CN108022309B - 三维模型智能拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维模型智能拼接方法，其特征在于，包括：计算基准三维模型和待拼接三维模型的包围盒；计算所述基准三维模型和待拼接三维模型的包围盒的相交区间的包围盒；对所述相交区间的包围盒分块；对所述分块进行射线检测；计算所述射线检测最大差值；根据所述射线检测最大差值对所述待拼接三维模型进行变换；将所述基准三维模型与所述变换后的待拼接三维模型进行合并。本发明的技术方案，可以实现将指定的两个及两个以上模型按照模型边缘相连接的方式进行拼接，并且可调整拼接时任意两个模型边缘交错的距离。并且在实现拼接时，大大提高了在计算机上的运行效率，并且实现了极低的内存占用率。

Description

三维模型智能拼接方法

技术领域

本发明涉及三维模型的构建以及拼接，具体涉及通过优化三维模型引擎来实现多个三维模型的高效、智能拼接。

背景技术

OpenGL是三维模型构建领域中最为广泛接纳的2D/3D图形API(应用程序编程接口，其定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口，可用于三维模型或二维模型，是一个功能强大，调用方便的底层图形库，其自诞生至今已催生了各种计算机平台及设备上的数千优秀应用程序。OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems)是OpenGL三维图形API的子集，针对手机、PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计。

WebGL(全写Web Graphics Library)是一种3D绘图协议，这种绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定，WebGL可以为HTML5Canvas提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员就可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型了，还能创建复杂的导航和数据视觉化。WebGL技术标准免去了开发网页专用渲染插件的麻烦，可被用于创建具有复杂3D结构的网站页面，甚至可以用来设计3D网页游戏等等。

Direct 3D是基于微软的通用对象模式COM(Common Object Mode)的3D图形API。它是由微软Direct3D界面(Microsoft)一手树立的3D API规范，微软公司拥有该库版权，它所有的语法定义包含在微软提供的程序开发组件的帮助文件、源代码中。Direct3D是微软公司DirectX SDK集成开发包中的重要部分，适合多媒体、娱乐、即时3D动画等广泛和实用的3D图形计算。自1996年发布以来，Direct3D以其良好的硬件兼容性和友好的编程方式很快得到了广泛的认可，现在几乎所有的具有3D图形加速的主流显示卡都对Direct3D提供良好的支持。但它也有缺陷，由于是以COM接口形式提供的，所以较为复杂，稳定性差，另外，目前只在Windows平台上可用。

当前的大部分三维图形引擎基于上述3D图形API，三维图形引擎需要解决场景构造、对象处理、场景渲染、事件处理、碰撞检测等问题。场景渲染是场景中最重要的子模块之一，负责实现基本图元的绘制，光线处理和纹理处理等。实际上是三维真实感图形的再现过程。纹理图像提供了模型的真实感，可以有效的用来掩盖模型的多边形细节。

但是，现有三维图形引擎中，将多个三维模型进行拼接时，计算机运行效率较低，并且计算机内存占过多，并且无法根据三维模型的具体形状判断模型的拼接位置，从而在实现三维图形拼接效率极低。

发明内容

本发明的技术方案，可以实现将指定的两个及两个以上模型按照模型边缘相连接的方式进行拼接，并且可调整拼接时任意两个模型边缘交错的距离。并且在实现拼接时，大大提高了在计算机上的运行效率，并且实现了极低的内存占用率。

本发明公开了一种三维模型智能拼接方法，其特征在于，包括：

步骤1，计算基准三维模型和待拼接三维模型的包围盒；

步骤2，计算所述基准三维模型和待拼接三维模型的包围盒的相交区间的包围盒；

步骤3，对所述相交区间的包围盒分块；

步骤4，对所述分块进行射线检测；

步骤5，计算所述射线检测最大差值；

步骤6，根据所述射线检测最大差值对所述待拼接三维模型进行变换；

步骤7，将所述基准三维模型与所述变换后的待拼接三维模型进行合并。

在所述三维模型智能拼接方法中，对所述相交区间的包围盒分块包括在Y轴和Z轴方向上对所述相交区间的包围盒进行等分分块。

在所述三维模型智能拼接方法中，对所述分块进行射线检测包括使用与X轴平行，方向为X轴正方向和X轴负方向的两组射线进行所述射线检测。

在所述三维模型智能拼接方法中，计算所述射线检测最大差值包括，根据方向为X轴负方向的射线与所述基准三维模型的交点，以及方向为X轴正方向的射线与所述待拼接三维模型的交点来计算射线检测差值，并确定所述射线检测差值中的最大值为射线检测最大差值。

