CN105225260A - 一种手写原笔迹实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手写原笔迹的实现方法，包括步骤为：步骤一、实时采集手写过程中的轨迹点；步骤二、根据采集到的轨迹点进行手写轨迹的拟合；步骤三、根据每个轨迹点的压力值以及笔锋处理后确定每个轨迹点处的笔宽值；步骤四、对步骤二中拟合得到的曲线，根据步骤三中所得的轨迹点处的笔宽值进行笔刷填充，完成原笔迹的渲染。本发明能够将轨迹点进行几乎完全光滑的轨迹拟合，并且能够高效率的进行原笔迹的渲染。

Description

一种手写原笔迹实现方法

技术领域

本发明涉及一种手写笔迹实现方法。

背景技术

在当今信息化建设大潮中，电子文档作为信息交换最主要的载体受到了广泛关注，无论是军政部门还是商业机构，都在利用网络传递文档以保持着迅速、及时地沟通，全数字化无纸办公已成为必然之势。如何使行文过程中的审批、决策等重要环节完全数字化且不被篡改，并以通用文档格式流转存档，已成为目前急需解决的问题。如今手写输入板以及触摸屏为解决键盘输入的局限性提供了硬件基础，手写输入能满足用户手写的随意性，它根据用户在手写输入板上划动所产生的轨迹显示目标文字，具有很强的使用亲和力。

通常手写板以及触摸屏在手写过程中采集到的是一些离散的轨迹点，轨迹点是指在手写过程中通过手写板或触摸屏等手写设备实时采集的手写轨迹上的离散点。对于这些轨迹点通常要进行曲线拟合，即用连续的曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函数关系，即用解析表达式逼近离散坐标数据。通常采用贝塞尔曲线的方法进行轨迹拟合，贝塞尔曲线能够将离散点拟合为平滑的曲线，但如果在手写板或触摸屏将全部的轨迹点收集结束后进行曲线的拟合将产生很大的延迟，故此需要将离散点分段进行拟合，这样就产生了贝塞尔曲线间的平滑连接的问题。

在轨迹点拟合后通常采用笔刷贴图的方式进行原笔迹的渲染，笔刷贴图是指在手写轨迹上通过插值的方式得到一系列连续的轨迹序列点，并在这些序列点上贴上笔刷，从而得到手写效果。但是为了保证最终的笔迹是平滑的，笔刷贴图需要非常密集，这就使得原笔迹的渲染效率低，增加对设备的CPU以及显卡的要求，同时增加了渲染延迟。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种手写原笔迹实现方法，解决现有原笔迹处理方法对轨迹点进行分段曲线拟合过程中曲线间不能平滑连接的问题，以及在原笔迹渲染过程中效率低的问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种手写原笔迹实现方法，包括步骤如下：

步骤一、实时采集手写过程中的轨迹点；

步骤二、根据采集到的轨迹点进行手写轨迹的拟合；

步骤三、根据每个轨迹点的压力值以及笔锋处理后确定每个轨迹点处的笔宽值；

步骤四、对步骤二中拟合得到的曲线，根据步骤三中所得的轨迹点处的笔宽值进行笔刷填充，完成原笔迹的渲染。

所述步骤二，采用中点贝塞尔连接方式进行轨迹的拟合，具体是将相邻两个轨迹点的中点作为曲线的两个端点，将两个相邻中点之间的轨迹点作为曲线的控制点进行贝塞尔曲线拟合。

本发明提供的手写原笔迹的实现方法，在手写轨迹的拟合过程中对轨迹点采用中点贝塞尔曲线拟合的方式，使得手写轨迹是几乎完全光滑的，从而提高了手写原笔迹的仿真度与自然度；在原笔迹渲染过程中采取了笔刷填充的方式，降低了渲染过程中的计算量，提高了渲染效率，从而降低了手写原笔迹的实现对CPU以及显卡的要求，并减少的渲染延迟。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明所提供的方法流程图；

