CN105184849A - 基于面片链码的三维网格模型表示方法 - Google Patents
基于面片链码的三维网格模型表示方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于面片链码的三维网格模型表示方法，所述方法如下：输入待编码的三维模型，将三维图形空间用平行于坐标面的平面划分成均匀的立方体小格，所述立方体小格称为体素；每个体素有8个顶点，8个顶点中任意3个顶点相连即可组成一个三角面片，每个体素中共存在56个位置固定的三角面片，对每个三角面片用一组二进制数进行编码表示；在三维物体模型的边界体素上找一个与物体表面最接近的三角面片来表示该部分三维表面；以此类推，按顺序逐层地将这些三角面片连接起来，所有三角面片组成三角面片链码，用三角面片链码来表示整个三维物体模型。本方法具有节省数据量、三维模型逼真、应用广泛等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维网格模型的表示方法。
背景技术
链码是用曲线起始点的坐标和边界点方向代码来描述曲线或边界的方法，常被用来在图像处理、计算机图形学、模式识别等领域中表示曲线和区域边界。它是常用的表示线条、平面曲线及区域边界的编码技术，用边界方向作为编码依据，为简化边界的描述，一般描述的是边界点集。
常用的链码有：Freeman链码、顶点链码、角度差Freeman链码、基于一小段直线段的新链码、基于顶点链码及Huffman编码思想的压缩顶点链码等。
Freeman链码至今仍然是一个被广泛使用的最主要的链码编码方法，该链码沿着数字曲线或边界像素以8邻接的方式移动，每一个移动方向由数字集{i|i＝0,1,2,……7}进行编码，表示与X轴正向的45°×i夹角，称为八方向Freeman链码。在角度差Freeman链码中，第一个码值仍然采用8方向Freeman链码，其余每个码值则采用它与其前一个码值的相对角度差进行编码，该角度差Freeman链码基于最常用的8方向Freeman链码和Huffman编码思想，编码时考虑到各码值出现的不同概率，其码值C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7分别表示角度差值0°、45°、-45°、90°、-90°、135°、-135°、180°。
目前，最常用的三维体素链码编码方法主要有26方向Freeman链码、用链码描述基于体素构成的三维树状模型以及基于体素方向变化编码的相对链码方法等。26方向Freeman链码的链码元素表明三维空间中体素的26种方向。三维树状模型以及基于体素方向变化编码的相对链码方法定义的链码共有0，1，2，3和4五个元素，分别表明由体素构成的连续直线段的两个发生直角变化的方向，称为5OT。
但是，上述链码方法的应用有的是局限于简单轮廓及二值图像的编码及压缩中，有的虽然是在三维模型表示中的应用，可依然还局限于特定的形状描述，如三维数字曲线、三维树状模型等。即使是对三维模型的表示，也是基于体素进行描述。因此，这些方法都是基于二维中的像素延伸到对三维中的体素进行的编码。这些基于体素的三维模型边界的链码表示方法，其表面只有水平和垂直的两种四边形面组成，不能很好地表示真实物体的表面。
鉴于此，本发明提出面片链码的方法，实现对三维物体模型的表示，不仅使表示的三维模型更逼近真实物体的表面，而且为三维模型提供了一种新的表示方法，同时，极大地提高了三维模型表示的数据的压缩率。
发明内容
本发明目的在于提供一种更逼近真实物体表面、极大提高三维模型表示数据压缩率的基于面片链码的三维网格模型表示方法。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明表示方法如下：
(1)输入待编码的三维模型；
(2)将三维图形空间用平行于坐标面的平面划分成均匀的立方体小格，所述立方体小格称为体素；
其中，每个体素有8个顶点，8个顶点中任意3个顶点相连即可组成一个三角面片，每个体素中共存在56个位置固定的三角面片，对每个三角面片用一组二进制数进行编码表示；
(3)在三维物体模型的边界体素上找一个与物体表面最接近的三角面片来表示该部分三维表面；
(4)以此类推，按顺序逐层地将这些三角面片连接起来，所有三角面片组成三角面片链码，用三角面片链码来表示整个三维物体模型。
三角面片链码的编码是对体素中的三角面片进行编码；所述三角面片链码中的每个元素均由连接边标识和下一个三角面片编号两部分组成；
所述连接边是由一个三角面片过渡到下一个三角面片时两个三角面片的公共边；
所述连接边标识，任何一条当前连接边均有两个端点，从当前三角面片向下一三角面片过渡时，当前连接边两个端点中的一个端点必然成为下一条连接边的一个端点，以该端点作为下一条连接边端点时，则此时连接边标识为0；以另一个端点作为下一条连接边端点时，则此时连接边标识为1；
