CN106846464B - 一种基于自定义图像的三维镂空模型生成方法 - Google Patents

一种基于自定义图像的三维镂空模型生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自定义图像的三维镂空模型生成方法，对输入的二值图像非镂空区域进行连通化处理；确定二值图像非镂空区域的狭区，构建狭区集合，对集合内的狭区进行加宽处理与平滑处理，形成优化后的二值图像；利用保角参数化方法将优化后的二值图像作为纹理映射到三维模型的候选区域，构建三维实体模型；对三维实体模型进行抽壳处理，依据设定图像进行镂空处理，得到三维镂空模型；对建立的三维镂空模型进行受力检测，并根据检测结果进行优化。本发明得到的三维模型保持了输入模型的几何形状，得到了有根据自定义图像生成具有艺术价值并节省材料的镂空模型。

Description

一种基于自定义图像的三维镂空模型生成方法
技术领域
本发明涉及一种基于自定义图像的三维镂空模型生成方法。
背景技术
三维镂空模型，是在三维模型的基础上将所需要表现的图案在模型壳上镂空刻透，保留背景的数字模型。因镂空艺术具有花纹突出与节省材料的特点，被广泛应用在各个领域产品的艺术化加工中，如建筑装饰，家具装饰，器皿装饰等。
二值图像，是每个像素只有两个可能值的数字图像。经常用黑白、B&W、单色图像表示二值图像，但是也可以用来表示每个像素只有一个采样值的任何图像。
三维建模技术，发展已久并逐渐成熟，传统制造业中越来越多的使用三维建模技术进行产品的原型设计，通过人工设计完成产品的三维模型表面艺术设计工作，或通过半自动化的技术完成产品三维原型批量化设计。
由于镂空装饰能带来富有想象力的美感与出色的视觉效果，但设计三维镂空模型是一件费时费力的任务。近几年来，人们提出了几种给在三维模型上生成镂空装饰的方法。但是，现有的几种生成方法，都是以部分图形或纹理为基元素，通过基元繁殖合成与连续性优化的方式来生成具有重复性的，镂空图案与基元相似的三维模型。Dumas等人在2015年提出了一种通过基于标本纹理合成结构良好镂空模型的方法(Dumas,J.,Lu,A.,YANG,Z.,Lefebvre,S.,Wu,J.,AND Dick,C.2015.By-Example Synthesis of Structurally SoundPatterns.ACM Trans.Graph.34,4(July),137:1–137:12),该方法将包含了镂空信息的平面样本纹理集合，通过正交映射分别平铺到体素化的三维模型壳表面上，通过图案优化保证了连续性，增加壁厚到用户定义值后进行FEM分析，最终可以得到结构健全稳固的三维镂空模型。但是，通过该方法只能得到与用户输入的样本纹理具有视觉相似性的三维镂空模型。并且，用户不能确定最终生成的三维镂空模型图案，存在着无法满足用户可控的设计的问题。Chen等人在2016年提出了生成具有花丝装饰的三维镂空模型的方法(Chen,W.,Zhang,X.,Xin,S.,Xia,Y.,Lefebvre,S.,AND Wang,W.2016.Synthesis of filigrees fordigital fabrication.ACM Trans.Graph.(Proc.SIGGRAPH)35,4.)，该方法将一系列的基元素，方向一定位置随机且允许局部重叠的覆盖目标模型，通过定位优化，拓扑裁剪与结构优化生成一个花丝装饰的三维镂空模型。虽然该方法提供两个用户空间，即基元素排布方向和模型表面的花纹装饰范围，能得到镂空图案更加稠密有序的三维模型。但是，该方法依然通过繁殖基元素生成三维镂空模型，同样存在着用户不能确认最终镂空图案的问题，无法满足用户可控的设计需求。考虑到以上问题，Zehnder提出了用户根据基元素手动设计布局，半自动填片的三维镂空模型生成方法(Zehnder,J.,Coros,S.,AND Thomaszewski,B.2015.Designing Structurally-Sound Ornamental Curve Networks.ACMTrans.Graph.35,4(July),99:1–99:10)，该方法依靠用户定义样本曲线作为主要的设计基元，在一个平滑的曲面的参数空间经行优化，解决一个全局耦合能量最小问题。通过嵌入式弾性曲线的启发，用户可以将新建基元素贴合模型表面移动直到连接其它曲线，重复以上过程至设计结束，通过提供的结构分析工具，手动修改提示区域曲线结构，最终得到结构稳固的三维镂空模型，满足了用户完全可控和所见即所得的三维模型生成需求。
