CN107527384B - 一种基于运动特征的三维动态网格简化方法及其系统 - Google Patents

一种基于运动特征的三维动态网格简化方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于运动特征的三维动态网格简化方法及其系统，其中，该方法包括：获取简化处理所需的相关输入参数；进行三维模型中顶点的动态连通性的计算，得到三维动态模型上的运动特征；进行动态模型中各条边的折叠代价的计算，建立边折叠操作表；根据边折叠操作表选取折叠代价最小的一条边进行折叠操作，重复进行折叠操作，直到达到简化要求。实施本发明实施例，由于考虑了原始模型的运动特征，不仅可以有效地简化三维动态模型，同时也降低了在简化过程中的计算复杂度，有助于提高三维动态网格数据的传输效率，节省数据存储空间，对于三维模型的存储、传输、处理和形状分析等应用，特别是实时绘制具有极为重要的意义。

Description

一种基于运动特征的三维动态网格简化方法及其系统
技术领域
本发明涉及计算机图形学技术领域，尤其涉及一种基于运动特征的三维动态网格简化方法及其系统。
背景技术
网格简化是指采用适当的方法减少网格的顶点数和三角面片数，并使得简化后的网格外观上尽量保持与原始网格一致。网格简化对于三维模型的存储、传输、处理和形状分析，特别是实时绘制具有极为重要的意义。静态模型的网格简化算法研究已经有了广泛的应用。
近年来，3D手游、3D动漫日益火爆，这些应用均需要传输大量3D动态网格模型，受限于传输宽带与存储空间的性能，特别是对于存在大量动态模型的场景，经常会出现延迟甚至丢包等问题，大大影响了画面的实时效果。然而，三维动态网格简化技术仍然存在一些缺陷，还不能很好地满足三维实时场景的应用要求。即使是采用动态适应策略来获得任意细节水平的简化效果，也因需要大量的动态更新而引起意外的突跳感。
为克服这些问题，研究者们采取给二次误差赋以权重的方法进行动态简化，然而在既保持几何特征，又保持动画的运动特征方面还没有获得很好的平衡效果。因此，提出一种既能保持模型的几何特征，又能保持动画运动特征的三维动态网格简化方法，不仅可以仿照层次细节技术，建立三维动态网格的层次细节模型，还可以对三维动态网格进行压缩传输，提高网格数据的传输效率以及宽带资源的利用率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于运动特征的三维动态网格简化方法及其系统，不仅可以有效地简化三维动态模型，同时也降低了在简化过程中的计算复杂度，有助于提高三维动态网格数据的传输效率，节省数据存储空间，对于三维模型的存储、传输、处理和形状分析等应用，特别是实时绘制具有极为重要的意义。
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于运动特征的三维动态网格简化方法，所述方法包括：
获取简化处理所需的相关输入参数；
进行三维模型中顶点的动态连通性的计算，得到三维动态模型上的运动特征；
进行动态模型中各条边的折叠代价的计算，建立边折叠操作表；
根据边折叠操作表选取折叠代价最小的一条边进行折叠操作，重复进行折叠操作，直到达到简化要求。
优选地，所述获取简化处理所需的相关输入参数的步骤，包括：
获取所载入的三维动态模型上的所有边及其顶点数据；
获取三维动态模型中的三角形数据信息，根据所述三角形数据计算所有三角形的法向量；
获取所有顶点及其所关联的三角形，根据所述顶点及其所关联的三角形信息计算所有边的二次误差矩阵；
获取二面角阈值参数以及边数简化参数。
优选地，所述进行计算三维模型中顶点的动态连通性，得到三维动态模型上的运动特征的步骤，包括：
根据二面角阈值参数计算三维模型中边以及边所对应的两个顶点的动态连通性；
根据顶点的动态连通性，遍历整个三维模型，得到动态连通子图，得到模型中的所有运动特征。
