CN103310489A - 一种基于动态深度层次结构的三维模型交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态深度层次结构的三维模型交互方法，该方法在视角变换后，重建深度层次结构，并根据深度信息找到当前编辑点所在层次，保持当前编辑点的可编辑性；在被遮挡的感兴趣区域被弹出的情况下，视角变换后，在新的深度层次结构中保持对感兴趣区域的跟踪，并将之自动弹出。在静态多层绘制算法中添加视角变换的时候对感兴趣区域跟踪和弹出算法的支持。由在三维模型表面的笔画控制三维模型导航，视角变换方向、速度与笔画保持一致，笔画当前点始终保持可见并固定于视窗中心。本发明解决了现有技术对具有自遮挡的复杂三维模型进行表面属性的方法中，存在的视角切换时候丢失了原来的深度结构层次信息，处理时间过长的不足。

Description

一种基于动态深度层次结构的三维模型交互方法

技术领域

本发明主要涉及到几何模型处理领域，特别是涉及一种基于动态深度层次结构的三维模型交互方法。

背景技术

几何模型处理是计算机图形学，虚拟现实，计算机娱乐和计算机辅助设计等领域中非常重要的一个操作。一个符合要求的几何模型处理系统允许用户高效交互式地处理模型。使用特定的3D输入设备，比如触觉感应器，处理几何模型能够让用户拥有高度的自由度和真实感的体验。但是，3D输入设备需要额外的费用，而且无法对自遮挡的复杂三维模型进行表面属性编辑，与此同时仍然有不少艺术家更喜欢用2D输入设备，比如鼠标，处理几何模型。在传统的2D绘制中，一直使用鼠标等输入设备。如果能将2D输入设置应用到3D几何模型的表面属性编辑中，不仅能够减少额外的费用，而且能够获得更直观的体验。

已有的用2D输入设备处理3D几何模型的系统，主要包括两大类，传统的所见即所得的绘制系统和基于静态深度层次结构方法的所见即所得的绘制系统。

传统的所见即所得的绘制系统，是一个容易实现的，并且拥有高度交互性的，能够满足用户大部分要求的几何模型处理系统。该系统只需要2D的输入设备就能够方便地处理3D的几何模型。该系统通过将笔画从屏幕空间投影到纹理空间，从而允许用户选择不同类型的颜色和材料去绘制几何模型的3D表面。但是，这种传统的所见即所得的绘制系统，无法对具有自遮挡的复杂三维模型进行表面属性编辑等交互操作。

基于静态深度层次结构方法的所见即所得的绘制系统，同样只需要廉价的2D输入设备，比如鼠标，触摸屏等。这种系统在传统的所见即所得的绘制系统基础上，解决了对具有自遮挡的复杂三维模型进行表面属性编辑等交互操作的难题。该系统是建立在一系列的交互式多层算法基础上的。它首先需要对模型进行多层分割，多层分割是一个与视角有关的预处理过程，多层分割的目的是获得像素水平的连续性和区域水平的连续性。然后利用多层分割获得的信息，建立起来了一系列的多层绘制操作，主要包括以下四种：

1）层次敏感的绘制操作。与传统的所见即所得的绘制系统不同，该系统支持绘制通过遮蔽区域的长笔画，因为这种绘制方式是对深度敏感的。

2）交互式地区域选择和弹出。该系统提供了两种类型的区域选择和弹出操作，包括用户有意的区域弹出和自动的区域弹出。

3）交互式地绘制隐藏。该系统还提供了一种通过交互式地选择区域并隐藏该区域，以绘制被遮挡的区域的操作。

4）层次敏感的物体旋转。该系统利用多层信息，建立了一种对层次敏感的物体旋转，从而可以更好的观察物体，特别是当绘制隐藏的区域的时候。

在静态视角的情况下，基于静态深度层次结构方法的所见即所得的绘制系统能够提供给用户优秀的使用体验。但是，该系统在支持旋转操作方面存在着不足。

首先，该系统在视角变化的时候必须重新进行建立层次结构，因为层次结构信息中包括了区域划分与各区域的可见优先级信息，在重建的层次结构中，这些信息将全部丢失，新的层次结构中各区域与原有层次结构中各区域的对应关系也无法建立，从而造成可见性的不连续与不一致；其次，该系统不支持在绘画的同时对三维模型进行旋转，无法支持跨越视角的长笔画。如果在绘制的时候旋转物体的话，就会打断绘制操作，从而使得用户的使用体验变差。