图2为中点贝塞尔曲线拟合示意图；

图3为大曲率曲线补点示意图；

图4是本发明的轨迹拟合流程图；

图5是本发明采用笔刷填充方式渲染的轮廓图；

图6是采用笔刷贴图方式渲染的轮廓图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种手写原笔迹的实现方法，该方法包括：实时采集手写过程中的轨迹点；根据采集到的轨迹点进行手写轨迹的拟合；根据每个轨迹点的压力值以及笔锋处理后确定每个轨迹点处的笔宽值；最后根据这些笔宽值将拟合曲线分段后进行笔刷填充，从而完成对原笔迹的渲染。本发明能够将轨迹点进行几乎完全光滑的轨迹拟合，并且很高效率的进行原笔迹的渲染。

图1所示为本发明所提供的方法流程图，包括如下：

数据采集

本发明通过手写板或者触摸屏实时采集手写过程中轨迹点的数据。采集的轨迹点数据包括每个轨迹点的位置坐标、压力值、采样时间等。

轨迹拟合

本发明通过中点贝塞尔连接方式进行轨迹的拟合。为了保证渲染的实时性，并尽量减少计算量，中点贝塞尔连接是基于二次贝塞尔曲线的。二次贝塞尔曲线的公式为：

B(t)＝(1-t)²P0+2t(1-t)P1+t²P2公式1

其中0≤t≤1，B(t)是拟合后的曲线，P0为拟合贝塞尔曲线的入点，P2为拟合贝塞尔曲线的出点，P1为拟合贝塞尔曲线的控制点。

中点贝塞尔曲线拟合即将相邻两个轨迹点的中点作为曲线的两个端点，将两个相邻中点之间的轨迹点作为曲线的控制点进行贝塞尔曲线拟合。中点贝塞尔曲线拟合示意图如图2所示。

图2中P0、P1、P2、P3为轨迹点，M1为P0与P1的中点，M2为P1与P2的中点，M3为P2与P3的中点。其中M1与M2为贝塞尔曲线C1的入点与出点，P1为贝塞尔曲线C1的控制点；M2与M3为贝塞尔曲线C2的入点与出点，P2为贝塞尔曲线C2的控制点。

采用中点贝塞尔曲线拟合的方法能够完全保证曲线间的连接是平滑的，证明如下：

在图2中，对于轨迹点P0、P1、P2、P3，P0与P1的中点M1，P1与P2的中点M2，P2与P3的中点M3，其中： $M1=\frac{P_0+P_1}{2},M2=\frac{P_1+P_2}{2},M3=\frac{P_2+P_3}{2}$

对于由M1、P1与M2拟合而成的曲线C1而言：

$B1\left(t\right)={(1-t)}^{2}M1+2t(1-t)P1+t^{2}M2={(1-t)}^2\frac{P_0+P_1}{2}+2t(1-t)P1+t^2\frac{P_1+P_2}{2}$

将B1(t)求t的导数有：

$B1{\left(t\right)}^{\′}=-2(1-t)\frac{P_0+P_1}{2}+(2-4t)P1+2t\frac{P_1+P_2}{2}=(t-1)P0+(1-2t)P1+tP2$

在M2点处，t＝1，此处的曲线斜率为：

B1(t＝1)′＝P2-P1式①

对于由M2、P2与M3拟合而成的曲线C2而言：

$B2\left(t\right)={(1-t)}^{2}M2+2t(1-t)P2+t^{2}M3={(1-t)}^2\frac{P_1+P_2}{2}+2t(1-t)P2+t^2\frac{P_2+P_3}{2}$

将B2(t)求t的导数有：

$B2{\left(t\right)}^{\′}=-2(1-t)\frac{P_1+P_2}{2}+(2-4t)P2+2t\frac{P_2+P_3}{2}=(t-1)P1+(1-2t)P2+tP3$

在M2点处，t＝0，此处的曲线斜率为：

B2(t＝0)′＝P2-P1式②

由式①②可知，在M2点处，曲线1与曲线2有相同的斜率，故此可以证明曲线C1与曲线C2是平滑连接的。

中点贝塞尔曲线拟合的方式完全保证了拟合后笔迹的平滑性，但是会导致在笔迹拐点处笔迹的失真，在拐点多而密的笔迹上失真尤其明显。为了解决这个问题，中点贝塞尔曲线拟合采取了大曲率曲线补点的改进。若曲线的最大曲率大于某个临界值时，便将这一段曲线视为大曲率曲线。补点即将之前作为曲线出点的两轨迹点中点作为补入的轨迹点，重新进行中点贝塞尔拟合。大曲率曲线补点示意图如图3所示。

