CN108492361A - 一种剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于剪纸技术领域，公开了一种剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统，包括：图样设计模块、数据导入模块、数据处理模块、模型构建模块、材质选择模块、图像渲染模块、3d打印模块、显示模块。本发明通过图像渲染模块，可提高渲染效率，提升程序运行效率；同时通过3d打印模块可以将制作的模型图像根据现实尺寸，进行打印，可以直接获得剪纸画，大大节省人工成本，可以实现各种复杂的剪纸画。
Description
技术领域
本发明属于剪纸技术领域，尤其涉及一种剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
中国剪纸是一种用剪刀或刻刀在纸上剪刻花纹，用于装点生活或配合其他民俗活动的民间艺术。在中国，剪纸具有广泛的群众基础，交融于各族人民的社会生活，是各种民俗活动的重要组成部分。其传承赓续的视觉形象和造型格式，蕴涵了丰富的文化历史信息，表达了广大民众的社会认以、道德观念、实践经验、生活理想和审美情趣，具有认知、教化、表意、抒情、娱乐、交往等多重社会价值。然而，现有对剪纸画通过计算机制作模型时，使用的渲染方式主要是生成各图片渲染对象的渲染顺序，依照渲染顺序依序对各图片渲染对象进行渲染，这种渲染方式的渲染效率降低；同时剪纸一般都是通过人工剪纸，费时费力。
插值样条曲线/曲面有不少构造方法，在几何造型中占有重要的地位。目前现有技术对有理三次样条以及它们在形状控制中的应用进行了研究以及对三角多项式的插值样条进行了研究，取得了一些有用的结果。
光流估计是计算机视觉领域内的一个重要基础模块，其研究目的是通过建模计算出视频连续两帧间的运动信息，具体就是第一帧中每个像素在第二帧中的对应匹配像素。经过三十多年的发展，光流估计问题已经有非常多的相关研究，但在真实世界视频里的鲁棒光流估计仍然是个富有挑战性的问题。
光流估计根据所采用的方法的不同，大体可以分为两种：一种是基于Horn和Schunck提出的变分能量优化模型，一种是基于匹配的插值优化模型。
基于变分能量优化模型的算法虽然能够在小位移光流估计中取得非常精确的结果，但这种方法通常会在有大位移运动物体的场景下失败。
基于匹配的插值优化模型主要利用了在大位移运动中，两帧之间视觉关键点的匹配信息对光流估计结果的重要性。以一种相对稠密的匹配结果作为光流估计的初始值，可以很好的解决传统变分能量优化模型存在的问题。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有对剪纸画通过计算机制作模型时，使用的渲染方式主要是生成各图片渲染对象的渲染顺序，依照渲染顺序依序对各图片渲染对象进行渲染，这种渲染方式的渲染效率降低；同时剪纸一般都是通过人工剪纸，费时费力。
目前的样条曲线/曲面不插值控制顶点，或者说不具有插值功能，生成的是自由曲线/曲面。
基于匹配的插值优化模型主要问题在于计算稠密匹配需要相当大的代价，并且其匹配结果的精度也直接影响到最终光流估计的效果。影响模型构建中的精确的匹配。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统。
本发明是这样实现的，一种剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统，所述剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统包括：
图样设计模块，与数据导入模块连接，用于初始设计剪纸画的图样设计；
图样设计模块中通过集成的曲面构建模块进行设计的图样样条曲线/曲面的顶点控制；具体包括：
步骤一，选取调配函数，作连结各样条小区间的两个端点的直线以及连结以及对应的两相邻de Boor控制顶点的直线，作各样条小区间上的样条曲线上的点与连结各样条小区间的两个端点的直线上的点的差得到增量向量；
步骤二，将增量向量通过伸缩后平移到连结两相邻de Boor控制顶点的直线上就得到了各样条小区间插值于de Boor控制顶点的插值曲线；
步骤三，对于三次B样条曲线，得到调配函数用Bézier形式的表示式，构造的插值于控制顶点的曲线是三次B样条插值曲线；
