一种利用透视草图创建三维曲面模型的方法技术

本发明专利技术公开了利用透视草图创建三维曲面模型的方法，包括以下步骤：将手绘草图识别处理为由轮廓边和关节点构成的点边图，并识别封闭区域；识别三维曲面模型的对称关系，并同时利用对称性以及可见性对轮廓进行隐藏轮廓补全；根据对称关系建立曲面模型的对象坐标系，并计算曲面模型轮廓边关节点的三维坐标，根据关节点的三维坐标以及关节点之间的曲线投影，恢复出关节点之间三维空间曲线的坐标；根据水平级建模方法与Ｂ样条曲面拟合方法的特点将模型的三维封闭区域分类成不同的封闭区域片，根据封闭区域片的特点采用水平级建模方法或者Ｂ样条曲面拟合方法将封闭区域片建模为子曲面，对这些子曲面进行离散混合拼接为三维模型。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种图形分析与解释的处理方法，属于计算机图形学
，具体 地说是。
技术介绍
曲面模型复杂多样，以其纷繁的表现力广泛应用于设计创作领域中，是复杂模型 设计中的重要构件。曲面模型也正因为本身复杂无固定几何规则的特征，其创建相比于多 面体模型更为复杂。现行多数三维曲面模型创建技术关注于曲面参数等细节设计部分，其 操作复杂并要求掌握相关的数学、图形学专业知识，而且无法从整体把握三维曲面模型的 创建，这限制了多数设计师的创意表达。事实上，采用草绘的交互方式才是最理想最符合设 计师设计习惯的方式。^Kl :T. Igarashi,S. Matsuoka,and H. Tanaka,Teddy :A Sketching Interface for 3DFreeform Design, Proc. Siggraph, 1999, ACM Press,pp. 409-416.以及其扩展文献 2 0.A. Karpenko and J.F. Hughes, “SmoothSketch 3D Free-Form Shapes from Complex Sketches, ” ACM Trans. Graphics, vol. 25，no. 3，2006，pp. 589-598.禾口文献 3 :F. Cordier and H. Seo,Free-form sketching of self-occluding objects,IEEE Computer Graphics and Applications 27 (1) (2007)，pp. 50-59.中提出的方法利用草图对曲面模型进行重建， 但这几种方法通过绘制三维对象的俯视草图进行交互，这种草图无法反映三维对象的深度 信息，只能用于特定的无棱角棱边、无规则特征、可以用文中提出的膨胀方法建模的曲面物 体。事实上，透视图可以表现三维模型的深度信息，也正因为透视图的这一特点，设 计师在设计过程中会绘制透视草图来表现模型的三维特征，因此透视草图交互创建三维 曲面是一种理想的草图交互方式。由于草图的随意性模糊性特点，无法直接利用投影规 则、阴影、纹理等视觉特征从设计师徒手绘制的草图中恢复三维模型，因此诸如从X生成 形状技术(shape from X :X代表视频、阴影、纹理、聚焦和光流等视觉特征)、文献4 于 永彦，于长辉.基于对称物体的3维重构技术研究.中国图象图形学报，2008,13(11) 2197-2203.提出的图像视觉方面的技术无法应用于草图重建中。已有关于透视草图重建 三维对象的研究多数针对多面体(polyhedra)对象，如文献5 :T. Kanade，“Recovery of the three-dimensional shape of an object from a single view, Artif. Intell., vol. 17，pp. 409-460，1981.中提出的方法，而对于透视草图重建三维曲面模型的研究则很 少，其中，文献6 王玉慧，鲁聪达.CAID中由透视草图重建三维模型的算法研究.浙江工 业大学学报，2003，31 (4) 369-371.中以射影几何、透视理论的基本原理为基础，给出了平 面立体，二次曲面及自由曲线的透视图数字化算法，该方法可以对透视图处理，创建出三维 平面以及自由曲面，但该方法产生的自由曲面仍为平面自由曲面，对于不共面的自由曲线 曲面无法处理，并且在进行自由曲面绘制时，需同时将自由曲面所在平面绘制，这种方式 一定程度上限制了设计师的绘制自由；文献7P.A. C. Varley, Y. Takahashi, J. Mitani, andH. Suzuki. 2004. A two-stage approach for interpreting line drawings of curved objects. In EUROGRAPHICS Workshop on Sketch-Based Interfaces and Modeling.