但是，以上几种方法，都只考虑到以样本图形为基元的三维镂空模型的设计与生成，无法解决以真实图像为镂空图案的三维模型的设计与生成问题。基于复杂的真实图像的三维镂空模型设计技术，依然停留在以建模者经验性手动建模技术为主的阶段。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于自定义图像的三维镂空模型生成方法，本发明实现真实图像对应的镂空图案，在视觉上与真实图像的二值图像相对应，不但满足了复杂真实图像镂空图案的设计需求，同时也满足了用户可控的三维模型生成需求。
本发明的目的是提供一种基于自定义二值图像的三维镂空模型生成方法，该方法根据用户给定的任意二值图片和三维实体模型，将二值图像进行连通处理和狭区检测加宽处理后映射到用户提供的三维模型表面，在提取到的模型壳上根据将图像图案镂空刻透，生成三维镂空模型，最后检测受力情况并进行优化处理。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于自定义图像的三维镂空模型生成方法，包括以下步骤：
(1)对输入的二值图像非镂空区域进行连通化处理；
(2)确定二值图像非镂空区域的狭区，构建狭区集合，对集合内的狭区进行加宽处理与平滑处理，形成优化后的二值图像；
(3)利用保角参数化方法将优化后的二值图像作为纹理映射到三维模型的候选区域，构建三维实体模型；
(4)对三维实体模型进行抽壳处理，依据设定图像进行镂空处理，得到三维镂空模型。
优选的，还包括步骤(5)，对建立的三维镂空模型进行受力检测，并根据检测结果进行优化。
得到优化后的三维镂空模型后，可以进行3D打印，得到打印件。
所述步骤(1)中，二值图像非镂空区域连通化处理的过程，包括：
步骤(1.1)：标记图像中不同的独立白色区域，并选取其中一个区域作为选中区域；
步骤(1.2)：遍历选中区域以外的其它独立白色区域，计算得到间距最小两区域上的连接点集Pc；
步骤(1.2.a)：选取选中区域以外的其它独立白色区域，作为当前区域，初始化dc为无穷大，Pc为空集；
步骤(1.2.b)：遍历选中区域与当前区域的边界点，依次计算两边界点之间的距离，取最小值作为两区域间距，记为dn，取求得间距的边界点作为连接点，记为点集Pn，若dn<dc，则使dc＝dn,Pc＝Pn；
步骤(1.2.c)：选取未遍历过的选中区域以外的其它独立白色区域，作为当前区域，检测当前区域是否为空，若是，则结束计算连接点过程，否则返回步骤(1.2.b)；
步骤(1.3)：用白色直线连接Pc中的两连接点，，将选中区域与当前区域合并为选中区域；
步骤(1.4)：检测是否仍有选中区域以外的其它独立白色区域，若是，则返回步骤(1.2)，否则结束连通化过程。
所述步骤(2)中，非镂空区域狭区检测过程为：
步骤(2.1)：取得到非镂空区域像素点为基点，分别计算从水平方向以阈值距离检测，若水平方向两侧存在不同非镂空区域，标记该基像素点未种子点，得到种子点集；
步骤(2.2)：从种子点以水平方向扩张至黑色区域边界，得到不稳定区域集合；
步骤(2.3)：遍历每个不稳定区域集合，检测其临近图案的交界边，如果只包含一条连续的交界边则将其从不稳定区域集合中去除，最终得到狭区集合。
所述步骤(2.1)中，检测的方向替换为竖直方向，对应的种子点的扩张方向也为竖直方向。
所述步骤(2)中，若狭区集合不为空，则对狭区采用形态学算子进行膨胀操作与局部平滑处理，直到不存在未处理的狭区。