优选地，所述进行计算动态模型中各条边的折叠代价，建立边折叠操作表的步骤，包括：
根据获得的运动特征，对模型上的顶点分配权值并计算边的权值；
根据二次误差度量模型，计算各条边进行折叠后新顶点的位置和边的折叠代价；
建立边折叠操作表，表中数据为各条边在每一帧中的折叠代价之和乘以对应的边的权值。
优选地，所述根据边折叠操作表选取折叠代价最小的一条边进行折叠操作，重复进行折叠操作，直到达到简化要求的步骤，包括：
选择折叠边，即边折叠操作表中值最小的数据所对应的边；
对折叠边的两个顶点进行折叠操作；
所有所有帧中折叠边所关联的两个三角形的顶点和边；进行边的更新操作，对更新的边计算折叠代价并更新边折叠操作表；
当满足简化要求时,输出简化后的动态三维模型。
相应地，本发明还提供一种基于运动特征的三维动态网格简化系统，所述系统包括：
参数获取模块，用于获取三维动态网格简化所需的相关输入参数；
折叠代价计算模块，用于根据二面角阈值参数，得到三维动态模型上的运动特征；并进行动态模型中各条边的折叠代价的计算，得到边折叠操作表；
模型简化模块，用于根据所述的边折叠操作表，选取进行折叠的边进行折叠简化操作。
优选地，所述参数获取模块包括：
获取单元，用于获取三维动态模型，包括顶点信息，边的信息和每条边所关联的三角形，获取二面角阈值参数以及边数简化参数；
第一计算单元，用于根据模型上所有三角形信息计算三角形的法向量和边的二次误差。
优选地，所述折叠代价计算模块包括：
第二计算单元，用于根据二面角阈值参数计算三维模型中顶点的动态连通性，找出模型中的所有动态连通子图即运动特征；
第三计算单元，用于根据获得的运动特性，对模型上的顶点分配权值并计算边的权值；
建立单元，用于根据边的折叠代价建立边的折叠操作表，表中数据为各条边在每一帧中的折叠代价之和乘以对应的边的权值。
优选地，所述模型简化模块包括：
查找单元，用于根据边折叠操作表中的值，获得最小的数据所对应的边作为折叠边；
标识单元，用于根标识折叠边在所有帧中所关联的两个三角形的顶点和边；
简化单元，用于进行折叠边的折叠操作，主要是进行折叠边的顶点折叠，以及对于每个关联三角形进行边的简化操作；
更新单元，用于进行边的折叠操作后，三维动态模型的边的更新，边折叠操作表的更新。
优选地，所述更新单元还用于根据简化单元进行简化操作后，删除边折叠表中进行折叠处理的边的信息，同时对关联三角形的边重新进行收缩操作，计算收缩后的边的折叠代价，并加入到边折叠操作表中。
实施本发明实施例，由于考虑了原始模型的运动特征，不仅可以有效地简化三维动态模型，同时也降低了在简化过程中的计算复杂度，有助于提高三维动态网格数据的传输效率，节省数据存储空间，对于三维模型的存储、传输、处理和形状分析等应用，特别是实时绘制具有极为重要的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例的基于运动特征的三维动态网格简化方法及其系统的流程示意图；
图2是本发明实施例中获取简化处理所需的相关输入参数的流程示意图；
图3是本发明实施例中进行三维模型中顶点的动态连通性计算的流程示意图；
图4是本发明实施例中进行动态模型中各条边的折叠代价计算，建立边折叠操作表的流程示意图；
图5是本发明实施例中根据边折叠操作表选取基于运动特征的三维动态网格简化方法及其系统折叠代价最小的一条边进行折叠操作的流程示意图；
图6是本发明实施例的基于运动特征的三维动态网格简化方法及其系统的结构组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例的基于运动特征的三维动态网格简化方法及其系统的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
S1，获取简化处理所需的相关输入参数；