在所述三维模型智能拼接方法中，根据所述射线检测最大差值对所述待拼接三维模型进行变换包括，将待拼接三维模型中的所有顶点的X轴坐标加上所述射线检测最大差值，得到变换后的拼接三维模型。

在所述三维模型智能拼接方法中，将所述基准三维模型与所述变换后的待拼接三维模型进行合并包括，将所述基准三维模型的顶点数组与变换后的待拼接三维模型的顶点数组进行数组合并；

将所述变换后的待拼接三维模型的面数组中的每个面的所有顶点序号，均加上所述基准三维模型的顶点的数量，然后将其与所述基准模型的面数组进行数组合并。

在所述三维模型智能拼接方法中，对所述相交区间的包围盒分块根据以下公式计算在Y轴和Z轴上的分块数量：

其中，B_Y表示在Y轴方向上的的分块数量，B_Z表示在Z轴方向上的分块数量，MinY₀、MaxY₀、MinZ₀、MaxZ₀分别表示所述相交区间的包围块Y轴和Z轴上的坐标，，α为分块系数，通常取值为0.4-0.6mm。

在所述三维模型智能拼接方法中，对所述相交区间的包围盒分块进一步包括根据以下公式计算分块的数量：

B＝B_Y×B_Z

其中，B表示所述相交区间的包围盒分块的总数量。

附图说明

并入本说明书并形成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同在上面给出的说明和在下面给出的对优选实施例的详细说明一起用于解释本发明的原理。

图1示出了本发明实施例中两个三维模型拼接前的透视图；

图2示出了本发明实施例中两个三维模型拼接前延Y轴负方向看去的示意图；

图3示出了本发明实施例中两个三维模型拼接前延Z轴负方向看去的示意图；

图4A示出了附图2中射线穿过相交区间包围盒的细节放大示意图；

图4B示出了附图3中射线穿过相交区间包围盒的细节放大示意图；

图4C示出了相交区间包围盒分块，以及射线坐标位置的示意图；

图5示出了本发明实施例中两个三维模型拼接后的透视图；

图6示出了本发明实施例中两个三维模型拼接后延Y轴负方向看去的示意图；

图7示出了本发明实施例中两个三维模型拼接后延Z轴负方向看去的示意图；

图8示出了本发明实施例中的方法步骤流程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解的是，本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明所针对的三维模型，由多个三角形构成，每个三角形包括三个顶点以及由所述三个顶点构成的面。三维模型的数据结构，由顶点数组和面数组进行表示，所述面数组中包括每个面多对应的三个顶点的序号。

本发明的技术方案实现了将指定的两个或两个以上三维模型拼接在一起，使原有模型的边缘按照指定的距离交错或恰好相交，拼接后成为一个新的模型。

以下将结合附图，通过对两个三维模型进行拼接的具体例，对本发明进行说明，本领域技术人员可以容易理解的是，对两个以上的三维模型进行拼接时，同样也可以通过重复执行以下方法进行合并。

图8示出了本发明实施例中的方法步骤流程的示意图。

参考图1-3，首先，计算两个三维模型的包围盒，所述包围盒为包含三维模型且边平行于模型坐标轴的最小六面体，在三维坐标系中，用MinX、MaxX、MinY、MaxY、MinZ、MaxZ表示三维模型包围盒。

在所述两个要进行三维拼接的三维模型中，MinX值较小的三维模型定义为基准三维模型，即本实施例中的字母“A”，MinX值较大的定义为待拼接三维模型，即本实施例中的字母“B”。

所述基准三维模型的包围盒通过MinX₁、MaxX₁、MinY₁、MaxY₁、MinZ₁、MaxZ₁进行表示，所述待拼接三维模型的包围盒通过MinX₂、MaxX₂、MinY₂、MaxY₂、MinZ₂、MaxZ₂进行表示。

接下来，计算两个三维模型包围盒的相交区间的包围盒，所述相交区间的包围盒通过MinX₀、MaxX₀、MinY₀、MaxY₀、MinZ₀、MaxZ₀表示，需要注意的是，所述相交区间并不一定在X轴、Y轴、Z轴三个方向都相交。