所述三角面片的编号，在每个体素中，将同一方向的连接边归结为一类，得到共13类连接边，13类连接边中每一类连接边作为一条边的所有三角面片只是一个体素中的56个三角面片的子集；三角面片的编号取决于连接边的类型；通过最多4位二进制数对每一类连接边中三角面片子集的每个三角面片分别进行编号；
三角面片链码的编码是由连接边标识的1位二进制数加上下一个三角面片编号的最多4位二进制数组成的一组最多5位二进制数，通过连接边标识确定一类连接边，三角面片的编码一类连接边对应固定数目和位置的三角面片，每个三角面片均有各自的编码；三维物体模型采用三角面片链码进行表示。
13类连接边的定义，设连接边为e，x为x轴上数值，y为y轴上数值，z为z轴上数值，所述13类连接边的表述如下：
(1)第1类连接边e1为点(x，y，z)到点(x+1，y，z)的线段；
(2)第2类连接边e2为点(x，y，z)到点(x，y+1，z)的线段；
(3)第3类连接边e3为点(x，y，z)到点(x，y，z+1)的线段；
(4)第4类连接边e4为点(x，y，z)到点(x+1，y+1，z)的线段；
(5)第5类连接边e5为点(x，y，z)到点(x+1，y-1，z)的线段；
(6)第6类连接边e6为点(x，y，z)到点(x，y+1，z+1)的线段；
(7)第7类连接边e7为点(x，y，z)到点(x，y+1，z-1)的线段；
(8)第8类连接边e8为点(x，y，z)到点(x+1，y，z+1)的线段；
(9)第9类连接边e9为点(x，y，z)到点(x+1，y，z-1)的线段；
(10)第10类连接边e10为点(x，y，z)到点(x+1，y-1，z+1)的线段；
(11)第11类连接边e11为点(x，y，z)到点(x+1，y+1，z+1)的线段；
(12)第12类连接边e12为点(x，y，z)到点(x-1，y+1，z+1)的线段；
(13)第13类连接边e13为点(x，y，z)到点(x+1，y+1，z-1)的线段。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、在三维模型的表示中，省略掉现有方法中的数据量最大的点表，而只使用了相当于其面表的面片链码表，为三维模型提供了一种新的表示方法，极大地节省三维模型表示的数据量。
2、使表示的三维模型更逼近真实物体的表面，在计算机图形学、虚拟现实、科学计算、CAD、CAM、几何建模、动画、游戏、仿真、教育、医疗等三维模型广泛应用的领域中具备广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明方法的处理过程框图。
图2是本发明方法中面片链码元素的数据结构图。
图3是连接边标识定义的表示图。
图4是连接边标识定义的解释图。
图5是13类连接边的类型图。
图6是第1类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图7是第2类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图8是第3类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图9是第4类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图10是第5类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图11是第6类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图12是第7类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图13是第8类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图14是第9类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图15是第10类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图16是第11类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图17是第12类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图18是第13类连接边所对应的三角面片位置表示图。
图19是实施本发明硬件连接框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明所述基于面片链码的三维网格模型表示方法，表示方法如下：
(1)输入待编码的三维模型；
(2)将三维图形空间用平行于坐标面的平面划分成均匀的立方体小格，所述立方体小格称为体素；