中提 出一个解释曲面模型草图绘制的两步方法，首先绘制一个多面体的透视图，这个多面体与 所需曲面模型有相同的点边图(vertex-edge graph)，利用已有的多面体建模方法创建多 面体模型，再以此多面体为模板，绘制曲线，最终生成曲面模型。这个方法同样，只能产生 在多面体模板平面上的曲线，并且设计师在绘制时需先绘制模板对象，这使得设计师绘制 更加繁琐；另外，文献 8Ulupinar, F. and Nevatia, R. , Using symmetries for analysis of shape from contour, Proceedings 2nd International Conference on Computer Vision(1988)414-426.中提出了两种对称性，并利用这两种对称性对对称零高斯曲率曲面 和对称双重曲面进行三维重建。这种方法可以对一些特定条件的曲面透视图进行识别并创 建，但对于一般的不符合零高斯曲率或者双重曲面的曲面无法创建。总的来说，曲面模型在设计创作领域中拥有着广泛的应用，但由于其本身的复杂 特性以及现行创建技术的繁琐操作，对于没有特定专业知识的设计师无法利用现行设计软 件快速建模，这很大程度上限制了曲面模型的设计。而透视草图最符合设计师设计三维模 型的习惯，是最理想的三维曲面模型创建的交互方式。但由于已有这方面研究有限，并且没 有成熟且理想的根据透视草图创建三维曲面模型的方法。因此，如何从用户绘制的透视草 图中获取深度信息重建三维曲面模型是采用草绘创建三维模型的重要课题。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种利用透 视草图创建三维曲面模型的方法，用于支持用户以绘制单幅透视草图的方式直接创建三维 曲面模型。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种利用透视草图创建三维曲面模型的方 法，包括以下步骤步骤一，形状线索发现从输入的透视草图中识别出由轮廓边和连接轮廓边的关 节点组成的点边图G(V，Ε)，其中，E为轮廓边，V为连接轮廓边的关节点；识别出封闭区域， 所述封闭区域即为由轮廓边通过关节点相连得到的包围区域，其包围区域内不含有任何其 他轮廓边；轮廓边由草图笔划采样点组成，所述采样点称为轮廓点；轮廓点的草图坐标系 原点为草图的左下角，χ轴水平向右，y轴竖直向上；步骤二，三维视角恢复包括对称关系识别、观察坐标系恢复和坐标计算三个步 骤；对称关系识别识别模型各元素之间的对称关系，并推断出隐藏轮廓线，所述模型 各元素指的是模型中的关节点、轮廓边和封闭区域；所述对称关系即关节点与关节点、轮廓 边与轮廓边、封闭区域与封闭区域互相对称的关系；观察坐标系恢复根据所述对称关系计算模型的观察坐标系；坐标计算用于计算轮廓点的空间三维坐标；步骤三，三维模型重建包括基准面检测、子曲面建模和曲面拼接三个步骤；基准面检测将草图的封闭区域分类为基准面对应多个区域的封闭区域片和基准 面对应单个区域的封闭区域片；所述封闭区域片为相邻接的封闭区域集合；子曲面建模将封闭区域片建模为子曲面，即对基准面对应多个区域的封闭本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用透视草图创建三维曲面模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，形状线索发现：从输入的透视草图中识别出由轮廓边和连接轮廓边的关节点组成的点边图Ｇ（Ｖ，Ｅ），其中，Ｅ为轮廓边，Ｖ为连接轮廓边的关节点；识别出封闭区域，所述封闭区域即为由轮廓边通过关节点相连得到的包围区域，其包围区域内不含有任何其他轮廓边；轮廓边由草图笔划采样点组成，所述采样点称为轮廓点；轮廓点的草图坐标系原点为草图的左下角，ｘ轴水平向右，ｙ轴竖直向上；步骤二，三维视角恢复：包括对称关系识别、观察坐标系恢复和坐标计算三个步骤；对称关系识别识别模型各元素之间的对称关系，并推断出隐藏轮廓线，所述模型各元素指的是模型中的关节点、轮廓边和封闭区域；所述对称关系即关节点与关节点、轮廓边与轮廓边、封闭区域与封闭区域互相对称的关系；观察坐标系恢复根据所述对称关系计算模型的观察坐标系；坐标计算用于计算轮廓点的空间三维坐标；步骤三，三维模型重建：包括基准面检测、子曲面建模和曲面拼接三个步骤；基准面检测将草图的封闭区域分类为基准面对应多个区域的封闭区域片和基准面对应单个区域的封闭区域片；所述封闭区域片为相邻接的封闭区域集合；子曲面建模将封闭区域片建模为子曲面，即对基准面对应多个区域的封闭区域片和基准面对应单个区域的封闭区域片进行建模；曲面拼接部分对子曲面进行拼接得到三维曲面模型。...