构造插值曲线的方法包括：
给定型值点列d0,d1,d2,…,dm，补充辅助点d-2,d-1…和dm+1,dm+2…，样条结点序列为：
…≤t-1≤a＝t0＜t1＜t2＜…＜tm-1＜tm＝b≤tm+1≤…；
将{dj}作为de Boor控制顶点序列，得n阶B样条曲线，记为：
其中Nj,n(t)是n阶B样条基函数，其支集设为区间 为实数取整；
构造曲线dI(t)，满足插值条件：
dI(tk)＝dk,k＝0,1,2,…,m；
数据导入模块，与图样设计模块、数据处理模块连接，用于将设计的图样数据导入到计算机中；
数据处理模块，与图样设计模块、数据导入模块、模型构建模块、材质选择模块、图像渲染模块、3d打印模块、显示模块连接，用于调度各个模块进行正常工作；
模型构建模块，与数据处理模块连接，用于通过三维软件将图样构建成三维模型；模型构建模块通过集成的三维数据处理模块构建三维模型；具体包括：
(一)、从视频里获取两张连续图像，将两帧图像按时间顺序分别标记为I1和I2；
(二)、以I1和I2为最底层分别构造图像金字塔和
(三)、在图像金字塔的每层上生成相同数目的种子点，并将最顶层上的种子点的匹配初始化为随机值；
(四)、将步骤(三)获得的种子点在由步骤(二)的图像金字塔依次从顶层到底层逐层进行匹配，每层种子点的匹配结果作为下一层相应种子点的初始值；
(五)、将最底层种子点的匹配结果利用对边缘敏感的插值算法进行插值，将插值结果作为光流估计的初始值，然后利用变分能量优化模型进行优化，最终得到大位移光流估计结果；构建出三维模型；
材质选择模块，与数据处理模块连接，用于对构建的三维模型选择适合的材质；
图像渲染模块，与数据处理模块连接，用于对三维模型进行渲染出预期效果；
3d打印模块，与数据处理模块连接，用于通过3d打印机将剪纸画打印出来；
显示模块，与数据处理模块连接，用于显示三维模型渲染后的效果。
进一步，插值曲线的构造方法进一步包括：
在每个区间样条子区间[ti,ti+1](i＝0,1,2,…,m-1)上，连接B样条曲线段d(t)的两个端点d(ti)和d(ti+1)的直线段记为li(t)，方程为：
li(t)＝(1-Φi(t))d(ti)+Φi(t)d(ti+1),ti≤t≤ti+1；
而连接两相邻de Boor点di和di+1的直线段记为Li(t)，方程为：
li(t)＝(1-Φi(t))d(ti)+Φi(t)d(ti+1),ti≤t≤ti+1；
Li(t)＝(1-Φi(t))di+Φi(t)di+1,ti≤t≤ti+1；
作曲线段d(t)与直线段li(t)在区间[ti,ti+1]上的差向量：
δi(t)＝d(t)-li(t),ti≤t≤ti+1；
差向量伸缩，即得αδi(t)，α＞0，将其平移，使其起点落在直线段上的对应点处，即得：
dI(t)＝Li(t)+αδi(t),ti≤t≤ti+1,i＝0,1,2,…,m-1；
或写为：
dI(t)＝[(1-Φi(t))di+Φi(t)di+1]+α[d(t)-(1-Φi(t))d(ti)-Φi(t)d(ti+1)]；
ti≤t≤ti+1,i＝0,1,2,…,m-1；
函数Φi(t)满足如下的条件：
Φi(t)在区间[ti,ti+1]上具有直到n-2阶的连续导数；
得：
Φi(t)在区间[ti,ti+1]为单调增函数，以避免直线段li(t)和Li(t)出现重结点；
三次B样条曲线转化为三次B样条插值曲线的方法为：
给定区间[a,b]的一个扩充分划：
t-9≤t-6≤t-3≤a＝t0＜t1＜…＜t3i＜t3i+1＜…＜t3m-1＜t3m＝b≤t3(m+1)≤t3(m+2)≤t3(m+3)；
及de Boor控制顶点序列；
d-1,d0,d1,d2,…,dm,dm+1，
区间[a,b]上以：{t-9,t-6,t-3,t0,t3,…,t3i,t3(i+1),…,t3(m-1),t3m,t3(m+1),t3(m+2),t3(m+3)}；为样条结点的三次B样条曲线记为：
其中B样条基函数Nj,4(t)的支集上的样条结点为t3(j-2),t3(j-1),t3j,t3(j+1),t3(j+2)；
构造一条三次B样条插值曲线dI(t)，使得通过诸型值点列，即满足插值条件：
dI(t3k)＝dk,k＝0,1,2,…,m；
三次B样条曲线转化为三次B样条插值曲线的方法进一步包括：
