CN105513111B - 一种基于图像轮廓自动贴合的草图式三维造型方法 - Google Patents

Abstract

一种基于图像轮廓自动贴合的草图式三维造型方法，读入一张三维模型的二维设计图，自动识别二维设计图的轮廓线；用鼠标、绘图笔或手指在计算机屏幕上绘制一根封闭的二维草图轮廓线；根据二维草图轮廓线的形状特征，以及它与二维设计图轮廓线的位置关系，自动将二维草图轮廓线贴合到二维设计图的轮廓线上；将二维草图轮廓线自动拟合为三次样条曲线；通过移动、增加、删除三次样条曲线的控制顶点修改三次样条曲线的形状，使二维草图轮廓线的形状更加贴合二维设计图轮廓线，从而获得预期的三维模型形状；根据三维模型的轮廓线，自动生成一个网格均匀的三维网格模型。采用这种方法能实现智能、准确、快速的三维模型设计。

Description

一种基于图像轮廓自动贴合的草图式三维造型方法

技术领域

本发明涉及一种三维造型方法，特别涉及一种基于图像轮廓自动贴合的草图式输入的三维网格模型制作方法。

背景技术

三维造型在动漫、游戏、娱乐、教育和产品设计中有着广泛的应用。目前的三维造型方法一般是从一个简单的基本几何体开始的，通过操纵控制三维模型的点、边、面等几何元素获得最终的三维模型。该方法存在操作比较复杂、对空间想象能力要求比较高的缺点。

近几年来，基于草图式的三维造型方法正成为研究的热点。作为一种自然、直接、快速描绘用户意图的设计方法，草图式三维造型方法有效地提高了三维造型的效率和性能，改善了人机交互方式。草图作为人类思维和交流的重要工具，一直是设计领域重要的工具。在产品设计中，草图历来都是创作的第一步骤。基于草图的交互方式符合概念设计初期用户的认知习惯，通过自由的手绘勾画可支持用户连续的、个性化的思维表达。计算机支持的手绘草图工具在手绘草图和基于计算机的建模程序之间架起一道桥梁，它综合纸上手绘草图和CAD造型的各自优势，一方面为设计创意表达提供了一个智能、自然的草图设计界面，同时又能识别与理解模糊草图，在此基础上进一步实现数字化几何建模。因此，计算机支持的草图技术对提升设计创新水平，加快新产品开发，提高市场竞争力，都具有重要理论意义和应用价值。目前草图及草图用户界面技术已经在各个领域，如概念设计、建模、动漫、动画、机械、建筑和服装设计等，得到了有效的应用。

在设计三维模型之前，设计师往往会手绘一张二维设计图作为三维造型的参考；在草图式三维造型时，根据二维设计图，沿着图像中的轮廓线绘制二维草图轮廓线，然后生成三维网格模型。为了获得准确的三维模型，需要交互地修改二维草图轮廓线的形状，使得二维草图轮廓线能贴合图像的轮廓线。这个操作往往是比较费时的，从而会影响用户的体验，降低设计的效率。为了解决该问题，本发明提出一种自动贴合图像轮廓线的草图式造型方法，充分利用计算机精准的计算能力与人类的判断能力，实现智能、准确、快速的三维模型设计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于图像轮廓自动贴合的草图式三维造型方法，实现智能、准确、快速的三维模型设计。

为解决该技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于图像轮廓自动贴合的草图式三维造型方法，包括以下步骤：

1)读入一张三维模型的二维设计图，所述二维设计图轮廓清晰；

2)自动识别二维设计图的轮廓线，首先识别出二维设计图轮廓像素点，然后对轮廓像素点进行整合处理，形成多根连续的轮廓线段；

3)用鼠标、绘图笔或手指在计算机屏幕上绘制一根封闭的二维草图轮廓线；

4)根据二维草图轮廓线的形状特征，以及它与步骤1)、2)所述的二维设计图轮廓线的位置关系，自动将二维草图轮廓线贴合到二维设计图的轮廓线上。它利用计算机的快速计算能力和人的判断能力，使二维草图轮廓线的形状自动调整到合适的形状，使草图绘制的三维模型能准确反映设计师的意图，包含以下步骤：

A、从二维草图轮廓线的起点开始，对二维草图轮廓线按顺序进行均匀取样，将二维草图轮廓线转化为多边形；根据二维草图轮廓线长度的不同，将取样的长度设置为5～30个屏幕像素的大小；

