CN102281440A - 一种基于几何图像的三维网格模型错误保护编码方法 - Google Patents

一种基于几何图像的三维网格模型错误保护编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于几何图像的三维网格模型错误保护编码方法。该方法通过均匀准保角平面参数化方法，构造几何图像，然后针对几何图像的特征进行错误保护压缩编码。本方法能够解决三角网格模型不规则的网状结构对于传输错误非常敏感的问题，随着不规则的网状结构消除，模型数据之间关联性大大降低，同时相关性增强。因此这种编码的三维模型数据，其误码弹性可得到根本改善。为了节省普适计算环境下的网络带宽资源，本方法还给出了基于错误保护的压缩编码方案，取得了编码效率和误码弹性之间的较好平衡。

Description

一种基于几何图像的三维网格模型错误保护编码方法
技术领域
本发明涉及三维网格模型的编码技术领域，具体地说是涉及到误码率较高的网络环境应用中的三维网格模型的错误保护编码方法。 
背景技术
在普适计算环境下，无线信道是数据传输的主要通路。与有线信道相比，无线信道不仅噪声大，而且具有多径和阴影衰落，误码率高达10-3-10-5(有线信道的误码率一般在10-6以下)。高误码率严重影响数据传输的质量，因此，三维模型编码是否具有很强的抗误码能力是确保三维模型数据传输服务质量(QoS：Quality of Service)的关键之一。 
三维网格模型通常由成千上万顶点和三角形组成，具有复杂的拓扑结构。在普适计算环境下，为了节省宝贵的网络带宽资源，需要对三维网格模型数据进行压缩。由于预测编码和不定长熵编码等压缩编码方案的使用，三维网格数据压缩效率越高，其压缩比特流对传输错误越敏感。随机或突发的传输错误一旦发生，很可能在压缩编码数据中快速地传播，造成严重的错误蔓延。 
目前，关于改善三维网格模型数据误码弹性的研究很少。提高三角网格模型误码弹性所采用的方法主要是通过网格分片或分层等数 据分割机制来阻止传输错误的蔓延。如：白适应的网格分割编码等。受限于三维模型不规则的网状拓扑结构，这些方法不仅操作较复杂，对误码弹性的改善效果也不能令人满意。 
三维网格模型数据定义在二维流形上，传统的数字信号处理技术不易直接应用，数据压缩效率不高，数据分片等操作复杂。同时三维网格模型因其不规则的网状拓扑结构，对于传输错误非常敏感，即使出现很小的传输错误，也有可能无法维持二维流形表面全局一致的拓扑结构，导致整个模型的传输失败。 
因此，建立三维网格模型与二维图像之间的联系对于三维模型压缩传输的错误保护编码具有非常重要的意义，它意味着三维模型的所有属性可以转化为规则采样的平面信号，从而彻底摆脱拓扑连接信息的束缚，并可直接运用正交分析工具对这些信号做分析处理。 
为解决上述三维网格模型编码难题，本发明提出了一种基于几何图像的三维网格模型错误保护编码方法。取得了编码效率和错误弹性之间的平衡。 
发明内容
本发明的方法通过提出了一种针对任意三维网格模型的均匀准保角平面参数化方法，可建立任意拓扑的三维网格模型与平面参数域之间的均匀准保角映射。再对参数域规则采样，即可将三维模型几何位置信息转化为规则采样的平面信号。均匀准保角映射保证了规则采样的平面信号忠实地记录了三维网格模型的表面几何信息，克服了创建三维模型规则采样数据的瓶颈。 
得到三维网格模型的规则采样数据后，结合其自身特点并借鉴压缩视频流抗误码编码技术，本文给出了基于错误保护的压缩编码方法，取得了编码效率和错误弹性之间的平衡。 
为达到上述的目的，本发明采用的技术方案是：一种基于几何图像的三维网格模型错误保护编码方法，其中的三维网格模型本文采用的是三角网格模型，该方法包含以下部分： 
几何图像的构造，主要包括以下几个步骤： 
(1)首先在初始三角网格模型上随机选取一个非边界的种子三角形，将其保长映射(完全无变形)到平面； 
(2)从该种子三角形出发，依据局部几何变形度量，每次选取一个变形最小的相邻三角形展平，展平时保证所有三角形不重叠； 
(3)重复步骤(2)直到所有相邻三角形引入的参数化变形均大于预设值，停止对该种子三角形及其领域进行的展平操作； 
(4)重新随机选取种子三角形进行新一轮的展平，每一次展平操作就生成一个新的准可展面片(即参数化变形在某控制范围内的面片)，直至初始三角网格模型全部展平完毕。 
(5)根据需要确定采样密度，对均匀准保角平面参数化结果进行均匀采样； 
(6)对于每个有效采样点，根据其所落入三角形的三个顶点的三维坐标值和该采样点对应的重心坐标计算采样点的三维坐标； 