(1)对于[t3i,t3i+3]上的B样条曲线段：
d(t)＝Ni-1,4(t)di-1+Ni,4(t)di+Ni+1,4(t)di+1+Ni+2,4(t)di+2,t3i≤t≤t3i+3；
构造连接该曲线段两端点d(t3i)和d(t3i+3)的直线段li(t)，使之满足条件：
1)li(t)∈C2[t3i,t3i+3]；
3)曲线段li(t)在区间[t3i,t3i+3]上无重结点；
具有如下形式：
其中调配函数满足条件：
a)
b)
c)函数在区间[t3i,t3i+3]上为单调增，从而
选取以t3i,t3i+1,t3i+2,t3i+3为单结点的三次样条函数，使之满足上述调配函数的三个条件，由条件a)和b)，经过计算得到的表达式如下：
其中是Bernstein基函数；
h3i+k＝t3i+k+1-t3i+k,k＝0,1,2；
易知0＜ci0＜ci1＜ci2＜ci3＜1，是区间[t3i,t3i+3]上的单调增函数；
在等距结点情形：h3i＝h3i+1＝h3i+2：
(2)作曲线段di(t)与直线段li(t)在区间[ti,ti+1]上的差向量：
δi(t)＝di(t)-li(t),t3i≤t≤t3i+3；
δi(t)有性质：
A)δi(t)∈C2[t3i,t3i+3]；
B)差向量δi(t)描述了曲线段d(t)上和直线段li(t)上对应点处的增向量；
(3)引入伸缩因子α＞0，作向量αδi(t)，将其平移到直线段上，生成曲线段：
其中是连接两相邻de Boor点di和di+1的直线段；
副法线向量为：
γDi(t3i)＝α2γd(t3i),γDi(t3i+3)＝α2γd(t3i+3)；
其中γDi(t)＝D′i(t)×D″i(t),γdi(t)＝d′(t)×d″(t)分别表示曲线段Di(t)和d(t)的副法线向量。
进一步，所述步骤(二)将每一级图像的长宽缩小为原来的1/2，分别得到k幅图像，其中和即是最底层的原图，和是最顶层；
所述步骤(三)在图像金字塔的每层上生成相同数目的种子点中将最底层的种子点设计为间隔为d的图像网格交点；上层的种子点均是最底层种子点的对应缩放版本，也就是每层种子点在当前层的坐标位置均是下层种子点坐标位置的η倍，即：
{p(sl)}＝η·{p(sl-1)}，l≥1；
其中l代表金字塔层数，{p(sl)}表示第l层种子点的在其上的位置，η表示金字塔缩放系数；
所述步骤(三)中将最顶层上的种子点的匹配初始化为随机值，然后与进行匹配，所述与进行匹配包括以下步骤：
第一步：邻域传播，即：
其中sm表示当前种子点，Nm表示对网格种子点之间使用自然邻域系统时当前种子点的相邻种子点集合，f(sm)表示当前种子点的运动矢量，C(f(·))表示对当前种子点使用f(·)为运动矢量时的匹配代价；
第二步：随机搜索，以当前最佳运动矢量f(sm)为中心，以指数递减半径为搜索域，进行随机试探；迭代进行以上两步，直至收敛；
所述步骤(四)匹配，每层种子点的匹配结果作为下一层相应种子点的初始值，即：
其中{f(sl)}为第l层种子点的运动矢量，η为金字塔的缩放系数。
进一步，所述图像渲染模块渲染方法如下：
首先，确定当前界面对应的图片渲染对象；
其次，以所确定的各图片渲染对象为节点，生成场景树；遍历场景树中的各节点，并每在遍历到一个节点时，设置该节点的渲染指令，所述渲染指令至少包括渲染顺序及渲染属性；
然后，依据各节点的渲染顺序，将各节点的渲染指令排列在预定指令队列中；
最后，按照所述预定指令队列中各渲染指令的排列顺序，将相同渲染属性的渲染指令相合并，以合并后的渲染指令进行图片渲染。
进一步，所述按照所述预定指令队列中各渲染指令的排列顺序，将相同渲染属性的渲染指令相合并，以合并后的渲染指令进行图片渲染包括：
按照所述预定指令队列中各渲染指令的排列顺序，逐个遍历各渲染指令；
若当前遍历的渲染指令的渲染属性与上一遍历的渲染指令的渲染属性相同，将当前遍历的渲染指令与已缓存的渲染指令相合并；所述已缓存的渲染指令为上一遍历的渲染指令，或，至少两个渲染指令相合并后的渲染指令，所述至少两个渲染指令的渲染属性与上一遍历的渲染指令的渲染属性相同；
若当前遍历的渲染指令的渲染属性与上一遍历的渲染指令的渲染属性不同，对已缓存的渲染指令进行图片渲染，并缓存当前遍历的渲染指令。