图3中，P0、P1、P3、P4为轨迹点，P1、P2、P3点拟合的曲线为大曲率曲线，点AddedPoint为P2与P3的中点作为补入的轨迹点，补入的点与原轨迹点一起进行中点贝塞尔曲线拟合。虚线连接的曲线为补点前拟合的曲线，实线连接的曲线为补点后拟合的曲线，从图中可以看到，补点后的曲线更加贴近轨迹点，在P2点处表现尤其明显，从而修正了失真的现象。

根据上述的中点贝塞尔曲线连接方法，本方法实时读取轨迹点P(n)，其中n＝1，2，3，……。当n＝3时，开始拟合手写轨迹的第一段曲线，为了保证拟合后轨迹的起点与轨迹点重合，故此第一段曲线采取不完全的中点贝塞尔曲线连接，即将P(1)为曲线的入点，P(2)为曲线的控制点，P(2)与P(3)的中点为曲线出点进行贝塞尔曲线拟合。此后的轨迹中间部分的曲线均采用完全的中点贝塞尔曲线连接，即将P(n-2)与P(n-1)的中点为曲线的入点，将P(n-1)为曲线控制点，将P(n-1)与P(n)的中点为曲线的出点进行贝塞尔曲线的拟合。对于轨迹的最后一段曲线，为了保证拟合后轨迹的终点与轨迹点重合，故此最后一段曲线采取不完全的中点贝塞尔曲线连接，即将P(n-2)与P(n-1)的中点作为曲线的入点，将P(n-1)作为曲线的控制点，将P(n)作为曲线的出点进行贝塞尔曲线的拟合。在每段曲线拟合完成后，计算这段曲线的最大曲率，若最大曲率大于临界值，本方法对这段曲线进行补点，即将P(n-1)与P(n)的中点作为补点AddPoint，将P(n-2)与P(n-1)的中点作为曲线的入点，将P(n-1)作为曲线的控制点，将P(n-1)与AddPoint的中点最为曲线的出点拟合第一段贝塞尔曲线；将P(n-1)与AddPoint的中点作为曲线的入点，将AddPoint作为曲线的控制点，AddPoint与P(n)的中点作为曲线的出点拟合为第二段贝塞尔曲线；最后将这两段曲线共同作为最终拟合的轨迹曲线。在本方法中轨迹拟合的过程中可知，除了轨迹的最前两段曲线间和最后两段曲线间，其他曲线间的连接均是光滑的。

本方法的轨迹拟合流程图如图4所示。

轨迹点笔宽值计算

轨迹点笔宽值的计算主要是根据当前轨迹点的压力值以及基础笔宽，基础笔宽是指当前原笔迹渲染的最大笔宽width_MAX与最小笔宽width_MIN。轨迹点的笔宽值是随着该轨迹点压力值的增大而增大的。笔宽width的计算公式如下：

width＝width_MIN+(width_MAX-width_MIN)*pressure公式2

上式中的pressure为轨迹点处的压力值。

此外，在计算轨迹点笔宽的过程中本发明对笔迹在起笔和收笔处进行了笔锋的处理。

起笔笔锋处理

起笔是指笔尖接触到手写板或手指接触到触摸屏并开始滑动的动作。影响起笔笔锋的因素主要是起笔时的停顿时间。本方法在起笔的时候启动一个定时器进行计数，并在采集到第二个轨迹点时停止该定时器，最终的起始笔宽由基础笔宽以及定时器的计数决定。起始笔宽width_start的计算公式如下：

width_start＝width_MIN+width_MIN*log₂count公式3

上式中的count是指定时器的计数值。

收笔笔锋处理

收笔是指笔尖离开手写板或者手指离开触摸屏的动作，该动作将作为一个笔画的结束。收笔的笔锋处理主要是检测“甩笔”的动作。当笔画的最后一个轨迹点处的速度大于某个临界值，并且大于前一个轨迹点的速度时，认为收笔处有“甩笔”动作，当检测到“甩笔”动作后，本方法将最后一个轨迹点的笔宽设置为width_MIN。

