CN102074042B - 可利用日常物品生成丰富图案效果的图案生成系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种图案生成系统，旨在让用户使用任意实物来生成效果丰富的图案。本发明由摄像装置、显示装置和其他一系列处理部件构成。摄像装置获取的视频图像经由各个部件处理后由显示装置显示出来，并被摄像装置获取，形成视频信号反馈，引发混沌效应，从而在显示装置上将显现出变化多端的图案效果。用户可在摄像装置和显示装置之间摆放任意实物，从而在显示装置上生成丰富的图案，操作简便。

Description

可利用日常物品生成丰富图案效果的图案生成系统及方法

技术领域

本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种可利用日常物品生成丰富图案效果的图案生成系统及方法。

背景技术

传统的图案设计技术手段有：1）手绘技法——点绘法、线描法、平涂法、晕染法、明暗光影法、刮法、化水法、喷刷法等；2）印染法——脱胶法、捏染法、盖印法、拓印法、转印法；3）材料技法——粘贴法、堆锦丝法、吸附法、吹法、撑水法等；4）特殊技法。传统技法的优点是能够充分运用实际材质，效果自然，缺点是设计效率低，不能满足当今快速变换的市场需求，且技术难度高，难以被大众掌握。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可利用日常物品生成丰富图案效果的图案生成系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种可利用日常物品生成丰富图案效果的图案生成系统，它包括：图形生成装置、交互装置、图像缓冲器、图形处理装置、图形缓冲器、渲染装置、摄像装置和显示装置；其中，所述交互装置分别与图形生成装置、图形缓冲器和渲染装置相连，图形生成装置与图形缓冲器相连，摄像装置、图像缓冲器、图形处理装置、图形缓冲器、渲染装置和显示装置依次相连，上述连接均为通过数据线连接；所述摄像装置由若干个摄像头组成，每个摄像头均朝向显示装置，且均与图像缓冲器相连。

进一步地，所述显示装置可以为普通液晶显示器或CRT显示器。

一种应用上述系统的利用日常物品生成丰富图案效果的方法，包括如下步骤：

（1）摄像装置获取视频图像，保存至图像缓冲器；

（2）图像缓冲器将图像传输到图形处理装置，图形缓冲器将保存的三维曲面图形传输到图形处理装置，图形处理装置根据交互装置的设定选取一种处理方法并设置运算参数，利用获得的图像对每个三维曲面进行处理，然后用处理后的三维曲面对图形缓冲器中原来保存的三维曲面进行更新；

（3）渲染装置从交互装置获取渲染参数，从图形缓冲器获得三维曲面图形进行渲染，生成光栅化图像，传输至显示装置；

（4）显示装置对光栅化图像进行显示。

与现有的图案生成系统相比，本发明的有益效果为：

1．用户可以使用各种日常物品来生成图案，且操作方法简单易学。这是因为用户只需将物品摆放在摄像装置和显示装置之间，并任意改变其方位，同时通过显示装置即可观看生成的图案。

2．利用本发明可以快速、高效地生成大量图案，且图案的构图形式丰富多样，用户只需在交互装置中调整参数或尝试使用各种日常物品，便可生成多种样式和效果的图案。这是因为：1）摄像头获取的图像经多个部件进行处理，其中每个部件都有丰富的可调整参数，每个参数的变化都将导致生成难以预料的图案效果；2）日常物品具有丰富的外观形式，任何不同的日常物品放置到系统中，都可以生成截然不同的视觉效果，且同一个物品的不同摆放方式也将导致多种图案效果。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图。

具体实施方式

本发明要解决的问题是以往的图案生成系统中存在的以下难题：

1.     难以便捷地运用各种日常物品来生成图案；

2.     难以快捷的生成多种构图形式的图案，如传统图案构图中的连续纹样、适合纹样及单独纹样，以及基于对称性规律、周期性规律及非周期性规律的图案，以及分形图案及非规则图案。