发明内容

本发明提供了一种基于动态深度层次结构的三维模型交互方法，其目的在于解决现有的静态深度层次结构方法在视角变换下丢失深度层次结构信息的问题，基于动态深度层次结构的三维模型交互方法保持了切换视角时候会丢失的层次信息，能够提供给用户更好的使用体验。

一种基于动态深度层次结构的三维模型交互方法，包括以下步骤：

步骤1：视角变换下深度层次一致的交互：在视角变换后重建深度层次结构，并根据深度信息找到当前编辑点所在层次，并保持当前编辑点的可编辑性，即找到编辑点；

所述视角指用户观察三维模型的角度；

步骤2：感兴趣区域的跟踪与弹出：对编辑点所对应的感兴趣区域进行跟踪并弹出显示，被遮挡的感兴趣区域被弹出，视角变换后，新的深度层次结构能自动保持对感兴趣区域的跟踪并将感兴趣区域自动弹出；

所述感兴趣区域是指当前画笔所在的待编辑区域；

依据三维模型的层次信息，在每一层上对三维模型的深度图像按照连续的深度值和可见优先级进行分区，可见优先级一致并且深度值保持连续的点集归为同一个区域，不同的区域用区域号ID_q标记；若深度值相差超过0.01，则视为深度值不连续；

步骤3：画笔导航控制：由在三维模型表面的画笔对三维模型进行导航控制，视角变换方向及速度与画笔的移动方向和速度保持一致，画笔当前点始终保持可见并固定于视窗中心，同时利用画笔对感兴趣区域进行编辑；

所述的视角变换下深度层次一致的交互方法，其步骤为：

1）初始视角为v₀时，当前编辑点在视窗的位置为（x₀，y₀），查询画笔所在位置所属的三维模型层次ID_c，记为ID_c（l₀），获得当前画笔位置信息记为（x₀，y₀，l₀），利用画笔位置信息查询当前编辑点在三维模型中的深度值z₀；

2）用户在交互过程中，改变视角为v₁，视角变换后的画笔位置为（x₁，y₁），从当前画笔在三维模型的多个层次上的所对应的多个深度值中，选择深度值与z₀的绝对差值最小的深度值所在的层次，记为ID_c（l₁）；

3）以点（x₁,y₁）对应的点为中心，分别以笔刷大小和2倍笔刷大小为直径，绘制两个屏幕空间圆盘，在两个屏幕空间圆盘上找出所属三维模型层次为ID_c（l₁）的点构成的顶点集合，分别记为可绘制区域与可跟踪区域；

所述的笔刷是指以画笔所在点为圆心、用户设定值为直径的圆形区域，直径即为笔刷大小；

视角由相机位置、目标位置以及竖直方向矢量三个向量组成。

竖直方向是指向目标物体朝上的方向矢量。

所述的感兴趣区域的跟踪与弹出，其步骤为：

1)三维模型中可见优先级最高且处于编辑状态的点构成的区域，记为s₀；

2)区域s₀投影到屏幕空间的所有像素集合，记为p₀；

3)将p₀反向投影到视角v₀下的三维模型物体空间中，获得的顶点集合记为p₀’；

4)将p₀’投影到v₁视角下的屏幕空间，获得的像素集合记为p₁；

5)遍历p₁中所有像素，对每一个像素，查找其所属的区域ID_q，同时为该区域票数增加1，每个区域的票数初始值为0；

6)所属区域ID_q是指按照步骤2中所述的区域号；

7)对所有区域的得票数进行排序，得票最高的区域即为新视角下的感兴趣区域s₂；

8)弹出感兴趣区域s₂。

所述步骤3的画笔导航控制，具体步骤如下：

1）将画笔的当前点固定在视窗的中心，同时记录鼠标的移动方向和距离；

2）局部地旋转三维模型，其步骤为：

a）鼠标与画笔都位于（x₀，y₀）处,将坐标为（x₀，y₀）的点投影到三维模型当前编辑层上的顶点为p₀；

b）当鼠标移动时，获得鼠标移动的向量为（d_x，d_y），鼠标在屏幕空间上坐标为（x₀₊d_x，y₀₊d_y），将鼠标所在屏幕空间上的点投影到三维模型当前编辑层上的顶点为p₁；