S2，进行三维模型中顶点的动态连通性的计算，得到三维动态模型上的运动特征；
S3，进行动态模型中各条边的折叠代价的计算，建立边折叠操作表；
S4，根据边折叠操作表选取折叠代价最小的一条边进行折叠操作，重复进行折叠操作，直到达到简化要求。
其中，如图2所示，S1进一步包括：
S11，获取所载入的三维动态模型上的所有边及其顶点数据；三维动态模型数据包括每一帧的三维模型，在每一帧的三维模型中，又包括三维模型中的顶点坐标数据，由顶点构成的边的数据，以及构成三角面片的拓扑关系；
S12，获取三维动态模型中的三角形数据信息，根据三角形数据计算所有三角形的法向量；计算三角形的法向量是指计算三维动态模型中的所有三角形的法向量；
S13，获取所有顶点及其所关联的三角形，根据顶点及其所关联的三角形信息计算所有边的二次误差矩阵；根据三角面片的拓扑关系可以确定每个顶点是哪些三角面片的顶点，这些三角面片就是顶点所关联的三角形，根据关联三角形的信息计算边的二次误差矩阵；
S14，获取二面角阈值参数以及边数简化参数，这里输入的二面角阈值将用于运动特征的计算中，边数简化参数是简化的目标。
在S13中，根据关联三角形的信息计算顶点的二次误差矩阵A，
由点集表示的三角面片方程为nTv+d＝0，其中n＝(nx,ny,nz,0)T为三角面片单位法向量，d为常数。
顶点v＝(x,y,z,1)T到这个平面的距离平方可由以下方程表示：
D2(v)＝(nTv+d)2＝vT(nnT)v+2dnTv+d2
由平面的点法式方程nx(x-xo)+ny(y-yo)+nz(z-zo)＝0得d＝-nTp(p∈R4为平面上任意一点的坐标)，代入上式得方程：
D2(v)＝vT(nnT)v–2nTpnTv+(nTp)2
上述方程可以用二次型Q来表示，表示方式如下：
Q(v)＝(nnT，-nTpn，(nTp)2)
Q(v)＝vTAv+2bTv+c
其中，A表示nnT，b表示dn，c表示d2。在本发明中，需要计算点v在所有帧中的二次误差之和，应将上述矩阵进行拓展，在此重写上述，并对A，b，c做相应改动：
Qvi，ti＝：vTAi，jv+2bT i，jv+ci，j
式中，i表示顶点序号，j表示顶点所关联三角面片序号，Ai，j，bi，j，ci，j分别表示如下：
Figure BDA0001350930160000071
bi，j＝(-nj1 Tpj1nj1 T,-nj2 Tpj2nj2 T,-nj3 Tpj3nj3 T,…,-njf Tpjfnjf T)∈R4F×1
cij＝∑f(njf T·pjf)2∈R
整理得到
Q(v)＝vTAv+2bTv+c
对于边e，对应的顶点为u,v，则定义边的二次误差矩阵为：
Q(e)＝Q(u)+Q(v)
进一步地，如图3所示，S2包括：
S21，根据二面角阈值参数计算三维模型中边以及边所对应的两个顶点的动态连通性；当某条边所对应的二面角在相邻帧之间的变化值大于在S14中所输入的二面角阈值参数时，该边以及边所对应的两个顶点即视为连通。
S22，根据顶点的动态连通性，遍历整个三维模型，得到动态连通子图，得到模型中的所有运动特征；将3D模型视为一个图，遍历整个图，找出图中的所有动态连通子图。本发明中，每个动态连通图均是一个运动特征。
进一步地，如图4所示，S3包括：
S31，根据获得的运动特征，对模型上的顶点分配权值并计算边的权值；如果顶点u在某一动态连通图中，则将该顶点的权值W(u)设为该动态连通图中所含的边数，否则，将该顶点的权值设为1，边e的权值即为所关联两顶点u和v的权值之和除以2，W(e)＝(W(u)+W(v))/2。
S32，根据二次误差度量模型，计算各条边进行折叠后新顶点的位置和边的折叠代价；首先，计算出边折叠后新顶点的位置，根据二次误差度量模型，当误差矩阵A为非奇异矩阵时，边折叠后顶点的坐标计算公式为：v＝A-1b；当误差矩阵A为奇异矩阵时，本专利使用该边的中点作为折叠后的新顶点。计算出新顶点的坐标后，新顶点的权值即为该边的权值，再将该新顶点代入到二次误差矩阵中，计算出该顶点相关联的边的折叠代价。