本发明将摄像设备拍摄的图像经处理部件处理后显示于显示设备，然后又被摄像设备获取，从而形成视频信号的反馈，导致混沌效应，从而生成丰富的图案。同时，本发明的结构允许用户将任何实物设备放置于摄像设备及显示设备之间，生成图案。

下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明可利用日常物品生成丰富图案效果的图案生成系统包括：图形生成装置、交互装置、图像缓冲器、图形处理装置、图形缓冲器、渲染装置、摄像装置和显示装置。其中，交互装置分别与图形生成装置、图形缓冲器和渲染装置相连，图形生成装置与图形缓冲器相连，摄像装置、图像缓冲器、图形处理装置、图形缓冲器、渲染装置和显示装置依次相连，上述连接均为通过数据线连接。

摄像装置包含不少于一个摄像头，且每个摄像头与显示装置耦合，即每个摄像头都指向显示装置，使得显示装置的有效显示范围完全或部分地处于摄像头的取景范围之内，构成了视频信号反馈，即处理后由显示装置显示的图像反馈到系统的输入端——摄像装置，并且每个摄像头的感光频率范围都能够包含显示装置的发光频率范围，保证了显示装置显示的色彩能够被摄像装置有效地获取。摄像装置实时地拍摄显示装置上显示的图像，并将获得的视频图像传输到图像缓冲器。

图像缓冲器保存摄像装置获取的图像，并能及时将图像传输到图形处理装置。

图形生成装置的功能是生成三维曲面图形数据，包括描述曲面的空间位置属性的数据及附属的视觉特征属性的数据（如描述曲面颜色的数据、描述曲面透明度的Alpha通道、描述曲面反色率、折射率及透射率的数据等），生成的图形可以是一个或多个有限大小曲面，图形生成运算的各种参量由交互装置提供。生成的图形将保存至图形缓冲器，供图形处理装置调用。

图形缓冲器保存三维曲面图形数据，供图形处理装置及渲染装置处理。

图形处理装置的工作方式为：从图像缓冲器获取图像，从图形缓冲器获取三维曲面图形，然后根据交互装置设定的处理方法及运算参数，利用获取的图像对每个三维曲面的各种属性进行处理，然后用处理后的三维曲面对图形缓冲器中原来保存的三维曲面进行更新。这一过程中，图形处理装置对三维曲面属性的处理方式包括以下几种：1）将图像映射到整个三维曲面与之重叠，然后直接用图像对三维曲面的属性进行赋值；2）将图像映射到整个三维曲面后，与曲面的属性值进行Alpha混合运算，然后将运算结果赋值给曲面的属性；3）将图像映射到整个三维曲面后，与曲面的属性值进行线性组合，然后将运算结果赋值给曲面的属性；4）将图像映射到整个三维曲面后，将图像与曲面的属性作为自变量代入非线性函数进行运算，运算结果赋值给曲面的属性；选取上述何种处理方式以及运算中所需的参数都由交互装置设定。在实际实施中，曲面属性的取值一般都有一定取值范围，若上述运算结果超出取值范围，则需要对其处理将其限定到取值范围内，处理方法包括：1）将处理结果映射到该属性规定的取值范围内；2）将超出取值范围的多余量进行舍去，使其取值为取值范围的端点值。

渲染装置对图形缓冲器中保存的三维曲面进行渲染，生成可由显示装置显示的平面光栅化图像，传输到显示装置。

显示装置显示渲染装置生成的平面光栅化图像，可以为普通液晶显示器或CRT显示器。

交互装置为用户提供了一系列接口，让用户输入或调整图形生成装置、图形处理装置及渲染装置运行时所需的一系列参数。

本发明可利用日常物品生成丰富图案效果的图案生成方法，包括如下步骤：

第一步，摄像装置获取视频图像，保存至图像缓冲器；

第二步，图像缓冲器将图像传输到图形处理装置，图形缓冲器将保存的三维曲面图形传输到图形处理装置，图形处理装置根据交互装置的设定选取一种处理方法并设置运算参数，利用获得的图像对每个三维曲面进行处理，然后用处理后的三维曲面对图形缓冲器中原来保存的三维曲面进行更新；