B、从多边形的起始点开始，遍历二维草图轮廓线的每个取样点，计算每个点在二维设计图轮廓线上的映射点；

C按顺序将二维草图轮廓线的映射点连接成为一个多边形，得到贴合二维设计图轮廓线的二维草图轮廓线；

5)将二维草图轮廓线自动拟合为三次样条曲线；

6)通过移动、增加、删除三次样条曲线的控制顶点修改三次样条曲线的形状，使二维草图轮廓线的形状更加贴合二维设计图轮廓线，从而获得预期的三维模型形状；

7)根据三维模型的轮廓线，自动生成一个网格均匀的三维网格模型。

在上述步骤4)中步骤B计算每个二维草图轮廓线取样点在二维设计图轮廓线上的映射点，采用下列步骤实现：

a、计算取样点P_i的法向；

b、以取样点P_i为参考点，在其法向的正反方向上各找一个离P_i的距离为H的点P_i,S和P_i,E，连接P_i,S与P_i,E得到一根垂线段P_i,SP_i,E。根据二维草图轮廓线的长度不同，距离H的大小设置为10～50个像素的大小；

c、遍历每根二维设计图轮廓线L_j上的每根线段V_kV_k+1；

d、计算线段P_i,SP_i,E和线段V_kV_k+1的夹角和交点，如果它们之间的夹角小于一定的阀值，并且存在交点，记录该交点为有效交点；夹角的阀值设置为15～45度；

e、反复执行步骤c与d，直到遍历所有的二维设计图轮廓线，找出所有与线段P_{i, S}P_i,E相交的有效交点；

f、计算全部有效交点与取样点P_i之间的距离，并将距离最短的交点设置为取样点的映射点，如果不存在有效的交点，则将取样点本身设置为其映射点。

在步骤1)中，图片中包含的对象是三维模型的二维设计图；图片的要求是轮廓比较清晰，为了能够在步骤2中正确地识别出二维设计图的轮廓线。

在步骤2)中，自动识别二维设计图的轮廓线。采用的方法参见(M.Cheng,CurveStructure Extraction for Cartoon Images,The 5^thJoint Conference on HarmoniousHuman Machine Environment,2009)。该方法首先识别出二维设计图轮廓像素点，然后对轮廓像素点进行整合处理，形成多根连续的轮廓线段，轮廓线段用折线表示。

在步骤3)中，所述封闭的二维草图轮廓线是由若干条离散的长度不均匀的直线段组成的；也可以在其它有屏幕的设备上绘制封闭的二维草图轮廓线。直线段的端点位置是根据鼠标、绘图笔或手指在显示屏幕上移动时的位置确定的。

在步骤5中，将二维草图轮廓线自动拟合为三次样条曲线，其目的是为了编辑草图轮廓线以便于精确控制三维模型的形状。所述三次样条曲线是用三次方程生成通过控制顶点的曲线，使得二维轮廓线的边界光滑。McKinlay,S.,Levine,M.,Cubic SplineInterpolation,Math45:Linear Algebra(McKinlay,S.,Levine,M.,三次样条曲线，线性方程)网址：http://online.redwoods.cc.ca.us/instruct/darnold/laproj/Fall98/SkyMeg/Proj.PDF.公开了该方法。

在步骤6中，三次样条曲线的控制顶点落在曲线上，其顶点可以被增加、删除和移动。修改控制顶点可以变三次样条曲线的形状，使草图轮廓线的形状更加贴合二维设计图的轮廓线，从而获得预期的三维模型形状。

在步骤7中，根据三维模型的轮廓线，自动生成一个网格均匀的三维网格模型。生成三维网格模型的方法参见(发明专利：一种草图式输入的三维网格模型制作方法，200910100503.5)。该方法包含以下步骤：

a)将三次样条曲线离散为由若干条等长度直线段组成的多边形；

b)将多边形进行三角化，生成网格均匀的二维网格；

c)用质点弹簧模型调整二维网格顶点的位置使得靠近轮廓线附近的网格密一些；

d)将步骤c)中的二维网格顶点位置抬高，将二维网格变成三维网格；

e)以三维网格的边界所在的面为对称面，复制一个对称的三维网格，然后将两个三维网格合并为一个封闭的三维网格，形成三维网格模型。

f)采用拉普拉斯算子对三维网格模型的网格进行光滑处理，得到最终的三维模型。

该发明可以应用在动漫、游戏、教育和工业产品的三维模型设计。根据二维设计图，采用草图式造型方法，可以快速设计出三维网格模型。与现有的技术相比，本发明的优势体现在如下两点：