S33，建立边折叠操作表，表中数据为各条边在每一帧中的折叠代价之和乘以对应的边的权值；对该边在每一帧中的代价求和，再乘以动态连通图为其分配的权值即为折叠操作表中的数值。
如图5所示，S4进一步包括：
S41，选择折叠边，即边折叠操作表中值最小的数据所对应的边；这里折叠代价最小的边所对应的两顶点索引号u,v(u<v)；
S42，对折叠边的两个顶点进行折叠操作；在所有帧中，用新顶点的坐标代替索引号为u的顶点的坐标，将索引号为v的顶点标记为已折叠；
S43，找出所有帧中折叠边所关联的三角形的顶点和边；进行边的更新操作，对更新的边计算折叠代价并更新边折叠操作表；将所有帧的折叠边进行折叠操作后，根据新顶点进行三维模型中边的更新，去掉折叠的边，修改与u相邻的边的折叠代价；
S44，当满足简化要求时,输出简化后的动态三维模型；否则执行S41。
相应地，本发明实施例还提供一种基于运动特征的三维动态网格简化系统，如图6所示，该系统包括：
参数获取模块1，用于获取仿真计算模型所需的相关输入参数；
折叠代价计算模块2，用于进行人体热生理状态仿真计算，得到运动条件下人体内核温度和出汗率的动态变化；并进行人体心血管功能状态仿真计算，得到运动条件下心率的动态变化；
模型简化模块3，用于根据人体内核温度和出汗率的动态变化和心率的动态变化进行人体健康状态的诊断和环境条件风险的评估。
参数获取模块1包括：
获取单元，用于获取三维动态模型，包括顶点信息，边的信息和每条边所关联的三角形，获取二面角阈值参数以及边数简化参数；
第一计算单元，用于根据模型上所有三角形信息计算三角形的法向量和边的二次误差。
折叠代价计算模块2包括：
第二计算单元，用于根据二面角阈值参数计算三维模型中顶点的动态连通性，找出模型中的所有动态连通子图即运动特征；
第三计算单元，用于根据获得的运动特性，对模型上的顶点分配权值并计算边的权值；
第四计算单元，用于根据二次误差度量模型，计算各条边进行折叠后新顶点的位置和边的折叠代价；
建立单元，用于根据边的折叠代价建立边的折叠操作表，表中数据为各条边在每一帧中的折叠代价之和乘以对应的边的权值。
模型简化模块3包括：
查找单元，用于根据边折叠操作表中的值，获得最小的数据所对应的边作为折叠边；
标识单元，用于根标识折叠边在所有帧中所关联的两个三角形的顶点和边；
简化单元，用于进行折叠边的折叠操作，主要是进行折叠边的顶点折叠，以及对于每个关联三角形进行边的简化操作；
更新单元，用于进行边的折叠操作后，三维动态模型的边的更新，边折叠操作表的更新。
本发明的系统实施例中各功能模块的功能可参见本发明方法实施例中的流程处理，这里不再赘述。
实施本发明实施例，由于考虑了原始模型的运动特征，不仅可以有效地简化三维动态模型，同时也降低了在简化过程中的计算复杂度，有助于提高三维动态网格数据的传输效率，节省数据存储空间，对于三维模型的存储、传输、处理和形状分析等应用，特别是实时绘制具有极为重要的意义。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例所提供的基于运动特征的三维动态网格简化方法及其系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种基于运动特征的三维动态网格简化方法，其特征在于，所述方法包括：
获取简化处理所需的相关输入参数；
进行三维模型中顶点的动态连通性的计算，得到三维动态模型上的运动特征；
进行动态模型中各条边的折叠代价的计算，建立边折叠操作表；
根据边折叠操作表选取折叠代价最小的一条边进行折叠操作，重复进行折叠操作，直到达到简化要求；
其中，所述获取简化处理所需的相关输入参数的步骤，包括：