第三步，渲染装置从交互装置获取渲染参数，从图形缓冲器获得三维曲面图形进行渲染，生成光栅化图像，传输至显示装置；

第四步，显示装置对光栅化图像进行显示；

这一流程循环往复进行。

实施例1

本实施例中各个部件的具体实施要点如下：

摄像装置由数个摄像头构成，摄像头被固定在特定的活动支架上，通过支架的活动可以改变摄像头的拍摄方位，但支架也限定了摄像头将始终指向显示装置，使得显示装置的有效显示范围完全或部分处于摄像头的取景范围之内。

图像缓冲器中将摄像装置获取的图像保存为灰度图像。摄像头获取的图像包含一个或多个色彩通道，每个色彩通道都是一幅灰度图像，摄像装置将图像传输到图像缓冲器后，图像缓冲器将每一色彩通道都保存为一幅灰度图像。

图形生成装置生成网格化的三维曲面。作为实际的处理过程，三维曲面无法用绝对精确的方式表示，可采用离散的网格形式。采用网格表示的三维曲面，其每种属性都可用相同大小的矩阵表示，矩阵的每个元素表示了对应的网格交点处的属性值，而位于网格交点之间位置的属性值可由相邻的四个网格交点处的属性值插值而得。三维曲面的属性包括空间位置、RGB颜色值、表示透明度的Alpha值、反射率值、折射率值及透射率值。曲面的空间位置由三个矩阵X、Y、Z表示，代表了网格上各交点的空间坐标，三个矩阵中的对应元素(x, y, z)表示了对应的网格交点处的坐标值，RGB颜色值由R、G、B三个矩阵表示，代表了网格上各交点的RGB色彩值，Alpha值由矩阵A表示，代表了网格上各交点的Alpha值，反射率值、折射率值及透射率值分别由矩阵R ₁ 、R ₂ 、T表示。

图形生成装置的三维曲面生成方法有两种，第一种是从存储器载入三维曲面数据；第二种是直接生成标准化等距网格（网格上任意两相邻交点的距离为恒值），然后对其空间位置数据X、Y、Z进行几何变换，变换方式有仿射变换、透视变换及保形变换，然后对其附属的视觉特征属性进行赋值，赋值方法为随机赋值或从存储器载入。三维图形的仿射变换和投影变换在解析几何及计算机图形学的诸多著作中有大量论述，此处不再赘述，而保形变换主要来源于复变函数领域，是对复平面上的点进行位置变换，较少用于三维图形，下面对本实施例中的保形变换进行详细说明。设标准化等距网格上某交点的坐标为（x, y, z），其值来自于矩阵X、Y、Z，根据交互装置的设定，选取其中两个坐标值，分别作为复数c的实部和虚部，例如交互装置设定了以x为实部、y为虚部，则c= x+iy，然后，对c进行保形变换c’= f(c)= x’+iy’，则（x’, y’, z）即为变换后该交点的坐标。保形变换在复变函数的著作中有详细论述，在本实施例中，通过交互装置可以选择的保形变换有以下种类：

图形处理装置根据图像缓冲器中的灰度图像对图形缓冲器中的网格化三维曲面进行处理。设图像缓冲器中保存了n幅灰度图像。对某一三维曲面S的处理，即是根据这些灰度图像对S的属性进行处理。曲面S的待处理的l种属性用符号P _i （即P ₁ , P ₂ ,…P _l ）表示， 则依据前述的网格化三维曲面表示方法，P _i 为一个矩阵。P _i 可以代指曲面的空间位置属性X, Y, Z, 也可以代指附加的视觉特征属性R, G, B, A, R ₁ , R ₂ , T等，具体是哪一个取决于交互装置的设定。则对曲面S的处理即是对其属性P _i 的处理，有四种处理方式：

