第一級幾何紋理增強三維模型對應的外觀紋理模型。

通過距離函數(shù)：

根據(jù)降低維度后的實際使用特征向量X進行特征引導，進行包含3維材質紋理和1維幾何紋理的合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理；其中，r和t為降低維度后的實際使用特征向量X中的兩個特征向量；為以兩個特征向量為中心的塊區(qū)域之間的距離；d_f(r,t)為以兩個特征向量為中心的塊區(qū)域之間的歐氏距離；d_t(r,t)為以兩個特征向量為中心的塊區(qū)域的當前合成紋理的歐式距離；為權重函數(shù)；Ω(s)為合成紋理的使用次數(shù)；μ為預設參數(shù)。

此外，所述第二級幾何紋理增強單元37，具體用于：

根據(jù)第一級幾何紋理增強三維模型每個頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定第一級幾何紋理增強三維模型各頂點對應的一個或多個第三幾何偏移向量；或者根據(jù)用戶選擇的感興趣區(qū)域的第一級幾何紋理增強三維模型頂點對應外觀紋理模型中的頂點位置，確定第一級幾何紋理增強三維模型各頂點對應的一個或多個第一幾何偏移向量。

將所述一個或多個第三幾何偏移向量進行平均值處理，確定第一級幾何紋理增強三維模型各頂點的第四幾何偏移向量。

根據(jù)第一級幾何紋理增強三維模型各頂點的第四幾何偏移向量，確定第二級幾何紋理增強三維模型。

所述第二級幾何紋理增強三維模型的每個頂點位置為：

其中，P'為第一級幾何紋理增強三維模型當前的頂點位置；E_s'(P')為形狀正則項；D_m'(P_target)為根據(jù)第四幾何偏移向量移動后的頂點位置；β為平衡參數(shù)。

本發(fā)明實施例提供的一種三維模型的外觀紋理合成裝置，能夠確定預先設置的外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征；之后確定外觀紋理模型的全局幾何特征和三維模型的全局幾何特征的相似性信息；對所述三維模型進行第一級幾何紋理增強，生成第一級幾何紋理增強三維模型；之后確定第一級幾何紋理增強三維模型的幾何特征圖；根據(jù)所述幾何特征圖作為引導，進行外觀與材質互相關合成，生成合成的幾何紋理和合成的材質紋理；在第一級幾何紋理增強三維模型上根據(jù)所述合成的幾何紋理進行第二級幾何紋理增強，生成第二級幾何紋理增強三維模型；在所述第二級幾何紋理增強三維模型上應用合成的材質紋理，并進行渲染，得到三維模型的外觀紋理合成結果。這樣，通過兩級幾何紋理增強，可為用戶輸入的三維模型增加不同程度的幾何細節(jié)。同時，在合成第二級幾何紋理時同時考慮幾何紋理與材質紋理之間的互相關信息，使增加的外觀紋理在不僅僅具有豐富的幾何細節(jié)和顏色細節(jié)的同時，由于兩者之間來自真實數(shù)據(jù)的互相關信息，更具有視覺真實性；從而可解決當前現(xiàn)有技術的貼圖形式的外觀紋理在視覺上不真實，且無法捕捉足夠的外觀紋理信息的問題。

本領域內的技術人員應明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實施例的方法、設備(系統(tǒng))、和計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合?？商峁┻@些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備的處理器以產(chǎn)生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

本發(fā)明中應用了具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。