原笔迹渲染

本发明采用笔刷填充的方法进行原笔迹渲染。笔刷填充是指根据拟合后每段贝塞尔曲线的长度将其按照一定的步长划分为若干个子曲线，计算每段子曲线两个端点的笔宽值，根据这个笔宽值在子曲线的端点处进行笔刷贴图，计算两个端点笔刷的外公切线以及相对应的切点，并将切线以及切点连线组成的封闭区域进行填充。

子曲线端点处的笔宽值是根据该子曲线所在的贝塞尔曲线入点与出点处的笔宽值以及该子曲线的步长计算所得的。

对于每段贝塞尔曲线的入点笔宽为作为入点的轨迹点或者与作为入点的中点相邻的前面一个轨迹点处的笔宽值；对于每段贝塞尔曲线的出点笔宽为作为出点的轨迹点或者与作为出点的中点相邻的前面一个轨迹点处的笔宽值。

子曲线划分步长的计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}t=\frac{{\mathrm{width}}_{substart}}{2*d}$ 公式4

公式4中的width_substart为当前子曲线起点处的笔宽值，对于贝塞尔曲线中的第一段子曲线，width_substart即为这段贝塞尔曲线入点处的笔宽值，对于非第一段子曲线，width_substart为与之相邻的前一段子曲线结尾处的笔宽值；d为该子曲线所在贝塞尔曲线的曲线长度。

子曲线结尾处的笔宽值width_subend计算公式如下：

width_subend＝width_substart+(width_end-width_start)*Δt公式5

公式4中的width_substart为当前子曲线起点处的笔宽值；width_start为该子曲线所在的贝塞尔曲线入点处笔宽；width_end为该子曲线所在的贝塞尔曲线出点处笔宽；Δt为该子曲线的步长。

笔刷填充渲染方式与笔刷贴图渲染方式相比，很好的减小计算量并提高渲染效率。图5中所示的是采用示笔刷填充方式渲染的轮廓图，图6所示的是采用笔刷贴图方式渲染的轮廓图。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种手写原笔迹实现方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一、实时采集手写过程中的轨迹点；

步骤二、根据采集到的轨迹点进行手写轨迹的拟合；

步骤三、根据每个轨迹点的压力值以及笔锋处理确定每个轨迹点处的笔宽值；

步骤四、对步骤二中拟合得到的曲线，根据步骤三中所得的轨迹点处的笔宽值进行笔刷填充，完成原笔迹的渲染。

2.根据权利要求1所述的手写原笔迹实现方法，其特征在于，所述步骤二，采用中点贝塞尔连接方式进行轨迹的拟合，具体是将相邻两个轨迹点的中点作为入点与出点，将两个相邻中点之间的轨迹点作为控制点进行贝塞尔曲线拟合。

3.根据权利要求2所述的手写原笔迹实现方法，其特征在于，所述中点贝塞尔连接是基于二次贝塞尔曲线的，二次贝塞尔曲线的公式为：

B(t)＝(1-t)²P0+2t(1-t)P1+t²P2公式1

其中0≤t≤1，B(t)是拟合后的曲线，P0为拟合贝塞尔曲线的入点，P2为拟合贝塞尔曲线的出点，P1为拟合贝塞尔曲线的控制点。

4.根据权利要求2所述的手写原笔迹实现方法，其特征在于，对中点贝塞尔曲线拟合后采取大曲率曲线补点以对拐点处笔迹的失真进行修正，所述大曲率曲线是指最大曲率大于某个临界值的曲线，补点即将之前作为曲线出点的两轨迹点中点作为轨迹点补入，重新进行中点贝塞尔拟合。

