CN102110308A - 三维实心图形显示系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种三维实心图形显示方法，包括：将三维实心图形的所有空间点三角网格化为空间三角形集合；将空间三角形的顶点的空间坐标读入并转换成二维屏幕坐标形成二维图形；通过坐标转换得出该空间三角形的投影深度；当该空间三角形的投影深度小于深度缓存中的与该空间三角形的中心点对应的屏幕像素点的投影深度时，对该空间三角形投影得到的二维图形进行颜色填充；将该进行颜色填充后的二维图形加载到颜色缓存并更新该屏幕像素点对应的深度缓存的值；当所有空间三角形读取完毕时，将颜色缓存中的数据信息显示于屏幕上。本发明统一了转换三维实心图形至屏幕显示的标准，使得显示出的图像品质高且稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种三维实心图形显示系统及方法。
背景技术
在目前的计算机辅助设计(CAD)系统中，三维实心图形一般用数学公式或自由曲面的方式表示，要对三维实心图形进行显示需要将其转换成简单几何元素如：点、线、面等再绘制到屏幕上。转换的方法没有一个统一标准，效率及稳定性无法保证。同时由于只需显示三维实心图形的表面到屏幕上，需要判断三维实心图形的表面属性，判断的效率及正确性直接关系到显示的效率及质量。
发明内容
鉴于以上内容有必要提供一种三维实心图形显示系统，包括：初始化模块，用于清除颜色缓存和深度缓存，并读入三维实心图形的B样条特征点数据，该B样条特征点数据确定了三维实心图形的所有空间点的三维坐标，清除颜色缓存后将所有屏幕像素点的颜色信息填充为背景色，清除深度缓存后将所有屏幕像素点的投影深度初使化为最大值；三角形化模块，用于将上述三维实心图形的所有空间点三角网格化为空间三角形集合；循环读取模块，用于依次读入该三维实心图形的所有空间三角形的顶点的空间坐标；坐标转换模块，用于依次将上述读入的空间三角形的顶点的空间坐标转换成二维屏幕坐标，每个二维屏幕坐标对应一个屏幕像素点，该空间三角形的三个顶点对应的三个屏幕像素点形成一个二维图形，该二维图形是一个二维三角形或一条线或一个点；所述坐标转换模块还用于将该空间三角形的中心点的空间坐标转换成二维屏幕坐标，得到该空间三角形的中心点的投影深度，将该投影深度作为该空间三角形的投影深度；投影深度比较模块，用于判断上述空间三角形的投影深度是否大于深度缓存中的与该空间三角形的中心点对应的屏幕像素点的投影深度；及图形填充模块，用于当上述空间三角形的投影深度小于深度缓存中的与该空间三角形的中心点对应的屏幕像素点的投影深度时，对上述空间三角形投影得到的二维图形包括的屏幕像素点进行颜色填充；缓存更新模块，用于将上述进行颜色填充后的二维图形加载到颜色缓存，及更新深度缓存中该屏幕像素点对应的投影深度为该空间三角形的中心点的投影深度；图形显示模块，用于当所有空间三角形读取完毕时，将颜色缓存中的数据信息显示于屏幕。
鉴于以上内容还有必要提供一种三维实心图形显示方法，该方法包括：(a)清除颜色缓存和深度缓存，并读入三维实心图形的B样条特征点数据，该B样条特征点数据确定了三维实心图形的所有空间点的三维坐标，清除颜色缓存后将所有屏幕像素点的颜色信息填充为背景色，清除深度缓存后将所有屏幕像素点的投影深度初使化为最大值；(b)将上述三维实心图形的所有空间点三角网格化为空间三角形集合；(c)读入一个空间三角形的顶点的空间坐标；(d)依次将上述读入的空间三角形的顶点的空间坐标转换成二维屏幕坐标，每个二维屏幕坐标对应一个屏幕像素点，该空间三角形的三个顶点对应的三个屏幕像素点形成二维图形；(e)将该空间三角形的中心点的空间坐标转换成二维屏幕坐标，得到该空间三角形的中心点的投影深度，将该投影深度作为该空间三角形的投影深度；(f)当该空间三角形的投影深度不小于深度缓存中的与该空间三角形的中心点对应的屏幕像素点的投影深度时，进入步骤(h)；当该空间三角形的投影深度小于深度缓存中的与该空间三角形的中心点对应的屏幕像素点的投影深度时，对该空间三角形投影得到的二维图形包括的屏幕像素点进行颜色填充；(g)将该进行颜色填充后的二维图形加载到颜色缓存并更新该屏幕像素点对应的深度缓存的值；(h)当还有空间三角形未读取时，返回步骤c；当所有空间三角形读取完毕时，将颜色缓存中的数据信息显示于屏幕上。