(7)将采样点对应的三维坐标值标准化到[0，1]区域； 
当几何图像构造完成后，在对其进行基于错误保护的编码，从而 得到兼顾存储优化和扛误码性的编码结果。编码过程可分成以下几个步骤： 
(1)将几何图像划分为8X8的数据小块； 
(2)剔除纯背景数据块； 
(3)对图像做分块DCT变换，对切割路径、块系数和支流系数采用定长编码，对交流系数霍夫曼编码； 
本发明的技术特点主要体现如下： 
1、本方法提出的均匀准保角平面参数化方法对模型做低误差的参数化处理，三维模型的几何信息可被均匀的采样，并进一步编码为二维图像的方式。随着其不规则的网状结构消除，模型数据之间关联性大大降低，同时相关性增强。因此这种编码的三维模型数据，其误码弹性可得到根本改善。 
2、为了节省普适计算环境下的网络带宽资源，进一步提高编码效率，本方法还给出了基于错误保护的压缩编码方案，取得了编码效率和误码弹性之间的较好平衡。 
附图说明
图1为本发明方法的流程图； 
图2为本发明实施例的流程示意图； 
图3为本发明实施例的编码效果图。 
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。 
本发明方法提出基于几何图像的三维网格模型错误保护编码方法，主要的流程如下：(1)对已有的网格模型实施均匀准保角平面参数化；(2)对网格模型的均匀准保角平面参数化结果均匀采样，构造几何图像；(3)对几何图像数据和切割路径数据进行错误保护压缩编码；(4)根据几何图像数据和切割路径数据恢复三维网格模型。具体如图1所示。 
其中，一种均匀准保角平面参数化方法，是为了尽量降低并控制参数化变形。三角网格模型的均匀准保角平面参数化步骤如下：首先在初始三角网格模型上随机选取一个非边界的种子三角形，将其保长映射(完全无变形)到平面；然后从该三角形出发，依据本文提出的局部几何变形度量，每次选取一个变形最小的相邻三角形展平，展平时保证所有三角形不重叠，直到所有相邻三角形引入的参数化变形均大于预设值；再重新随机选取种子三角形进行新一轮的展平，这样每一次展平操作就生成一个新的准可展面片(即参数化变形在某控制范围内的面片)。 
衡量局部三角形参数化变形程度时，假定T为原始三角网格模型上的一个三角形，T′为其二维平面上对应的映射，γmax和γmin为仿射变换Jacobi矩阵的最大和最小特征值，对应于原始平面上的不同位置单位长度在仿射变换之后长度的最大值和最小值。 
考虑到从种子三角形开始的映射是保长的，即γmax与γmin值同为1，与其相邻的三角形均有一条边保持原长，因此，相邻三角形若越近似于保角映射则局部三角形面积和角度的综合参数化变形越小。以此类推，在随后的展平过程中，每一次都是选取参数化变形最小且未超出预定阈值的相邻三角形展平，对整个展平区域的映射可视为准保长，因此，仍可近似认为所有相邻三角形中映射越接近于保角映射，其综合参数化变形越小。定义局部三角形参数化变形为： 
D(T，T′)＝γmax/γmin-1 
当且仅当γmax等于γmin时，由T到T′的映射为保角映射。采用这种参数化变形度量方法，可更好的控制整体参数化误差，保证每一步展开操作后得到准可展面片。 
均匀准保角平面参数化方法的主要优势如下：首先适用于任意拓扑的三维模型；其次模型的分割与参数化同时进行，既简单又快速，具有很高的运算效率；同时可确保平面参数化变形较低，通过改变阈值大小，还可以根据需要灵活地控制精度。 
假定M是初始的三角网格模型，D是三角网格模型局部分割展平后对应的平面参数域，参数化函数φ给出从参数域D到三角网格模型M的分片线性映射。在参数域D上按均匀的间隔沿直线取m×n个采样格点，根据参数化函数φ可计算出这些采样格点在初始三维网格模型上对应的几何信息，把规则采样格点的几何信息按照图像的格式储存(用三维坐标代替RGB分量)，即可将三维模型规则采样数据转化为几何图像。在重构时基于切割边界的三维坐标信息和网格边的边界三 维坐标信息，对网格片进行缝合处理，得到与初始网格拓扑一致的重构网格。 
上述过程可通过图2中的流程图来表示。 
图3为本发明方法的编码效果图，其中(a)为输入的原始三维网格模型；(b)为其对应的平面参数化结果；(c)为其对应的几何图像；(d)为根据几何图像和切割路径重构的规则采样网格模型。 
通过本发明能够解决三角网格模型不规则的网状结构对于传输错误非常敏感的问题，随着不规则的网状结构消除，模型数据之间关联性大大降低，同时相关性增强。因此这种编码的三维模型数据，其误码弹性可得到根本改善。为了节省普适计算环境下的网络带宽资源，本方法还给出了基于错误保护的压缩编码方案，取得了编码效率和误码弹性之间的较好平衡。 