其中，所述相交区间的包围盒在X轴上的区域，MinX₀和MaxX₀的具体计算方式如下：

如果两个三维模型在X轴方向相交，则

MinX₀＝MAX(MinX₁，MinX₂)

MaxX₀＝MIN(MaxX₁，MaxX₂)

其具体含义为将MinX₀取值为MinX₁和MinX₂之中较大的值，将MaxX₀取值为MaxX₁和MaxX₂之中较小的值。

如果两个三维模型在X轴方向未相交，则

MinX₀＝MIN(MaxX₁，MaxX₂)

MaxX₀＝MAX(MinX₁，MinX₂)

其具体含义为将MinX₀取值为MaxX₁和MaxX₂之中较小的值，将MaxX₀取值为MinX₁和MinX₂之中较大的值。

所述相交区间的包围盒的在Y轴和Z轴上的区域，MinY₀、MaxY₀、MinZ₀、MaxZ₀的具体计算方式与MinX₁和MinX₂的计算方式相同。

本实施例中，计算得出的相交空间的包围盒的示意图如图2、3中，两个三维图形之间的灰色方块所示。

接下来，对所述相交区间的包围盒在Y轴和Z轴方向上进行等分分块。

图4A，4B分别为将图2、3中用来表示相交区间包围盒的灰色区域进行放大的示意图。

在Y轴方向上的的分块数量为B_Y(本实施例中示意性的显示为8块)，在Z轴方向上的分块数量为B_Z(本实施例中示意性的显示为8块)，所述B_Y和B_Z通过以下公式进行计算：

以上公式中，α为分块系数，通常取值为0.4-0.6mm。

根据B_Y和B_Z计算出相交区间包围盒的分块数量B，其中，B＝B_Y×B_Z(本实施例中示意性的显示为32块)。

接下来，对所述基准三维模型和待拼接三维模型进行射线检测。本发明中所述的射线，使用其端点的三维坐标值，以及该射线所延伸的方向来表示。被用来进行射线检测的射线包括两组，每组射线的数量均为B条(本实施例中示例性的为32条)，两组射线均与X轴平行，第一组射线延X轴负方向，用Ray_1-1，Ray_1-2……Ray_1-B表示(图4A，4B中示出了第一组射线的示意图)，第二组射线延X轴正方向，用Ray_2-1，Ray_2-1……Ray_2-B表示(未在附图中示出)。通过上述计算分块数量的步骤，可以确定所述相交区间包围盒在的Y-Z平面上，被等分为B个块(本实施例中示例性的为32块，如图4C所示)，用Block₁，Block₁……Block_B表示。其中，每一个块Block₁，Block₁……Block_B均被在X轴方向上相反的两条射线穿过，穿过该块的两条射线的端点三维坐标的Y轴和Z轴坐标值相同，为该块在Y-Z平面上的中心点坐标，通过Y₁，Y₂……Y_B，以及Z₁，Z₂……Z_B表示(如图4C所示)。

对于第一组射线，其端点的X轴坐标取值为大于MaxX₁和MaxX₂中较大的值即可，对于第二组射线，其端点的X轴坐标取值为小于MinX₁和MinX₂中较小的值即可。

图2中示出了箭头向左的第一条射线Ray_1-1和箭头向右的第一条射线Ray_2-1，其中，Ray_1-1和Ray_2-1的Y轴，Z轴坐标相同，方向相反，下面以此两条射线为例进行说明。

Ray_1-1为延X轴负方向的射线，其穿过基准三维模型(即字母“A”的三维模型)时，产生两个或两个以上与所述基准三维模型的交点，将所述两个或两个以上的交点中，X轴坐标值较大的交点的X轴坐标设为X_1-1。

Ray_2-1为延X轴正方向的射线，其穿过待拼接三维模型(即字母“B”的三维模型)时，产生两个或两个以上与所述待拼接三维模型的交点，将所述两个或两个以上的交点中，X轴坐标值较小的交点的X轴坐标设为X_2-1。

通过以下公式计算X_1-1与X_2-1的X轴差值X_d-1，即射线检测差值：

X_d-1＝X_1-1-X_2-1

重复上述计算X_d-1的步骤，计算出对应于B条射线的上述X轴差值X_d-2，X_d-3……X_d-B。

接下来，通过以下公式计算出上述X_d-1，X_d-2……X_d-B中的最大值MaxX_d，即射线检测最大差值：

MaxX_d＝MAX(X_d-1，X_d-2……X_d-B)