c）选取顶点p₁处的法线向量n，围绕p₁旋转三维模型使得n平行于屏幕空间的垂直方向并且指向屏幕外；

d）最后按向量(p₀-p₁)移动整个三维模型，使得p₁处于画笔的中心。

所述投影包括正交投影及透视投影。

有益效果

本发明提供了一种基于动态深度层次结构的三维模型交互方法，该方法在视角变换后，重建深度层次结构，并根据深度信息找到当前编辑点所在层次，保持当前编辑点的可编辑性；

在被遮挡的感兴趣区域被弹出的情况下，视角变换后，在新的深度层次结构中保持对感兴趣区域的跟踪，并将之自动弹出；在静态多层绘制算法中添加视角变换的时候对感兴趣区域跟踪和弹出算法的支持；

由在三维模型表面的笔画控制三维模型导航，视角变换方向、速度与笔画保持一致，笔画当前点始终保持可见并固定于视窗中心。

总之，应用本发明可以鲁棒高地对具有自遮挡的复杂三维模型进行表面属性编辑等交互操作。本发明很好的解决了现有对具有自遮挡的复杂三维模型进行表面属性的方法中，存在的视角切换时候丢失了原来的深度结构层次信息，处理时间过长的不足。与传统的所见即所得的算法以及静态深度层次结构方法相比，实现了多视角的绘制，增强了用户的使用体验；

与传统的所见即所得的算法以及静态多层绘制算法相比，本发明降低了用户在绘制的时候旋转物体的难度，同时考虑了用户的使用习惯，增强了用户的使用体验。

附图说明

图1为正交投影示意图；

图2是基于动态深度层次结构的三维模型交互方法和静态深度层次结构的三维模型交互方法的对比图；

其中，图中标号（9）为待编辑的区域，标号（1）为初始视角下的三维模型视图，标号（2）为初始视角下的编辑区域弹出示意图；标号（3）-标号（5）为基于静态深度层次结构的三维模型旋转过程示意图；标号（6）-标号（8）为基于动态深度层次结构的三维模型旋转过程示意图；

图3为应用本发明的笔画绘画过程示意图；

其中，图（a）为待编辑的三维模型，图（b）为画笔从图中蓝点开始绘画的示意图；图（c）为鼠标向左横移后，三维模型在画笔驱动下向左旋转后的效果图；图（d）表示处于被遮挡位置的待编辑点弹出示意图；图（e）-图（l）为在图（d）的基础上对三维模型继续进行绘画编辑的过程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本实例中采用一台配备支持GPU片段处理的图形硬件的电脑，电脑上的显卡使用ATI公司的编号为9500及其以上的显卡，或Nvidia公司的编号为5600及其以上的显卡。电脑上要安装OpenGL3.2或者以上版本。

一种基于动态深度层次结构的三维模型交互方法，包括以下步骤：

步骤1：视角变换下深度层次一致的交互：在视角变换后重建深度层次结构，并根据深度信息找到当前编辑点所在层次，并保持当前编辑点的可编辑性，即找到编辑点；

所述视角指用户观察三维模型的角度；

步骤2：感兴趣区域的跟踪与弹出：对编辑点所对应的感兴趣区域进行跟踪并弹出显示，被遮挡的感兴趣区域被弹出，视角变换后，新的深度层次结构能自动保持对感兴趣区域的跟踪并将感兴趣区域自动弹出；

所述感兴趣区域是指当前画笔所在的待编辑区域；

依据三维模型的层次信息，在每一层上对三维模型的深度图像按照连续的深度值和可见优先级进行分区，可见优先级一致并且深度值保持连续的点集归为同一个区域，不同的区域用区域号ID_q标记；若深度值相差超过0.01，则视为深度值不连续；

步骤3：画笔导航控制：由在三维模型表面的画笔对三维模型进行导航控制，视角变换方向及速度与画笔的移动方向和速度保持一致，画笔当前点始终保持可见并固定于视窗中心，同时利用画笔对感兴趣区域进行编辑；

所述的视角变换下深度层次一致的交互方法，其步骤为：

1）初始视角为v₀时，当前编辑点在视窗的位置为（x₀，y₀），查询画笔所在位置所属的三维模型层次ID_c，记为ID_c（l₀），获得当前画笔位置信息记为（x₀，y₀，l₀），利用画笔位置信息查询当前编辑点在三维模型中的深度值z₀；