其中，每个体素有8个顶点，8个顶点中任意3个顶点相连即可组成一个三角面片，每个体素中共存在56个位置固定的三角面片，对每个三角面片用一组二进制数进行编码表示；
(3)在三维物体模型的边界体素上找一个与物体表面最接近的三角面片来表示该部分三维表面；
(4)以此类推，按顺序逐层地将这些三角面片连接起来，所有三角面片组成三角面片链码，用三角面片链码来表示整个三维物体模型。
如图2所示，三角面片链码的编码是对体素中的三角面片进行编码；所述三角面片链码中的每个元素均由连接边标识和下一个三角面片编号两部分组成；
所述连接边是由一个三角面片过渡到下一个三角面片时两个三角面片的公共边；
所述连接边标识，任何一条当前连接边均有两个端点，从当前三角面片向下一三角面片过渡时，当前连接边两个端点中的一个端点必然成为下一条连接边的一个端点，以该端点作为下一条连接边端点时，则此时连接边标识为0；以另一个端点作为下一条连接边端点时，则此时连接边标识为1；如图3所示，用v表示顶点，f表示面片，设f2为当前面片由有序的顶点v1,v2和v3组成，f1是上一个面片，则边v1v2就是当前连接边；下一个面片如果是f3，则连接边标识为0；如果是f4，则连接边标识为1。连接边标识的定义如图4所示。
要把整个三维模型表示出来，面片是按顺序走起来的，并且是逐层进行，一层表示完再表示到上一层。这样，下一个连接边只能是v2v3或者是v3v1，所以用一位二进制数就能表示这两种情况，所以连接边标识就是在表明下一条连接边是v2v3还是v3v1。
下一个面片如果是f3或f4只是图3中所举的一个说明性的例子，也可以是其他面片，但连接边是相同的。比如，图3中举的例子是下一个面片如果是f3，该例子中的f3是由顶点v2v3v4构成的三角形，如果把f3画成是由图6中对应的任一个面片(共16种情况)，都可以说下一个连接边是v2v3。连接边标识只有两种情况，但连接边位置有13种情况，每一种位置的连接边有其固定对应的下一个三角面片的情况。连接边标识确定了，因为是按顺序走的，所以也就同时确定了连接边的位置。
所述三角面片的编号，在每个体素中，将同一方向的连接边归结为一类，得到共13类连接边，13类连接边中每一类连接边作为一条边的所有三角面片只是一个体素中的56个三角面片的子集；三角面片的编号取决于连接边的类型；通过最多4位二进制数对每一类连接边中三角面片子集的每个三角面片分别进行编号；
三角面片链码的编码是由连接边标识的1位二进制数加上下一个三角面片编号的最多4位二进制数组成的一组最多5位二进制数，通过连接边标识确定一类连接边，三角面片的编码一类连接边对应固定数目和位置的三角面片，每个三角面片均有各自的编码；三维物体模型采用三角面片链码进行表示。当前连接边信息并不存储在三维模型的数据结构中，而是在解码时根据连接边标识每一步跟踪得到的。
13类连接边的定义，设连接边为e，x为x轴上数值，y为y轴上数值，z为z轴上数值，所述13类连接边的表述如下：
(1)第1类连接边e1为点(x，y，z)到点(x+1，y，z)的线段；第1类连接边所选择的三角面片位置如图6所示，三角面片的顶点坐标如表1
表1
(2)第2类连接边e2为点(x，y，z)到点(x，y+1，z)的线段；第2类连接边所选择的三角面片位置如图7所示，三角面片的顶点坐标如表2
表2
(3)第3类连接边e3为点(x，y，z)到点(x，y，z+1)的线段；第3类连接边所选择的三角面片位置如图8所示，三角面片的顶点坐标如表3
表3
(4)第4类连接边e4为点(x，y，z)到点(x+1，y+1，z)的线段；第4类连接边所选择的三角面片位置如图9所示，三角面片的顶点坐标如表4
表4
(5)第5类连接边e5为点(x，y，z)到点(x+1，y-1，z)的线段；第5类连接边所选择的三角面片位置如图10所示，三角面片的顶点坐标如表5
表5
(6)第6类连接边e6为点(x，y，z)到点(x，y+1，z+1)的线段；第6类连接边所选择的三角面片位置如图11所示，三角面片的顶点坐标如表6
表6
(7)第7类连接边e7为点(x，y，z)到点(x，y+1，z-1)的线段；第7类连接边所选择的三角面片位置如图12所示，三角面片的顶点坐标如表7
表7
(8)第8类连接边e8为点(x，y，z)到点(x+1，y，z+1)的线段；第8类连接边所选择的三角面片位置如图13所示，三角面片的顶点坐标如表8
表8
(9)第9类连接边e9为点(x，y，z)到点(x+1，y，z-1)的线段；第9类连接边所选择的三角面片位置如图14所示，三角面片的顶点坐标如表9
表9
(10)第10类连接边e10为点(x，y，z)到点(x+1，y-1，z+1)的线段；第10类连接边所选择的三角面片位置如图15所示，三角面片的顶点坐标如表10
表10
(11)第11类连接边e11为点(x，y，z)到点(x+1，y+1，z+1)的线段；第11类连接边所选择的三角面片位置如图16所示，三角面片的顶点坐标如表11