通过本发明提供的三维实心图形显示系统及方法，统一了转换三维实心图形至屏幕显示的标准，使得显示出的图像品质高且稳定性好。
附图说明
图1是本发明三维实心图形显示系统的运行环境的示意图。
图2是将三维实心图形三角网格化为空间三角形集合的示意图。
图3是空间三角形的投影深度的示意图。
图4是本发明三维实心图形显示方法的流程图。
主要元件符号说明
具体实施方式
如图1所示，是本发明三维实心图形显示系统的运行环境的示意图。该三维实心图形显示系统1(以下简称该系统1)运行于计算机100中。该系统1包括初始化模块10、三角形化模块20、循环读取模块30、坐标转换模块40、投影深度计算模块50、投影深度比较模块60、图形填充模块70、缓存更新模块80及显示模块90。
所述初始化模块10用于清除颜色缓存和深度缓存，并读入三维实心图形的B样条特征点数据，该B样条特征点数据确定了三维实心图形的所有空间点的三维坐标(x，y，z)。所述颜色缓存是一与计算机屏幕像素点个数等大小的数组，该数组用于记录每个计算机屏幕像素点的颜色信息。所述深度缓存是与计算机屏幕像素点个数等大小的数组，该数组用于记录三维图形投影于计算机屏幕形成的屏幕像素点的投影深度。清除颜色缓存后将计算机屏幕像素点的颜色信息填充为背景色，清除深度缓存后将所有屏幕像素点的投影深度初使化为最大值。人眼在观察客观世界中的实心图形时，只能看到在当前视点下该图形的离人眼最近的面。并不能看见图形内部和背面。在计算机图像显示技术中，三维图形的显示遵循同样的道理，但计算机将三维图形的每一个空间点投影到屏幕上时，计算机并不知道哪一个空间点离屏幕最近。所以引入投影深度来量化空间点离屏幕的距离。
所述三角形化模块20用于将上述三维实心图形的所有空间点三角网格化为空间三角形集合。为了更直观地对上述三角网格化进行进一步的直观阐述，请参考图2所示，是将三维实心图形三角网格化为空间三角形集合的示意图。图2包括图A和图B。其中图A是一个球体。实际中该球体在计算机中显示存储的信息是构成该球体的空间点。图B是图A中的球体进行三角网格化后的结果。经过三角化后，上述所有空间点形成了空间三角形集合。另外为了提高显示精度，还可将上述网格化后的每个空间三角形细分为四个空间三角形。
所述循环读取模块30用于依次读入该三维实心图形的所有空间三角形的顶点的空间坐标。
所述坐标转换模块40用于依次将上述读入的空间三角形的顶点的空间坐标转换成二维屏幕坐标，每个二维屏幕坐标对应一个屏幕像素点，该空间三角形的三个顶点对应的三个屏幕像素点形成一个二维图形，该二维图形是二维三角形或一条线。其中空间坐标P(x，y，z)与屏幕坐标Q(U，V，Z)的关系为：P(x，y，z)＝M*Q(U，V，Z)，其中M是视口矩阵、模型矩阵及投影矩阵的差积。例如，一个空间三角形的三个顶点P1、P2及P3的坐标分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z3)及(x3，y3，z3)转换成屏幕坐标后其坐标变为(U1，V1，Z1)、(U2，V2，Z2)及(U3，V3，Z3)，其中Z1、Z2、Z3分别是上述三个顶点P1、P2及P3的投影深度，在三维实心图形显示于计算机屏幕时，三个顶点P1、P2及P3的投影深度不需要考虑，故上述投影得到的屏幕二维坐标分别是(U1，V1)、(U2，V2)及(U3，V3)。
所述坐标转换模块40还用于将该空间三角形的中心点的空间坐标转换成二维屏幕坐标，得到该空间三角形的中心点的投影深度，将该投影深度作为该空间三角形的投影深度。请参考图3所示，是空间三角形的投影深度的示意图。图中示意了一个空间三角形200，假定该空间三角形200的中心为O点(x0，y0，z0)，经过坐标转换后的到投影于屏幕平面300为O1点(UO，V0，Z0)，则Z0为该空间三角形200的投影深度。