1、本发明提出的基于图像轮廓自动贴合的草图式三维造型方法，设计师通过鼠标、绘图笔或手指沿着二维设计图的轮廓线绘制一根封闭的二维草图轮廓线，二维草图轮廓线就能自动贴合图像的轮廓线，然后生成三维模型。与现有的技术相比，该方法使三维模型的设计更加智能、简便，能够快速地设计出与二维设计图相符的三维模型。

2、本发明提出的基于图像轮廓自动贴合的草图式三维造型方法，二维草图轮廓线贴合图像的轮廓线后自动转化为三次样条曲线，通过增加、删除和移动控制顶点可以任意改变样条曲线的形状，从而控制三维模型的形状。与现有的技术相比，提高了三维造型操作的灵活性，改进了三维模型的质量和精度。

附图说明

图1为三维模型生成流程图。

图2为二维设计图。

图3为自动识别的图像轮廓线。

图4为封闭的二维草图轮廓线。

图5为自动贴合的草图轮廓线，轮廓线用三次样条曲线表示。

图6为三维模型(网格模型)。

图7为三维模型(渲染模型)。

具体实施方式

一种基于图像轮廓自动贴合的草图式三维造型方法，它的总体步骤参见图1。

步骤1：在计算机中读入一张二维设计图，如图2所示。图片中包含的对象是三维模型的二维设计图。图片的轮廓要求比较清晰，为了能够在下面的步骤中正确地识别出二维设计图的轮廓线。

步骤2：自动识别二维设计图的轮廓线，采用的方法参见(M.Cheng,CurveStructure Extraction for Cartoon Images,The 5^thJoint Conference on HarmoniousHuman Machine Environment,2009)。该方法首先识别出二维设计图轮廓像素点，然后对轮廓像素点进行整合处理，形成多根连续的轮廓线段，轮廓线段用折线表示，如图3所示。

步骤3：用鼠标、绘图笔或手指在计算机屏幕上绘制一根封闭的二维草图轮廓线，见图4；二维草图轮廓线是由若干条离散的长度不均匀的直线段组成的，直线段的端点位置是根据鼠标、绘图笔或手指在计算机屏幕上移动时的位置确定的，每段直线段的端点即为二维草图轮廓线的顶点。

步骤4：根据二维草图轮廓线的形状特征，以及它与二维设计图的位置关系，自动将二维草图轮廓线贴合到二维设计图的轮廓线上。该方法包含以下步骤：

A、从二维草图轮廓线的起点开始，对二维草图轮廓线按顺序进行均匀取样，将二维草图轮廓线转化为多边形；根据二维草图轮廓线长度的不同，将取样的长度设置为5～30个屏幕像素的大小，可以是5个屏幕像素的大小、30个屏幕像素的大小或5个屏幕像素到30个屏幕像素之间的数值大小。

B、从多边形的起始点开始，遍历二维草图轮廓线的每个取样点，计算每个点在二维设计图轮廓线上的映射点；

C、按顺序将二维草图轮廓线的映射点连接成为一个多边形，得到贴合二维设计图轮廓线的二维草图轮廓线。

在步骤B中，采用以下步骤计算每个二维草图轮廓线取样点在二维设计图轮廓线上的映射点：

a)计算取样点P_i的法向。

b)以取样点P_i为参考点，在其法向的正反方向上各找一个离P_i的距离为H的点P_i,S和P_i,E，连接P_i,S与P_i,E得到一根垂线段P_i,SP_i,E。根据二维草图轮廓线的长度不同，距离H的大小设置为10～50个像素的大小，可以是10个像素的大小、50个像素的大小或10个像素到50个像素之间的大小

c)遍历每根二维设计图轮廓线L_j上的每根线段V_kV_k+1。

d)计算线段P_i,SP_i,E和线段V_kV_k+1的夹角和交点，如果它们之间的夹角小于一定的阀值，并且存在交点，记录该交点为有效交点；夹角的阀值设置为15～45度，可以是15度、45度或15度到45度之间的度数。

e)反复执行步骤c与d，直到遍历所有的二维设计图轮廓线，找出所有与线段P_{i, S}P_i,E相交的有效交点。

f)计算全部有效交点与取样点P_i之间的距离，并将距离最短的交点设置为取样点的映射点。如果不存在有效的交点，则将取样点本身设置为其映射点。

步骤5：将二维草图轮廓线自动拟合为三次样条曲线，见图5。其目的是为了编辑草图轮廓线以便于精确控制三维模型的形状。所述三次样条曲线是用三次方程生成通过控制顶点的曲线，使得二维轮廓线的边界光滑。McKinlay,S.,Levine,M.,Cubic SplineInterpolation,Math45:Linear Algebra(McKinlay,S.,Levine,M.,三次样条曲线，线性方程)网址：http://online.redwoods.cc.ca.us/instruct/darnold/laproj/Fall98/SkyMeg/Proj.PDF.公开了该方法。