1．依据交互装置的设定，从图像缓冲器中选取一幅灰度图像，将其映射到曲面S与之完全重叠，映射方法即是将灰度图像重新取样，获得与属性P _i 相同大小的矩I，然后直接用矩阵I对P _i 赋值。若灰度图像I与属性P _i 的取值范围不同，则需在赋值时将I的值线性映射到P _i 的取值范围内，具体运算规则如下描述：设灰度图像I的取值范围为[a, b]，属性P _i 的取值范围为[c, d]，灰度图像I中某一元素的值为v，线性映射到取值范围为[c, d]内的值为v’，则线性映射的运算公式为：

2. 依据交互装置的设定，从图像缓冲器中选取m幅灰度图像，将每一幅都映射到曲面S与之完全重叠，映射方法即是将灰度图像重新取样，获得与曲面S的属性P _i 相同大小的矩阵I ₁ , I ₂ ,…, I _m ，然后从矩阵P ₁ , P ₂ ,…P _l 与I ₁ , I ₂ ,…, I _m 选取四个，进行Alpha混合运算，得到处理后的属性值矩阵P，然后用P对属性P _i 赋值。Alpha混合是指将前景图像与背景图像中的对应像素的色彩值及Alpha值混合为新的色彩值及Alpha值。Alpha混合技术涉及图像的透明度的表示方法以及透明图像之间的色彩混合，由A. R. Smith在20世纪70年代提出来，最终由Thomas Porter和Tom Duff在1984年发展成熟（http://en.wikipedia.org/wiki/Alpha_compositing ）（Porter, Thomas; Tom Duff (1984). "Compositing Digital Images". Computer Graphics 18 (3): 253–259），当前已成为图像处理领域的一种基本技术。目前的图像处理软件已大量运用Alpha混合技术，例如在常用的软件Adobe Photoshop中即采用了Alpha混合技术将包含多图层的图像混合为一幅目标图像从而进行显示。Alpha混合还包含多种混合模式，也即多种运算公式。具体的，本实施例采用以下方式进行Alpha混合运算：

首先对P ₁ , P ₂ ,…P _l 与I ₁ , I ₂ ,…, I _m 中的数值进行归一化，即通过线性映射将其取值范围映射到[0, 1]，然后根据交互装置的设定从这些矩阵中选取四个，作为Alpha混合的前景图I _s 、背景图I _d 及二者的Alpha通道Alpha _s 和 Alpha _d ，这四个矩阵的对应元素分别用符号c _s , c _d , a _s , a _d 表示，对应元素混合后的色彩值和Alpha值用符号c _t , a _t 表示，则Alpha混合的运算公式如下：

Alpha混合运算对四个矩阵的每一对应像素都进行混合，结果为由所有c _t , a _t 分别构成的两个矩阵I _t 和Alpha _t 。然后二者选其一，对属性P _i 进行赋值。若矩阵I _t 和Alpha _t 的取值范围与属性P _i 不同，则需要对二者的取值进行更改，使其取值范围符合属性P _i 的取值范围，方法有两种：1）将其值线性映射到该属性P _i 规定的取值范围，此方法与第一种处理方法中描述的线性映射一样；2）对矩阵I _t 和Alpha _t 中取值超出P _i 规定的取值范围的值，将超出取值范围的多余量舍去，使其取值为P _i 规定的取值范围的端点值；选取何种方法则由交互装置决定。

3. 依据交互装置的设定，从图像缓冲器中选取m幅灰度图像，将每一幅都映射到曲面S与之完全重叠，映射方法即是将灰度图像重新取样，获得与属性P _i 相同大小的矩阵I ₁ , I ₂ ,…, I _m ，然后对P ₁ , P ₂ ,…P _l 与I ₁ , I ₂ ,…, I _m 中的数值进行归一化，即通过线性映射将其取值范围映射到[0, 1]，然后将求取它们的线性组合：