【技术特征摘要】
一种利用透视草图创建三维曲面模型的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一，形状线索发现从输入的透视草图中识别出由轮廓边和连接轮廓边的关节点组成的点边图G(V，E)，其中，E为轮廓边，V为连接轮廓边的关节点；识别出封闭区域，所述封闭区域即为由轮廓边通过关节点相连得到的包围区域，其包围区域内不含有任何其他轮廓边；轮廓边由草图笔划采样点组成，所述采样点称为轮廓点；轮廓点的草图坐标系原点为草图的左下角，x轴水平向右，y轴竖直向上；步骤二，三维视角恢复包括对称关系识别、观察坐标系恢复和坐标计算三个步骤；对称关系识别识别模型各元素之间的对称关系，并推断出隐藏轮廓线，所述模型各元素指的是模型中的关节点、轮廓边和封闭区域；所述对称关系即关节点与关节点、轮廓边与轮廓边、封闭区域与封闭区域互相对称的关系；观察坐标系恢复根据所述对称关系计算模型的观察坐标系；坐标计算用于计算轮廓点的空间三维坐标；步骤三，三维模型重建包括基准面检测、子曲面建模和曲面拼接三个步骤；基准面检测将草图的封闭区域分类为基准面对应多个区域的封闭区域片和基准面对应单个区域的封闭区域片；所述封闭区域片为相邻接的封闭区域集合；子曲面建模将封闭区域片建模为子曲面，即对基准面对应多个区域的封闭区域片和基准面对应单个区域的封闭区域片进行建模；曲面拼接部分对子曲面进行拼接得到三维曲面模型。2.根据权利要求1所述的一种利用透视草图创建三维曲面模型的方法，其特征在于， 步骤一还包括连接断开的轮廓边笔划，即将两个笔划端点距离小于一定阈值的两个笔划的 两个端点连接。3.根据权利要求1所述的一种利用透视草图创建三维曲面模型的方法，其特征在于， 步骤一中将输入草图的笔划识别为由轮廓边和连接轮廓边的关节点组成的点边图G(V，Ε) 具体包括分离相交叉轮廓，产生新的关节点与轮廓边首先按交叉笔划的数量分为多笔划交叉和两笔划交叉；如果为多笔划交叉则将该交叉点作为新的关节点，将由所述新的关节点分离的笔划段 作为新的轮廓边，所述多笔划为笔划数大于等于3 ；如果为两笔划交叉，则分为十字交叉和T型交叉；如果两个相交叉轮廓为十字交叉，则 将两条轮廓的交叉点作为新的关节点，将两个相交叉的轮廓各自由所述新的关节点分成的 两段作为新的轮廓边；如果相交叉的轮廓为T型交叉，则根据轮廓边在交叉点处的曲率大 小，判断T型交叉点是否为遮挡点，所述遮挡点为实际三维模型中轮廓一端被遮挡的点；如 果是遮挡点，则轮廓保持原样，如果不是遮挡点，则将该T型交叉点作为新的关节点，并将 相交轮廓由所述新的关节点分成两段作为新的轮廓边。4.根据权利要求3所述的一种利用透视草图创建三维曲面模型的方法，其特征在于， 步骤二中，所述对称关系识别部分包括以下步骤步骤211，对称假设枚举轮廓边，假设为自对称轮廓边，即轮廓边自身对称且轮廓边 两端关节点也互相对称；步骤212，对称关系推断根据假设的模型元素之间的对称关系以及已推断出的模型 元素之间的对称关系，推断部分封闭区域之间的对称关系；若所有关节点、轮廓边以及封闭区域的对称关系能正确检测出，则进行观察坐标系恢复步骤；若当前对称关系推断部分没 有推断出新的封闭区域之间的对称关系，且还存在未推断出对称关系的关节点，则返回步 骤211继续枚举其他轮廓边；否则进行步骤213 ；步骤213，对称性验证根据推断出的封闭区域之间的对称关系，首先验证所述封闭区 域中各个关节点之间的对称关系，然后验证所述封闭区域中的轮廓边之间的对称关系，进 而验证相互对称的轮廓边上的轮廓点之间的对称关系；若验证出任意关节点、轮廓边或轮 廓点的对称关系错误，则判断当前的对称假设错误，返回步骤211继续枚举其他轮廓边，否 则进行步骤214;步骤214，隐藏轮廓推断包括两种推断方式一是对遮挡点处的隐藏轮廓进行推断， 二是对未识别对称性的封闭区域根据当前的对称假设，推断其对称镜像，从而推断出隐藏 轮廓；所述未识别对称性的封闭区域满足两个条件一是没有推断出其对称性，二是其部 分轮廓边的对称关系已识别；所述对称镜像是指与已知封闭区域对称，但被遮挡的封闭区 域；步骤215，可见性验证验证隐藏轮廓的可见性，若隐藏轮廓可见，则判定当前的对称 假设错误，返回步骤211 ；否则，将隐藏轮廓作为隐藏轮廓边，所述隐藏轮廓边为被遮挡的 轮廓边，以隐藏轮廓边为起始边进行封闭区域检测，得到新的包含隐藏轮廓边的封闭区域， 进行步骤212。5.根据权利要求4所述的一种利用透视草图创建三维曲面模型的方法，其特征在于， 步骤二中，所述观察坐标系恢复部分包括以下步骤步骤221，确定水平基准面计算二维草图坐标y值最小的一条非自对称轮廓边，将该 轮廓边与其对称轮廓边所在...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙正兴，章菲倩，张尧烨，刘凯，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]