步骤6：通过移动、增加、删除三次样条曲线的控制顶点修改三次样条曲线的形状，使草图轮廓线的形状更加贴合二维设计图的轮廓线，从而获得预期的三维模型形状。

步骤7：根据三维模型的轮廓线，自动生成一个网格均匀的三维网格模型，见图6与图7。生成三维网格模型的方法参见发明专利：一种草图式输入的三维网格模型制作方法，200910100503.5，该方法包含以下步骤：

a)将三次样条曲线离散为由若干条等长度直线段组成的多边形；

b)将多边形进行三角化，生成网格均匀的二维网格；

c)用质点弹簧模型调整二维网格顶点的位置使得靠近轮廓线附近的网格密一些；

d)将步骤c)中的二维网格顶点位置抬高，将二维网格变成三维网格；

e)以三维网格的边界所在的面为对称面，复制一个对称的三维网格，然后将两个三维网格合并为一个封闭的三维网格，形成三维网格模型；

f)采用拉普拉斯算子对三维网格模型的网格进行光滑处理，得到最终的三维模型。

Claims (1)

1.一种基于图像轮廓自动贴合的草图式三维造型方法，包括以下步骤：

1)读入一张三维模型的二维设计图，所述二维设计图轮廓清晰；

2)自动识别二维设计图的轮廓线，首先识别出二维设计图轮廓像素点，然后对轮廓像素点进行整合处理，形成多根连续的轮廓线段；

3)用鼠标、绘图笔或手指在计算机屏幕上绘制一根封闭的二维草图轮廓线；

4)根据二维草图轮廓线的形状特征，以及它与步骤1)、2)所述的二维设计图轮廓线的位置关系，自动将二维草图轮廓线贴合到二维设计图的轮廓线上，包含以下步骤：

A、从二维草图轮廓线的起点开始，对二维草图轮廓线按顺序进行均匀取样，将二维草图轮廓线转化为多边形；根据二维草图轮廓线长度的不同，将取样的长度设置在5～30个屏幕像素的大小之间；

B、从多边形的起始点开始，遍历二维草图轮廓线的每个取样点，计算每个点在二维设计图轮廓线上的映射点；

C按顺序将二维草图轮廓线的映射点连接成为一个多边形，得到贴合二维设计图轮廓线的二维草图轮廓线；

5)将二维草图轮廓线自动拟合为三次样条曲线；

6)通过移动、增加、删除三次样条曲线的控制顶点修改三次样条曲线的形状，使二维草图轮廓线的形状更加贴合二维设计图轮廓线，从而获得预期的三维模型形状；

7)根据三维模型的轮廓线，自动生成一个网格均匀的三维网格模型；

其特征在于：在步骤4)中步骤B计算每个二维草图轮廓线取样点在二维设计图轮廓线上的映射点，采用下列步骤实现：

a、计算取样点P_i的法向；

b、以取样点P_i为参考点，在其法向的正反方向上各找一个离P_i的距离为H的点P_i,S和P_i,E，连接P_i,S与P_i,E得到一根垂线段P_i,SP_i,E，根据二维草图轮廓线的长度不同，距离H的大小设置在10～50个像素的大小之间；

c、遍历每根二维设计图轮廓线L_j上的每根线段V_kV_k+1；

d、计算线段P_i,SP_i,E和线段V_kV_k+1的夹角和交点，如果它们之间的夹角小于一定的阀值，并且存在交点，记录该交点为有效交点；夹角的阀值设置在15～45度之间；

e、反复执行步骤c与d，直到遍历所有的二维设计图轮廓线，找出所有与线段P_i,SP_i,E相交的有效交点；

f、计算全部有效交点与取样点P_i之间的距离，并将距离最短的交点设置为取样点的映射点，如果不存在有效的交点，则将取样点本身设置为其映射点。