其中，

。

然后，利用线性组合的结果P对属性P _i 赋值。若P的取值范围与属性P _i 不同，则需对P的取值进行更改，使其取值范围符合属性P _i 的取值范围，采用的方法有两种：1）将P的值线性映射到该属性P _i 规定的取值范围，此方法与第一种处理方法中描述的线性映射一样；2）对矩阵P中取值超出P _i 规定的取值范围的值，将超出取值范围的多余量舍去，使其取值为P _i 规定的取值范围的端点值；选取何种方法则由交互装置决定。

4. 依据交互装置的设定，从图像缓冲器中选取m幅灰度图像，将每一幅都映射到曲面S与之完全重叠，映射方法即是将灰度图像重新取样，获得与属性P _i 相同大小的矩阵I ₁ , I ₂ ,…, I _m ，然后将矩阵P ₁ , P ₂ ,…P _l 与I ₁ , I ₂ ,…, I _m 的对应元素作为自变量代入非线性函数进行运算，得到处理后的属性值矩阵P，然后用P对属性P _i 赋值，并且将其值线性映射到该属性规定的取值范围。具体的，运算方法如下：

从矩阵P ₁ , P ₂ ,…P _l 与I ₁ , I ₂ ,…, I _m 中选取q个，并通过线性映射将其取值范围映射到[0, 1]，设此时q个矩阵中对应元素分别为m ₁ , m ₂ , …, m _q ，则将q个值代入非线性函数f进行运算，得到矩阵P中对应元素的值m _p ，即m _p =f(m ₁ , m ₂ , …, m _q )，对于q个矩阵中每个对应元素都代入此非线性函数进行运算，即得到矩阵P，然后用矩阵P对属性P _i 赋值，赋值时需要将P的取值范围（非线性函数f的值域）映射到属性P _i 规定的取值范围。非线性函数f有多种具体的形式，只需保证其值域为有限连续的区间即可，例如下列非线性函数都可在实施中采用：

上述几种图形处理方法都涉及到将图像映射到整个三维曲面，这一技术属于计算机图形学中的纹理映射技术，在许多计算机图形学专著中都有详细论述。

渲染装置采用计算机图形学领域常用的三维图形渲染技术，例如光线跟踪法，辐射度方法等，具体选取那一种方法以及渲染时所需的参量由交互装置设定，并且与三维图形具有的属性有关（例如采用光线跟踪法，则需要三维曲面图形具有反射率、折射率、透射率等属性）。渲染装置将图形处理装置处理后的三维曲面渲染成光栅化二维图像，传输至显示装置。关于三维图形渲染的技术在计算机图形学的大量专著中有详细论述，而且在实际的软件中也有大量应用。

显示装置采用任意CRT显示器或LCD显示器皆可。

交互装置采用图形化用户界面实现，运用常见的图形用户界面组织形式即可实施。关于图形用户界面的设计与编程已有大量专著以及软件实例，在本实施例中，主要是注意实现对图形生成装置、图形处理装置及渲染装置的良好交互，实现的必要功能包括：

1.     对图形生成装置生成三维曲面的方式进行选择

2.     选取存储器上保存三维曲面图形的文件，让图形生成装置读取；

3.     设置一系列参数，让图形生成装置生成网格化三维曲面；

4.     选择几何变换方式并设置变换参数，对图形生成装置读取或生成的网格化三维曲面进行几何变换；

5.     对图形处理装置的处理方法进行选择；

6.     对于图形处理装置中选定的处理方法，设置其输入数据及处理对象，可选的输入数据包括图像缓冲器中的各个图像以及图形生成装置生成的三维曲面的各种属性，可选的处理对象包括图形生成装置生成的三维曲面的各种属性；