获取所载入的三维动态模型上的所有边及其顶点数据；
获取三维动态模型中的三角形数据信息，根据所述三角形数据计算所有三角形的法向量；
获取所有顶点及其所关联的三角形，根据所述顶点及其所关联的三角形信息计算所有边的二次误差矩阵；
获取二面角阈值参数以及边数简化参数；
其中，所述进行三维模型中顶点的动态连通性的计算，得到三维动态模型上的运动特征的步骤，包括：
根据二面角阈值参数计算三维模型中边以及边所对应的两个顶点的动态连通性：当某条边所对应的二面角在相邻帧之间的变化值大于所述二面角阈值参数时，该边以及边所对应的两个顶点即视为连通；
根据顶点的动态连通性，遍历整个三维模型，得到动态连通子图，得到模型中的所有运动特征：将3D模型视为一个图，遍历整个图，找出图中的所有动态连通子图；
其中，所述进行动态模型中各条边的折叠代价的计算，建立边折叠操作表的步骤，包括：
根据获得的运动特征，对模型上的顶点分配权值并计算边的权值；
根据二次误差度量模型，计算各条边进行折叠后新顶点的位置和边的折叠代价；
建立边折叠操作表，表中数据为各条边在每一帧中的折叠代价之和乘以对应的边的权值；
其中，所述根据边折叠操作表选取折叠代价最小的一条边进行折叠操作，重复进行折叠操作，直到达到简化要求的步骤，包括：
选择折叠边，即边折叠操作表中值最小的数据所对应的边；
对折叠边的两个顶点进行折叠操作；
找出所有帧中折叠边所关联的两个三角形的顶点和边；进行边的更新操作，对更新的边计算折叠代价并更新边折叠操作表；
当满足简化要求时,输出简化后的动态三维模型。
2.一种基于运动特征的三维动态网格简化系统，其特征在于，所述系统包括：
参数获取模块，用于获取三维动态网格简化所需的相关输入参数；
折叠代价计算模块，用于根据二面角阈值参数，得到三维动态模型上的运动特征；并进行动态模型中各条边的折叠代价的计算，得到边折叠操作表；
模型简化模块，用于根据所述的边折叠操作表，选取进行折叠的边进行折叠简化操作；
其中，所述参数获取模块包括：
获取单元，用于获取三维动态模型，包括顶点信息，边的信息和每条边所关联的三角形，获取二面角阈值参数以及边数简化参数；
第一计算单元，用于根据模型上所有三角形信息计算三角形的法向量和边的二次误差；
其中，所述折叠代价计算模块包括：
第二计算单元，用于根据二面角阈值参数计算三维模型中顶点的动态连通性，找出模型中的所有动态连通子图即运动特征，即：根据二面角阈值参数计算三维模型中边以及边所对应的两个顶点的动态连通性：当某条边所对应的二面角在相邻帧之间的变化值大于所述二面角阈值参数时，该边以及边所对应的两个顶点即视为连通；根据顶点的动态连通性，遍历整个三维模型，得到动态连通子图，得到模型中的所有运动特征：将3D模型视为一个图，遍历整个图，找出图中的所有动态连通子图；
第三计算单元，用于根据获得的运动特性，对模型上的顶点分配权值并计算边的权值；
第四计算单元，用于根据二次误差度量模型，计算各条边进行折叠后新顶点的位置和边的折叠代价；
建立单元，用于根据边的折叠代价建立边的折叠操作表，表中数据为各条边在每一帧中的折叠代价之和乘以对应的边的权值；
其中，所述模型简化模块包括：
查找单元，用于根据边折叠操作表中的值，获得最小的数据所对应的边作为折叠边；
标识单元，用于根标识折叠边在所有帧中所关联的两个三角形的顶点和边；
简化单元，用于进行折叠边的折叠操作，主要是进行折叠边的顶点折叠，以及对于每个关联三角形进行边的简化操作；
更新单元，用于进行边的折叠操作后，三维动态模型的边的更新，边折叠操作表的更新；
其中，所述更新单元还用于根据简化单元进行简化操作后，删除边折叠表中进行折叠处理的边的信息，同时对关联三角形的边重新进行收缩操作，计算收缩后的边的折叠代价，并加入到边折叠操作表中。
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