所述步骤(4)中，对三维实体模型进行抽壳处理，得到均匀壁厚的三维模型壳，将三维模型壳上的候选区域所对应图像图案进行镂空处理。
所述步骤(5)中，受力分析方法为有限元FEM分析方法，确定受力低于阈值的单元。
所述步骤(5)中，对低于设定阈值的受力点区域进行增厚处理，得到优化后的三维镂空模型。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的该方法对任意的二维图像进行预处理，计算得到背景连通稳定的图像，进而得到一个可以直接用于裁剪镂空的二维图像；
(2)本方法得到的三维模型保持了输入模型的几何形状，得到了有根据自定义图像生成具有艺术价值并节省材料的镂空模型；
(3)本方法除了输入要求简单，保持输出结果的几何形状，还对镂空后的模型进行优化处理，加厚脆弱部分模型壁，保证生成模型的坚固性。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2(a)为原始输入图像；
图2(b)为连通化处理后的图像；
图2(c)为图2(a)与图(b)差异图；
图2(d)为黑色区域标明Sn集合的图像；
图2(e)为狭区处理后的图像；
图2(f)为图2(a)与图(e)差异图；
图3为镂空处理结果图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
首先，利用图1对本发明的一种基于自定义图像的三维镂空模型生成方法进行说明，图1为本发明的该方法的流程示意图，其步骤包括：
步骤(1)：二值图像非镂空区域的连通化处理；
步骤(2)：检测二值图像非镂空区域的狭区，进行加宽处理与平滑处理；
步骤(3)：采用参数化方法将预处理后的图像保形映射到输入的三维模型曲面；
步骤(4)：三维实体模型壳的抽取与镂空处理；
步骤(5)：三维镂空模型的受力检测与优化。
本实施例中，采用I表示用户输入的二值图像，M表示用户输入的三维模型。
步骤(1)中，二值图像非镂空区域连通化处理的过程，包括：
步骤(1.1)：标记图像中不同的独立白色区域，并选取其中一个区域作为选中区域；
步骤(1.2)：遍历选中区域以外的其它独立白色区域，计算得到间距最小两区域上的连接点集Pc；
步骤(1.2.a)：选取选中区域以外的其它独立白色区域，作为当前区域，初始化dc为无穷大，Pc为空集；
步骤(1.2.b)：遍历选中区域与当前区域的边界点，依次计算两边界点之间的距离，取最小值作为两区域间距，记为dn，取求得间距的边界点作为连接点，记为点集Pn，若dn<dc，则使dc＝dn,Pc＝Pn；
步骤(1.2.c)：选取未遍历过的选中区域以外的其它独立白色区域，作为当前区域，检测当前区域是否为空，若是，则结束计算连接点过程，否则返回步骤(1.2.b)。
步骤(1.3)：连接得到的两区域的用白色直线连接Pc中的两连接点边界点，依照两边界点间的最短路径，将选中区域与当前区域合并为选中区域；
步骤(1.4)：检测是否仍有选中区域以外的其它独立白色区域独立区域，若是，则返回步骤(1.2)，否则结束连通化过程。步骤(2)中，非镂空区域狭区检测与加宽的过程，包括：
步骤(2.1)：取经步骤(1)后得到非镂空区域像素点为基点，分别计算从水平(竖直)方向以阈值距离检测，若水平(竖直)方向两侧存在不同非镂空区域，标记该基像素点未种子点，得到种子点集；
步骤(2.2)：从种子点以水平(竖直)方向扩张至黑色区域边界，得到不稳定区域Tn集合，如附图2(b)白色区域所示；
步骤(2.3)：遍历每个Tn，检测其临近图案的交界边，如果只包含一条连续的交界边则将其从Tn集合中去除，最终得到狭区集合Sn，如附图2(c)白色区域所示；
步骤(2.4)：若狭区集合不为空，则对狭区采用形态学算子进行膨胀操作与局部平滑处理，返回步骤(2.1)；否则，结束狭区检测与加宽操作。
步骤(4)中，三维实体模型壳的抽取与镂空处理过程，包括：
步骤(4.1)：对三维实体模型进行一般抽壳处理，得到均匀壁厚的三维模型壳；
步骤(4.2)：将模型壳上候选区域对应图像图案进行镂空处理；