所述投影深度比较模块60用于判断上述空间三角形的投影深度是否不小于深度缓存中的与该空间三角形的中心点对应的屏幕像素点的投影深度。
图形填充模块70用于当上述空间三角形的投影深度小于深度缓存中的与该空间三角形的中心点对应的屏幕像素点的投影深度时，对上述空间三角形投影得到的二维图形进行颜色填充。所述的颜色填充是将该二维图形包括的屏幕像素点进行颜色信息填充。
所述缓存更新模块80用于将上述进行颜色填充后的二维图形加载到颜色缓存，及更新深度缓存中该屏幕像素点的投影深度为该空间三角形的中心点的投影深度。
所述循环读取模块30还用于判断是否所有空间三角形读取完毕。
所述显示模块90用于当所有空间三角形读取完毕时，将颜色缓存中的数据信息显示于屏幕。
所述循环读取模块30还用于当所有空间三角形未读取完毕时，读取下一个空间三角形的顶点坐标。
如图4所示，是本发明三维实心图形显示方法的流程图。
步骤S402，初始化模块10清除颜色缓存和深度缓存，并读入三维实心图形的B样条特征点数据，该B样条特征点数据确定了三维实心图形的所有空间点的三维坐标(x，y，z)。颜色缓存是一与计算机屏幕像素点个数等大小的数组，该数组用于记录每个计算机屏幕像素点的颜色信息。深度缓存是与计算机屏幕像素点个数等大小的数组，该数组用于记录三维图形投影于计算机屏幕形成的屏幕像素点的投影深度。清除颜色缓存后将计算机屏幕像素点的颜色信息填充为背景色，清除深度缓存后将所有屏幕像素点的投影深度初使化为最大值。
步骤S404，三角形化模块20将上述三维实心图形的所有空间点三角网格化为空间三角形集合。为了更直观地对上述三角网格化进行进一步的直观阐述，请参考图2所示，是将三维实心图形三角网格化为空间三角形集合的示意图。图2包括图A和图B。其中图A是一个球体。实际中该球体在计算机中显示存储的信息是构成该球体的空间点。图B是图A中的球体进行三角网格化后的结果。经过三角化后，上述所有空间点形成了空间三角形集合。另外为了提高显示精度，还可将上述网格化后的每个空间三角形细分为四个空间三角形。
步骤S406，循环读取模块30读入第一个空间三角形的顶点的空间坐标。
步骤S408，坐标转换模块40依次将上述读入的空间三角形的顶点的空间坐标转换成二维屏幕坐标，每个二维屏幕坐标对应一个屏幕像素点，该空间三角形的三个顶点对应的三个屏幕像素点形成一个二维图形，该二维图形是三角形或一条线。其中空间坐标P(x，y，z)与屏幕坐标Q(U，V，Z)的关系为：P(x，y，z)＝M*Q(U，V，Z)，其中M是视口矩阵、模型矩阵及投影矩阵的差积。例如，一个空间三角形的三个顶点P1、P2及P3的坐标分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z3)及(x3，y3，z3)转换成屏幕坐标后其坐标变为(U1，V1，Z1)、(U2，V2，Z2)及(U3，V3，Z3)，其中Z1、Z2、Z3分别是上述三个顶点P1、P2及P3的投影深度，在三维实心图形显示于计算机屏幕时三个顶点P1、P2及P3的投影深度不需要考虑，故上述投影得到的屏幕二维坐标分别是(U1，V1)、(U2，V2)及(U3，V3)。
步骤S410，坐标转换模块40将该空间三角形的中心点的空间坐标转换成二维屏幕坐标，得到该空间三角形的中心点的投影深度，将该投影深度作为该空间三角形的投影深度。请参考图3所示，是空间三角形的投影深度的示意图。图中示意了一个空间三角形200，假定该空间三角形200的中心为O点(x0，y0，z0)，经过坐标转换后的到投影于屏幕平面300为O1点(U0，V0，Z0)，则Z0为该空间三角形200的投影深度。
步骤S412，投影深度比较模块60判断上述空间三角形的投影深度是否不小于深度缓存中与该空间三角形的中心点对应的屏幕像素点的投影深度，若是则执行步骤S418，否则执行步骤S414。
步骤S414，图形填充模块70对上述空间三角形投影得到的二维三角形进行颜色填充。所述的颜色填充是将该二维图形包括的屏幕像素点进行颜色信息填充。
步骤S416，缓存更新模块80将上述进行颜色填充后的二维图形加载到颜色缓存并更新深度缓存中该屏幕像素点的投影深度为该空间三角形的中心点的投影深度。