5.根据权利要求2所述的手写原笔迹实现方法，其特征在于，实时读取轨迹点P(n)，其中n＝1，2，3，……，当n＝3时，开始拟合手写轨迹的第一段曲线，为了保证拟合后轨迹的起点与轨迹点重合，第一段曲线采取不完全的中点贝塞尔曲线连接，即将P(1)为曲线的入点，P(2)为曲线的控制点，P(2)与P(3)的中点为曲线出点进行贝塞尔曲线拟合；此后的轨迹中间部分的曲线均采用完全的中点贝塞尔曲线连接，即将P(n-2)与P(n-1)的中点为曲线的入点，将P(n-1)为曲线控制点，将P(n-1)与P(n)的中点为曲线的出点进行贝塞尔曲线的拟合；对于轨迹的最后一段曲线，为了保证拟合后轨迹的终点与轨迹点重合，最后一段曲线采取不完全的中点贝塞尔曲线连接，即将P(n-2)与P(n-1)的中点作为曲线的入点，将P(n-1)作为曲线的控制点，将P(n)作为曲线的出点进行贝塞尔曲线的拟合。

6.根据权利要求5所述的手写原笔迹实现方法，其特征在于，在每段曲线拟合完成后，计算这段曲线的最大曲率，若最大曲率大于临界值，则对这段曲线进行补点，即将P(n-1)与P(n)的中点作为补点AddPoint，将P(n-2)与P(n-1)的中点作为曲线的入点，将P(n-1)作为曲线的控制点，将P(n-1)与AddPoint的中点最为曲线的出点拟合第一段贝塞尔曲线；将P(n-1)与AddPoint的中点作为曲线的入点，将AddPoint作为曲线的控制点，AddPoint与P(n)的中点作为曲线的出点拟合为第二段贝塞尔曲线；最后将这两段曲线共同作为最终拟合的轨迹曲线。

7.根据权利要求1所述的手写原笔迹实现方法，其特征在于，所述步骤三，轨迹点笔宽值width的计算公式如下：

width＝width_MIN+(width_MAX-width_MIN)*pressure公式2

式中：width_MAX、width_MIN分别指当前原笔迹渲染的基础笔宽中的最大笔宽与最小笔宽，pressure为该轨迹点处的压力值。

8.根据权利要求1所述的手写原笔迹实现方法，其特征在于，所述步骤三，笔锋处理包括起笔笔锋处理和收笔笔锋处理，具体是：

起笔笔锋处理

在起笔的时候启动一个定时器进行计数，并在采集到第二个轨迹点时停止该定时器，起始笔宽width_start的计算公式如下：

width_start＝width_MIN+width_MIN*log₂count公式3

上式中的count是指定时器的计数值；

收笔笔锋处理

当笔画的最后一个轨迹点处的速度大于某个临界值，并且大于前一个轨迹点的速度时，认为收笔处有“甩笔”动作，当检测到“甩笔”动作后，将最后一个轨迹点的笔宽设置为width_MIN。

9.根据权利要求2所述的手写原笔迹实现方法，其特征在于，所述步骤四，所述笔刷填充是指对拟合后每段贝塞尔曲线，将其按照一定的步长划分为若干个子曲线，计算每段子曲线两个端点的笔宽值，根据这个笔宽值在子曲线的端点处进行笔刷贴图，计算两个端点笔刷的外公切线以及相对应的切点，并在切线以及切点连线组成的封闭区域内进行填充。

10.根据权利要求9所述的手写原笔迹实现方法，其特征在于，子曲线端点处的笔宽是根据该子曲线所在贝塞尔曲线入点与出点处的笔宽值以及该子曲线的步长计算得到，而对于每段贝塞尔曲线，将作为该贝塞尔曲线入点的轨迹点处的笔宽值或与作为入点的中点相邻的前一个轨迹点处的笔宽值作为该段贝塞尔曲线入点出的笔宽值；将作为该贝塞尔曲线出点的轨迹点处的笔宽值或与作为出点的中点相邻的前一个轨迹点处的笔宽值作为该段贝塞尔曲线出点处的笔宽值，

子曲线起点处的笔宽值width_substart计算方法如下：

对于贝塞尔曲线中的第一段子曲线，width_substart即为这段贝塞尔曲线入点处的笔宽值，对于非第一段子曲线，width_substart为与之相邻的前一段子曲线结尾处的笔宽值，子曲线结尾处的笔宽值width_subend计算公式如下：

width_subend＝width_substart+(width_end-width_start)*Δt公式4

width_substart为当前子曲线起点处的笔宽值；width_start为该子曲线所在的贝塞尔曲线的起点笔宽；width_end为该子曲线所在的贝塞尔曲线的终点笔宽；Δt为该子曲线的步长。