步骤(5)中，三维镂空模型的受力检测与优化过程，包括：
步骤(5.1)：通过对模型进行FEM分析，得到受力低于阈值的单元集合；
步骤(5.2)：若步骤5.1中得到的集合不为空，将集合内区域的壁厚增加，并且返回步骤(5.1)。否则，结束三维镂空模型的受力检测与优化过程。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于二值图像的三维镂空模型生成方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)对输入的二值图像非镂空区域进行连通化处理；
(2)确定二值图像非镂空区域的狭区，构建狭区集合，对集合内的狭区进行加宽处理与平滑处理，形成优化后的二值图像；
(3)利用保角参数化方法将优化后的二值图像作为纹理映射到三维模型的候选区域，构建三维实体模型；
(4)对三维实体模型进行抽壳处理，依据映射到三维模型的候选区域的二值图像进行镂空处理，得到三维镂空模型；
所述步骤(1)中，二值图像非镂空区域连通化处理的过程，包括：
步骤(1.1)：标记图像中不同的独立白色区域，并选取其中一个区域作为选中区域；
步骤(1.2)：遍历选中区域以外的其它独立白色区域，计算得到间距最小两区域上的连接点集Pc；
步骤(1.2.a)：选取选中区域以外的其它独立白色区域，作为当前区域，初始化dc为无穷大，Pc为空集；
步骤(1.2.b)：遍历选中区域与当前区域的边界点，依次计算两边界点之间的距离，取最小值作为两区域间距，记为dn，取求得间距的边界点作为连接点，记为点集Pn，若dn<dc，则使dc＝dn,Pc＝Pn；
步骤(1.2.c)：选取未遍历过的选中区域以外的其它独立白色区域，作为当前区域，检测当前区域是否为空，若是，则结束计算连接点过程，否则返回步骤(1.2.b)；
步骤(1.3)：连接得到的两区域的用白色直线连接Pc中的两连接点边界点，依照两边界点间的最短路径，将选中区域与当前区域合并为选中区域；
步骤(1.4)：检测是否仍有选中区域以外的其它独立白色区域独立区域，若是，则返回步骤(1.2)，否则结束连通化过程。
2.如权利要求1所述的一种基于二值图像的三维镂空模型生成方法，其特征是：所述步骤(2)中，非镂空区域狭区检测过程为：
步骤(2.1)：取得到非镂空区域像素点为基点，分别从水平方向以阈值距离检测，若水平方向两侧存在不同非镂空区域，标记该基点为种子点，得到种子点集；
步骤(2.2)：从种子点以水平方向扩张至黑色区域边界，得到不稳定区域集合；
步骤(2.3)：遍历每个不稳定区域集合，检测其临近图案的交界边，如果只包含一条连续的交界边则将其从不稳定区域集合中去除，最终得到狭区集合。
3.如权利要求2所述的一种基于二值图像的三维镂空模型生成方法，其特征是：所述步骤(2.1)中，检测的方向替换为竖直方向，对应的所述步骤(2)中种子点的扩张方向也为竖直方向。
4.如权利要求1所述的一种基于二值图像的三维镂空模型生成方法，其特征是：所述步骤(2)中，若狭区集合不为空，则对狭区采用形态学算子进行膨胀操作与局部平滑处理，直到不存在未处理的狭区。
5.如权利要求1所述的一种基于二值图像的三维镂空模型生成方法，其特征是：所述步骤(4)中，对三维实体模型进行抽壳处理，得到均匀壁厚的三维模型壳，将三维模型壳上的候选区域所对应图像图案进行镂空处理。
6.如权利要求1所述的一种基于二值图像的三维镂空模型生成方法，其特征是：还包括步骤(5)，对建立的三维镂空模型进行受力检测，并根据检测结果进行优化。
7.如权利要求6所述的一种基于二值图像的三维镂空模型生成方法，其特征是：所述步骤(5)中，受力分析方法为有限元FEM分析方法，确定受力低于阈值的单元。
8.如权利要求6所述的一种基于二值图像的三维镂空模型生成方法，其特征是：所述步骤(5)中，对低于设定阈值的受力点区域进行增厚处理，得到优化后的三维镂空模型。
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