7.     对于图形处理装置中选定的处理方法，设置处理过程所需的额外的参数；

8.     对渲染装置的图形渲染方法进行选择；

9.     对渲染装置中选定的图形渲染方法，设置其运算参数。

本实施例运行时，摄像装置拍摄的图像经系统处理后显示在显示装置，又被摄像装置拍摄，形成了视频信号反馈，这一过程持续进行，形成混沌过程，从而在显示装置上将生成难以预料的动态变化的图案。用户可在显示装置和摄像装置之间摆放任意实物，显示装置上的图案也将随着摆放实物的变化而产生变化。用户也可调整摄像头的方位而改变生成的图案。此外，本实施例中的图形生成装置及图形处理装置中有多种可选方式及可调整参数，这些方式及参数都可通过交互装置进行配置，用户可以尝试各种配置方法，这也将导致系统生成多种多样的图案。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行改变，实施要点如下：

图形生成装置可以生成其他数据格式的三维曲面，例如半边数据结构、实体数据结构以及参数曲面等，这些数据结构同样可以表示三维曲面的空间位置属性以及附加的视觉特征属性。

图形处理装置的处理方法以及渲染装置的渲染方法也要适应于三维曲面的数据结构。本实施例中，图形处理装置首先将三维曲面经插值算法进行重新取样，即对曲面的每一种属性都进行重新取样，从而获得其网格化的数据表达，之后便可用实施例1中的处理方法。

交互装置可采用实际的操作面板来实施，其基本功能也要达到实施例1中的要求。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用日常物品生成丰富图案效果的方法，其特征在于，该方法在可利用日常物品生成丰富图案效果的图案生成系统上实现，系统包括：图形生成装置、交互装置、图像缓冲器、图形处理装置、图形缓冲器、渲染装置、摄像装置和显示装置；其中，所述交互装置分别与图形生成装置、图形缓冲器和渲染装置相连，图形生成装置与图形缓冲器相连，摄像装置、图像缓冲器、图形处理装置、图形缓冲器、渲染装置和显示装置依次相连；所述摄像装置由若干个摄像头组成，每个摄像头均朝向显示装置，且均与图像缓冲器相连；该方法包括如下步骤：

（1）摄像装置获取视频图像，保存至图像缓冲器；

（2）图像缓冲器将图像传输到图形处理装置，图形缓冲器将保存的三维曲面图形传输到图形处理装置，然后图形处理装置根据交互装置设定的处理方法及运算参数，利用获取的图像对每个三维曲面的各种属性进行处理，然后用处理后的三维曲面对图形缓冲器中原来保存的三维曲面进行更新；上述过程中，所述图形处理装置对三维曲面属性的处理方式包括以下几种：

（2.1）将图像映射到整个三维曲面与之重叠，然后直接用图像对三维曲面的属性进行赋值；

（2.2）将图像映射到整个三维曲面后，与曲面的属性值进行Alpha混合运算，然后将运算结果赋值给曲面的属性；

（2.3）将图像映射到整个三维曲面后，与曲面的属性值进行线性组合，然后将运算结果赋值给曲面的属性；

（2.4）将图像映射到整个三维曲面后，将图像与曲面的属性作为自变量代入非线性函数进行运算，运算结果赋值给曲面的属性；

选取上述何种处理方式以及运算中所需的参数都由交互装置设定；所述图形处理装置对三维曲面的属性值进行处理后，若处理结果超出曲面属性的取值范围，则对其进一步处理将其限定到取值范围内，处理方法包括两种：

（A）将处理结果映射到该属性规定的取值范围内；

（B）将超出取值范围的多余量舍去，使其取值为取值范围的端点值；

（3）渲染装置从交互装置获取渲染参数，从图形缓冲器获得三维曲面图形进行渲染，生成光栅化图像，传输至显示装置；

（4）显示装置对光栅化图像进行显示。

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