本发明的另一目的在于提供一种搭载有所述剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统的信息数据处理终端。
本发明的优点及积极效果为：
本发明通过图像渲染模块，可提高渲染效率，提升程序运行效率；同时通过3d打印模块可以将制作的模型图像根据现实尺寸，进行打印，可以直接获得剪纸画，大大节省人工成本，可以实现各种复杂的剪纸画。
本发明提供的图样设计模块的基于B样条的插值曲线或曲面的增量伸缩平移构造方法，利用增量伸缩平移和张量积的方法，构造了矩形域上的插值于控制顶点网格的双三次B样条插值曲面B和样条插值曲面，插值曲线/曲面的构造方法简洁，几何意义明显，与BURBS方法相容，对几何造型是有意义的。本发明提出了一个新的几何造型方法，这个方法解决了插值控制顶点的问题，对于逆向工程具有重要意义，对于剪纸画的艺术图形构建提供了保证。
本发明只需要不断的使用大块的匹配结果来指导小块的匹配过程，就可以得到精确的大位移匹配；在图像金字塔上由顶层到底层的匹配过程中，不断优化匹配结果。对于在顶层中消失的细小物体，特别是高速运动的细小物体能够在由粗到细的过程中逐渐恢复。相比于传统的基于变分能量优化模型的方法可以更好的处理大位移运动，传统的基于变分能量优化模型的方法因为对初始值有非常高的要求，导致其对于大位移运动时无法找到一个合适的初始值，在即使使用了由粗到细的策略后也并不能解决这个问题，主要是因为在由粗到细的变分优化过程中，顶层的错误逐层传播到了底层，相反，本发明会在由粗到细的过程中，不断优化匹配结果，极大地限制了上层错误的传播；相比于基于匹配的插值优化方法，本发明具有更高效、更灵活的效果，本发明可以随时根据应用场景的不同控制种子点的数目，产生不同效率、不同精度的光流结果。对剪纸画的制作中模型构建具有指导意义。
附图说明
图1是本发明实施例提供的剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统结构框图。
图中：1、图样设计模块；2、数据导入模块；3、数据处理模块；4、模型构建模块；5、材质选择模块；6、图像渲染模块；7、3d打印模块；8、显示模块。
图2是本发明实施例提供的B样条插值曲线的增量平移构造方法示意图。
图3是本发明实施例提供的的分段三次Bernstein函数表示示意图。
图4是本发明实施例提供的增向量伸缩平移示意图。
图5是本发明实施例提供的三次B样条曲线转化为插值曲线示意图。
图6是本发明实施例提供的构造图像金字塔和的示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
现有对剪纸画通过计算机制作模型时，使用的渲染方式主要是生成各图片渲染对象的渲染顺序，依照渲染顺序依序对各图片渲染对象进行渲染，这种渲染方式的渲染效率降低；同时剪纸一般都是通过人工剪纸，费时费力。
如图1所示，本发明提供的剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统包括：图样设计模块1、数据导入模块2、数据处理模块3、模型构建模块4、材质选择模块5、图像渲染模块6、3d打印模块7、显示模块8。
图样设计模块1，与数据导入模块2连接，用于初始设计剪纸画的图样设计；
图样设计模块中通过集成的曲面构建模块进行设计的图样样条曲线/曲面的顶点控制；具体包括：
步骤一，选取调配函数，作连结各样条小区间的两个端点的直线以及连结以及对应的两相邻de Boor控制顶点的直线，作各样条小区间上的样条曲线上的点与连结各样条小区间的两个端点的直线上的点的差得到增量向量；
步骤二，将增量向量通过伸缩后平移到连结两相邻de Boor控制顶点的直线上就得到了各样条小区间插值于de Boor控制顶点的插值曲线；
步骤三，对于三次B样条曲线，得到调配函数用Bézier形式的表示式，构造的插值于控制顶点的曲线是三次B样条插值曲线；
构造插值曲线的方法包括：
给定型值点列d0,d1,d2,…,dm，补充辅助点d-2,d-1…和dm+1,dm+2…，样条结点序列为：
…≤t-1≤a＝t0＜t1＜t2＜…＜tm-1＜tm＝b≤tm+1≤…；
将{dj}作为de Boor控制顶点序列，得n阶B样条曲线，记为：
其中Nj,n(t)是n阶B样条基函数，其支集设为区间 为实数取整；
构造曲线dI(t)，满足插值条件：
dI(tk)＝dk,k＝0,1,2,…,m；