将待拼接模型顶点数组中所有顶点的X轴坐标加上上述计算得出的射线检测最大差值(MaxX_d)以及相交调节系数β，从而得出变换后的待拼接三维模型的顶点数组。其中，所述相交调节系数β为根据三维模型的尺寸所确定的经验系数，当β等于0时，两个三维模型刚好相交，当β大于0时，两个三维模型相交并互相进入。

将所述基准模型的顶点数组与所述变换后的待拼接三维模型的顶点数组进行数组合并，从而形成拼接三维模型的顶点数组。

将所述变换后的待拼接三维模型的面数组中的每个面的所有顶点序号，均加上所述基准三维模型的顶点的数量，然后将其与基准模型的面数组进行数组合并，从而形成拼接三维模型的面数组。

通过以上方法步骤，实现了将基准三维模型与待拼接三维模型进行拼接。拼接后的实例见图5-7。

对于多个三维模型的拼接，可以通过重复以上的方法步骤实现。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种三维模型智能拼接方法，其特征在于，包括：

步骤1，计算基准三维模型和待拼接三维模型的包围盒；

步骤2，计算所述基准三维模型和待拼接三维模型的包围盒的相交区间的包围盒；

步骤3，对所述相交区间的包围盒分块；

步骤4，对所述分块进行射线检测；

步骤5，计算所述射线检测最大差值；

步骤6，根据所述射线检测最大差值对所述待拼接三维模型进行变换；

步骤7，将所述基准三维模型与变换后的待拼接三维模型进行合并；

所述相交区间的包围盒在X轴方向上，如果两个三维模型在X轴方向相交，则

MinX₀＝MAX(MinX₁，MinX₂)

MaxX₀＝MIN(MaxX₁，MaxX₂)

其具体含义为将MinX₀取值为MinX₁和MinX₂之中较大的值，将MaxX₀取值为MaxX₁和MaxX₂之中较小的值，其中，MinX₁、MaxX₁为基准三维模型的包围盒端点的X轴坐标最小值、最大值；MinX₂、MaxX₂待拼接三维模型的包围盒端点的X轴坐标最小值、最大值；

如果两个三维模型在X轴方向未相交，则

MinX₀＝MIN(MaxX₁，MaxX₂)

MaxX₀＝MAX(MinX₁，MinX₂)

其具体含义为将MinX₀取值为MaxX₁和MaxX₂之中较小的值，将MaxX₀取值为MinX₁和MinX₂之中较大的值；

所述相交区间的包围盒的在Y轴和Z轴方向上，MinY₀、MaxY₀、MinZ₀、MaxZ₀的具体计算方式与MinX₁和MinX₂的计算方式相同；

对所述相交区间的包围盒分块根据以下公式计算在Y轴和Z轴上的分块数量：

其中，B_Y表示在Y轴方向上的的分块数量，B_Z表示在Z轴方向上的分块数量，α为分块系数，取值为0.4-0.6mm；

对所述相交区间的包围盒分块进一步包括根据以下公式计算分块的数量：

B＝B_Y×B_Z

其中，B表示所述相交区间的包围盒分块的总数量；

对所述分块进行射线检测包括使用与X轴平行，方向为X轴正方向和X轴负方向的两组射线进行所述射线检测；

计算所述射线检测最大差值包括，根据方向为X轴负方向的射线与所述基准三维模型的X轴坐标值最大的交点，以及方向为X轴正方向的射线与所述待拼接三维模型的X轴坐标值最小的交点来计算射线检测差值，并确定所述射线检测差值中的最大值为射线检测最大差值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述相交区间的包围盒分块包括在Y轴和Z轴方向上对所述相交区间的包围盒进行等分分块。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述射线检测最大差值对所述待拼接三维模型进行变换包括，将待拼接三维模型中的所有顶点的X轴坐标加上所述射线检测最大差值，得到变换后的待拼接三维模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述基准三维模型与所述变换后的待拼接三维模型进行合并包括，将所述基准三维模型的顶点数组与变换后的待拼接三维模型的顶点数组进行数组合并；

将所述变换后的待拼接三维模型的面数组中的每个面的所有顶点序号，均加上所述基准三维模型的顶点的数量，然后将其与所述基准模型的面数组进行数组合并。