视角由相机位置、目标位置以及竖直方向矢量三个向量组成。初始视角中，相机位置为原点（0,0,0），目标位置为z轴上一点（0,0,1），竖直方向矢量为（0,1,0）；

2）用户在交互过程中，通过鼠标拖动，改变视角，改变视角为v₁，在用户改变视角后，相机位置变为（0.1,0,0），目标位置和竖直上方向保持不变。视角变换后的画笔位置为（x₁，y₁），从当前画笔在三维模型的多个层次上的所对应的多个深度值中，选择深度值与z₀的绝对差值最小的深度值所在的层次，记为ID_c（l₁）；

3）以点（x₁,y₁）对应的点为中心，分别以笔刷大小和2倍笔刷大小为直径，绘制两个屏幕空间圆盘，在两个屏幕空间圆盘上找出所属三维模型层次为ID_c（l₁）的点构成的顶点集合，分别记为可绘制区域与可跟踪区域；

所述的笔刷是指以画笔所在点为圆心、用户设定值为直径的圆形区域，直径即为笔刷大小；

所述的感兴趣区域的跟踪与弹出，其步骤为：

1)三维模型中可见优先级最高且处于编辑状态的点构成的区域，记为s₀；

2)区域s₀投影到屏幕空间的所有像素集合，记为p₀；

3)将p₀反向投影到视角v₀下的三维模型物体空间中，获得的顶点集合记为p₀’；

4)将p₀’投影到v₁视角下的屏幕空间，获得的像素集合记为p₁；

5)遍历p₁中所有像素，对每一个像素，查找其所属的区域ID_q，同时为该区域票数增加1，每个区域的票数初始值为0；

6)所属区域ID_q是指按照步骤2中所述的区域号；

7)对所有区域的得票数进行排序，得票最高的区域即为新视角下的感兴趣区域s₂；

8)弹出感兴趣区域s₂。

所述投影包括正交投影及透视投影。本实例中采用正交投影，如图1所示，展示了正交投影的示意图，正交投影的方向平行于Z轴并指向Z轴负方向，在图1中如箭头方向所示，设定图中所示的视景体，正交投影将长方体视景体投影到屏幕上。反向投影则与正交投影相反，将屏幕中像素沿Z轴正方向，即图1中箭头方向的逆方向，投影到视景体中，所得射线与视景体中的物体相交。

所述步骤3的画笔导航控制，如图3所示，具体步骤如下：

1）将画笔的当前点固定在视窗的中心，同时记录鼠标的移动方向和距离；

2）局部地旋转三维模型，其步骤为：

a）鼠标与画笔都位于（x₀，y₀）处,将坐标为（x₀，y₀）的点投影到三维模型当前编辑层上的顶点为p₀；

b）当鼠标移动时，获得鼠标移动的向量为（d_x，d_y），鼠标在屏幕空间上坐标为（x₀₊d_x，y₀₊d_y），将鼠标所在屏幕空间上的点投影到三维模型当前编辑层上的顶点为p₁；

c）选取顶点p₁处的法线向量n，围绕p₁旋转三维模型使得n平行于屏幕空间的垂直方向并且指向屏幕外；

d）最后按向量(p₀-p₁)移动整个三维模型，使得p₁处于画笔的中心。

图3为应用本发明的笔画绘画过程示意图；

其中，图（a）为待编辑的三维模型，图（b）为画笔从图中蓝点开始绘画的示意图；图（c）为鼠标向左横移后，三维模型在画笔驱动下向左旋转后的效果图；图（d）表示处于被遮挡位置的待编辑点弹出示意图；图（e）-图（l）为在图（d）的基础上对三维模型继续进行绘画编辑的过程示意图；图3中蓝色点为编辑点，被编辑点始终保持在屏幕上的固定位置，蓝色为画笔在三维模型表面的绘画轨迹。

图2是基于动态深度层次结构的三维模型交互方法和静态深度层次结构的三维模型交互方法的对比图；

其中，图中标号（9）为待编辑的区域，标号（1）为初始视角下的三维模型视图，标号（2）为初始视角下的编辑区域弹出示意图；标号（3）-标号（5）为基于静态深度层次结构的三维模型旋转过程示意图；标号（6）-标号（8）为基于动态深度层次结构的三维模型旋转过程示意图；基于静态深度层次结构的三维模型旋转视图，被编辑的可见性信息在旋转后丢失；基于动态深度层次结构的三维模型旋转视图，被编辑的可见性信息得到了良好的保持。