表11
(12)第12类连接边e12为点(x，y，z)到点(x-1，y+1，z+1)的线段；第12类连接边所选择的三角面片位置如图17所示，三角面片的顶点坐标如表12
表12
(13)第13类连接边e13为点(x，y，z)到点(x+1，y+1，z-1)的线段。第13类连接边所选择的三角面片位置如图18所示，三角面片的顶点坐标如表13
表13
如图19所示，通用计算机至少包含一个微处理器，其通过总线与随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出(I/O)适配器、用户接口适配器、显示适配器相连。其中，输入/输出适配器用于连接可移动及大容量数据及程序存储设备；用户接口适配器用于连接键盘和鼠标，除此以外，还可以连接手写板、扫描仪等其他用户输入设备；显示适配器用于连接显示设备。
为简化本发明的实施，可以编写具有合适的应用接口的计算机程序，并将其存储于可移动的或大容量的数据及程序存储设备中(包括软盘，CD-ROM，或者是硬盘等各种计算机可读存储介质中)，或者由某些传输介质传输(如通过电线或电缆，通过光纤等传输)。当所述计算机程序代码被加载到并且由计算机或控制器执行时，该计算机就会成为用于实施本发明的装置。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于面片链码的三维网格模型表示方法，其特征在于，所述表示方法如下：
(1)输入待编码的三维模型；
(2)将三维图形空间用平行于坐标面的平面划分成均匀的立方体小格，所述立方体小格称为体素；
其中，每个体素有8个顶点，8个顶点中任意3个顶点相连即可组成一个三角面片，每个体素中共存在56个位置固定的三角面片，对每个三角面片用一组二进制数进行编码表示；
(3)在三维物体模型的边界体素上找一个与物体表面最接近的三角面片来表示该部分三维表面；
(4)以此类推，按顺序逐层地将这些三角面片连接起来，所有三角面片组成三角面片链码，用三角面片链码来表示整个三维物体模型。
2.根据权利要求1所述的基于面片链码的三维网格模型表示方法，其特征在于：三角面片链码的编码是对体素中的三角面片进行编码；所述三角面片链码中的每个元素均由连接边标识和下一个三角面片编号两部分组成；
所述连接边是由一个三角面片过渡到下一个三角面片时两个三角面片的公共边；
所述连接边标识，任何一条当前连接边均有两个端点，从当前三角面片向下一个三角面片过渡时，当前连接边两个端点中的一个端点必然成为下一条连接边的一个端点，以该端点作为下一条连接边端点时，则此时连接边标识为0；以另一个端点作为下一条连接边端点时，则此时连接边标识为1；
所述三角面片的编号，在每个体素中，将同一方向的连接边归结为一类，得到共13类连接边，13类连接边中每一类连接边作为一条边的所有三角面片只是一个体素中的56个三角面片的子集；三角面片的编号取决于连接边的类型；通过最多4位二进制数对每一类连接边中三角面片子集的每个三角面片分别进行编号；
三角面片链码的编码是由连接边标识的1位二进制数加上下一个三角面片编号的最多4位二进制数组成的一组最多5位二进制数，通过连接边标识确定一类连接边，三角面片的编码一类连接边对应固定数目和位置的三角面片，每个三角面片均有各自的编码；三维物体模型采用三角面片链码进行表示。
3.根据权利要求2所述的基于面片链码的三维网格模型表示方法，其特征在于，设连接边为e，x为x轴上数值，y为y轴上数值，z为z轴上数值，所述13类连接边的表述如下：
(1)第1类连接边e1为点(x，y，z)到点(x+1，y，z)的线段；
(2)第2类连接边e2为点(x，y，z)到点(x，y+1，z)的线段；
(3)第3类连接边e3为点(x，y，z)到点(x，y，z+1)的线段；
(4)第4类连接边e4为点(x，y，z)到点(x+1，y+1，z)的线段；
(5)第5类连接边e5为点(x，y，z)到点(x+1，y-1，z)的线段；
(6)第6类连接边e6为点(x，y，z)到点(x，y+1，z+1)的线段；
(7)第7类连接边e7为点(x，y，z)到点(x，y+1，z-1)的线段；
(8)第8类连接边e8为点(x，y，z)到点(x+1，y，z+1)的线段；
(9)第9类连接边e9为点(x，y，z)到点(x+1，y，z-1)的线段；
(10)第10类连接边e10为点(x，y，z)到点(x+1，y-1，z+1)的线段；
(11)第11类连接边e11为点(x，y，z)到点(x+1，y+1，z+1)的线段；
(12)第12类连接边e12为点(x，y，z)到点(x-1，y+1，z+1)的线段；
(13)第13类连接边e13为点(x，y，z)到点(x+1，y+1，z-1)的线段。
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