步骤S418，循环读取模块30判断是否所有空间三角形读取完毕，若是则执行步骤S420，否则执行步骤S422。
步骤S420，显示模块90将颜色缓存中的数据信息显示于屏幕。
步骤S422，读取下一个空间三角形的顶点坐标后进入步骤S408。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种三维实心图形显示系统，其特征在于，该系统包括：
初始化模块，用于清除颜色缓存和深度缓存，并读入三维实心图形的B样条特征点数据，该B样条特征点数据确定了三维实心图形的所有空间点的三维坐标，清除颜色缓存后将所有屏幕像素点的颜色信息填充为背景色，清除深度缓存后将所有屏幕像素点的投影深度初使化为最大值；
三角形化模块，用于将上述三维实心图形的所有空间点三角网格化为空间三角形集合；
循环读取模块，用于依次读入该三维实心图形的所有空间三角形的顶点的空间坐标；
坐标转换模块，用于依次将上述读入的空间三角形的顶点的空间坐标转换成二维屏幕坐标，每个二维屏幕坐标对应一个屏幕像素点，该空间三角形的三个顶点对应的三个屏幕像素点形成二维图形；
所述坐标转换模块还用于将该空间三角形的中心点的空间坐标转换成二维屏幕坐标，得到该空间三角形的中心点的投影深度，将该投影深度作为该空间三角形的投影深度；
投影深度比较模块，用于判断上述空间三角形的投影深度是否小于深度缓存中的与该空间三角形的中心点对应的屏幕像素点的投影深度；及
图形填充模块，用于当上述空间三角形的投影深度小于深度缓存中的与该空间三角形的中心点对应的屏幕像素点的投影深度时，对上述空间三角形投影得到的二维图形包括的屏幕像素点进行颜色填充；
缓存更新模块，用于将上述进行颜色填充后的二维图形加载到颜色缓存，及更新深度缓存中该屏幕像素点对应的投影深度为该空间三角形的中心点的投影深度；
图形显示模块，用于当所有空间三角形读取完毕时，将颜色缓存中的数据信息显示于屏幕。
2.如权利要求1所述的三维实心图形显示系统，其特征在于，所述空间三角形的三个顶点对应的三个屏幕像素点形成的二维图形是二维三角形或线。
3.如权利要求1所述的三维实心图形显示系统，其特征在于，所述三角形化模块还用于将网格化后的每个空间三角形细分为四个空间三角形。
4.一种三维实心图形显示方法，其特征在于，该方法包括：
(a)清除颜色缓存和深度缓存，并读入三维实心图形的B样条特征点数据，该B样条特征点数据确定了三维实心图形的所有空间点的三维坐标，清除颜色缓存后将所有屏幕像素点的颜色信息填充为背景色，清除深度缓存后将所有屏幕像素点的投影深度初使化为最大值；
(b)将上述三维实心图形的所有空间点三角网格化为空间三角形集合；
(c)读入一个空间三角形的顶点的空间坐标；
(d)依次将上述读入的空间三角形的顶点的空间坐标转换成二维屏幕坐标，每个二维屏幕坐标对应一个屏幕像素点，该空间三角形的三个顶点对应的三个屏幕像素点形成二维图形；
(e)将该空间三角形的中心点的空间坐标转换成二维屏幕坐标，得到该空间三角形的中心点的投影深度，将该投影深度作为该空间三角形的投影深度；
(f)当该空间三角形的投影深度不小于深度缓存中的与该空间三角形的中心点对应的屏幕像素点的投影深度时，进入步骤h；当该空间三角形的投影深度小于深度缓存中的与该空间三角形的中心点对应的屏幕像素点的投影深度时，对该空间三角形投影得到的二维图形包括的屏幕像素点进行颜色填充；
(g)将该进行颜色填充后的二维图形加载到颜色缓存并更新该屏幕像素点对应的深度缓存的值；
(h)当还有空间三角形未读取时，返回步骤c；当所有空间三角形读取完毕时，将颜色缓存中的数据信息显示于屏幕上。
5.如权利要求4所述的三维实心图形显示方法，其特征在于，所述空间三角形的三个顶点对应的三个屏幕像素点形成的二维图形是二维三角形或线。
6.如权利要求4所述的三维实心图形显示方法，其特征在于，在步骤(b)和步骤(c)之间还包括：
将网格化后的每个空间三角形细分为四个空间三角形。
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