Claims (3)

1.一种基于动态深度层次结构的三维模型交互方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：视角变换下深度层次一致的交互：在视角变换后重建深度层次结构，并根据深度信息找到当前编辑点所在层次，并保持当前编辑点的可编辑性，即找到编辑点；

所述视角指用户观察三维模型的角度；

步骤2：感兴趣区域的跟踪与弹出：对编辑点所对应的感兴趣区域进行跟踪并弹出显示，被遮挡的感兴趣区域被弹出，视角变换后，新的深度层次结构能自动保持对感兴趣区域的跟踪并将感兴趣区域自动弹出；

所述感兴趣区域是指当前画笔所在的待编辑区域；

依据三维模型的层次信息，在每一层上对三维模型的深度图像按照连续的深度值和可见优先级进行分区，可见优先级一致并且深度值保持连续的点集归为同一个区域，不同的区域用区域号ID_q标记；若深度值相差超过0.01，则视为深度值不连续；

步骤3：画笔导航控制：由在三维模型表面的画笔对三维模型进行导航控制，视角变换方向及速度与画笔的移动方向和速度保持一致，画笔当前点始终保持可见并固定于视窗中心，同时利用画笔对感兴趣区域进行编辑；

所述的视角变换下深度层次一致的交互方法，其步骤为：

1）初始视角为v₀时，当前编辑点在视窗的位置为（x₀，y₀），查询画笔所在位置所属的三维模型层次ID_c，记为ID_c（l₀），获得当前画笔位置信息记为（x₀，y₀，l₀），利用画笔位置信息查询当前编辑点在三维模型中的深度值z₀；

2）用户在交互过程中，改变视角为v₁，视角变换后的画笔位置为（x₁，y₁），从当前画笔在三维模型的多个层次上的所对应的多个深度值中，选择深度值与z₀的绝对差值最小的深度值所在的层次，记为ID_c（l₁）；

3）以点（x₁,y₁）对应的点为中心，分别以笔刷大小和2倍笔刷大小为直径，绘制两个屏幕空间圆盘，在两个屏幕空间圆盘上找出所属三维模型层次为ID_c（l₁）的点构成的顶点集合，分别记为可绘制区域与可跟踪区域；

所述的笔刷是指以画笔所在点为圆心、用户设定值为直径的圆形区域，直径即为笔刷大小；

所述的感兴趣区域的跟踪与弹出，其步骤为：

1)三维模型中可见优先级最高且处于编辑状态的点构成的区域，记为s₀；

2)区域s₀投影到屏幕空间的所有像素集合，记为p₀；

3)将p₀反向投影到视角v₀下的三维模型物体空间中，获得的顶点集合记为p₀’；

4)将p₀’投影到v₁视角下的屏幕空间，获得的像素集合记为p₁；

5)遍历p₁中所有像素，对每一个像素，查找其所属的区域ID_q，同时为该区域票数增加1，每个区域的票数初始值为0；

6)所属区域ID_q是指按照步骤2中所述的区域号；

7)对所有区域的得票数进行排序，得票最高的区域即为新视角下的感兴趣区域s₂；

8)弹出感兴趣区域s₂。

2.根据权利要求1所述一种基于动态深度层次结构的三维模型交互方法，其特征在于，所述步骤3的画笔导航控制，具体步骤如下：

1）将画笔的当前点固定在视窗的中心，同时记录鼠标的移动方向和距离；

2）局部地旋转三维模型，其步骤为：

a）鼠标与画笔都位于（x₀，y₀）处,将坐标为（x₀，y₀）的点投影到三维模型当前编辑层上的顶点为p₀；

b）当鼠标移动时，获得鼠标移动的向量为（d_x，d_y），鼠标在屏幕空间上坐标为（x₀₊d_x，y₀₊d_y），将鼠标所在屏幕空间上的点投影到三维模型当前编辑层上的顶点为p₁；

c）选取顶点p₁处的法线向量n，围绕p₁旋转三维模型使得n平行于屏幕空间的垂直方向并且指向屏幕外；

d）最后按向量(p₀-p₁)移动整个三维模型，使得p₁处于画笔的中心。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于动态深度层次结构的三维模型交互方法，其特征在于，所述投影包括正交投影及透视投影。

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