Claims (5)

1.一种基于几何图像的三维网格模型错误保护编码方法，其特征在于，减少网格模型存储空间的同时提高三维网格模型编码的误码能力，该方法包含以下步骤：
S1、对已有的网格模型实施均匀准保角平面参数化；
S2、对网格模型的均匀准保角平面参数化结果均匀采样，构造几何图像；
S3、对几何图像数据和切割路径数据进行错误保护压缩编码；
S4、根据几何图像数据和切割路径数据恢复三维网格模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法中的三维网格模型采用的是三角网格模型，所述的均匀准保角平面参数化，可用以下步骤实现：
S11、首先在初始三角网格模型上随机选取一个非边界的种子三角形，将其完全无变形的保长映射到平面；
S12、从该种子三角形出发，依据局部几何变形度量，每次选取一个变形最小的相邻三角形展平，展平时保证所有三角形不重叠；
S13、重复步骤S12直到所有相邻三角形引入的参数化变形均大于预设值，停止对该种子三角形及其领域进行的展平操作；
S14、重新随机选取种子三角形进行新一轮的展平，每一次展平操作就生成一个新的准可展面片，即参数化变形在某控制范围内的面片，直至初始三角网格模型全部展平完毕。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的构造几何图像的步骤为：
S21、根据需要确定采样密度，对均匀准保角平面参数化结果进行均匀采样；
S22、对于每个有效采样点，根据其所落入三角形的三个顶点的三维坐标值和该采样点对应的重心坐标计算采样点的三维坐标；
S23、将采样点对应的三维坐标值标准化到[0，1]区域。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的对几何图像数据和切割路径数据进行错误保护压缩编码的步骤为：
S31、将几何图像划分为8×8的数据小块；
S32、剔除纯背景数据块；
S33、对图像做分块DCT变换，对切割路径、块系数和支流系数采用定长编码，对交流系数霍夫曼编码。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的根据几何图像数据和切割路径数据恢复三维网格模型的步骤为：
S41、将几何图像数据映射到三维空间，得到网格片；
S42、将切割路径数据映射到三维空间；
S43、将分开的网格片的边界点按照距离最近的原则映射到切割路径上；
S444、对边界区域重新网格化，得到与输入网格拓扑结构相同的网格模型。
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