插值曲线的构造方法进一步包括：
在每个区间样条子区间[ti,ti+1](i＝0,1,2,…,m-1)上，连接B样条曲线段d(t)的两个端点d(ti)和d(ti+1)的直线段记为li(t)，方程为：
li(t)＝(1-Φi(t))d(ti)+Φi(t)d(ti+1),ti≤t≤ti+1；
而连接两相邻de Boor点di和di+1的直线段记为Li(t)，方程为：
li(t)＝(1-Φi(t))d(ti)+Φi(t)d(ti+1),ti≤t≤ti+1；
Li(t)＝(1-Φi(t))di+Φi(t)di+1,ti≤t≤ti+1；
作曲线段d(t)与直线段li(t)在区间[ti,ti+1]上的差向量：
δi(t)＝d(t)-li(t),ti≤t≤ti+1；
差向量伸缩，即得αδi(t)，α＞0，将其平移，使其起点落在直线段上的对应点处，即得：
dI(t)＝Li(t)+αδi(t),ti≤t≤ti+1,i＝0,1,2,…,m-1；
或写为：
dI(t)＝[(1-Φi(t))di+Φi(t)di+1]+α[d(t)-(1-Φi(t))d(ti)-Φi(t)d(ti+1)]；
ti≤t≤ti+1,i＝0,1,2,…,m-1；
函数Φi(t)满足如下的条件：
Φi(t)在区间[ti,ti+1]上具有直到n-2阶的连续导数；
得：
Φi(t)在区间[ti,ti+1]为单调增函数，以避免直线段li(t)和Li(t)出现重结点；
三次B样条曲线转化为三次B样条插值曲线的方法为：
给定区间[a,b]的一个扩充分划：
t-9≤t-6≤t-3≤a＝t0＜t1＜…＜t3i＜t3i+1＜…＜t3m-1＜t3m＝b≤t3(m+1)≤t3(m+2)≤t3(m+3)；
及de Boor控制顶点序列；
d-1,d0,d1,d2,…,dm,dm+1，
区间[a,b]上以：{t-9,t-6,t-3,t0,t3,…,t3i,t3(i+1),…,t3(m-1),t3m,t3(m+1),t3(m+2),t3(m+3)}；为样条结点的三次B样条曲线记为：
其中B样条基函数Nj,4(t)的支集上的样条结点为t3(j-2),t3(j-1),t3j,t3(j+1),t3(j+2)；
构造一条三次B样条插值曲线dI(t)，使得通过诸型值点列，即满足插值条件：
dI(t3k)＝dk,k＝0,1,2,…,m；
三次B样条曲线转化为三次B样条插值曲线的方法进一步包括：
(1)对于[t3i,t3i+3]上的B样条曲线段：
d(t)＝Ni-1,4(t)di-1+Ni,4(t)di+Ni+1,4(t)di+1+Ni+2,4(t)di+2,t3i≤t≤t3i+3；
构造连接该曲线段两端点d(t3i)和d(t3i+3)的直线段li(t)，使之满足条件：
1)li(t)∈C2[t3i,t3i+3]；
3)曲线段li(t)在区间[t3i,t3i+3]上无重结点；
具有如下形式：
其中调配函数满足条件：
a)
b)
c)函数在区间[t3i,t3i+3]上为单调增，从而
选取以t3i,t3i+1,t3i+2,t3i+3为单结点的三次样条函数，使之满足上述调配函数的三个条件，由条件a)和b)，经过计算得到的表达式如下：
其中是Bernstein基函数；
h3i+k＝t3i+k+1-t3i+k,k＝0,1,2；
易知0＜ci0＜ci1＜ci2＜ci3＜1，是区间[t3i,t3i+3]上的单调增函数；
在等距结点情形：h3i＝h3i+1＝h3i+2：
(2)作曲线段di(t)与直线段li(t)在区间[ti,ti+1]上的差向量：
δi(t)＝di(t)-li(t),t3i≤t≤t3i+3；
δi(t)有性质：
A)δi(t)∈C2[t3i,t3i+3]；
B)差向量δi(t)描述了曲线段d(t)上和直线段li(t)上对应点处的增向量；
(3)引入伸缩因子α＞0，作向量αδi(t)，将其平移到直线段上，生成曲线段：
其中t3i≤t≤t3i+3，是连接两相邻de Boor点di和di+1的直线段；
副法线向量为：
γDi(t3i)＝α2γd(t3i),γDi(t3i+3)＝α2γd(t3i+3)；
其中γDi(t)＝D′i(t)×D″i(t),γdi(t)＝d′(t)×d″(t)分别表示曲线段Di(t)和d(t)的副法线向量。
数据导入模块2，与图样设计模块1、数据处理模块3连接，用于将设计的图样数据导入到计算机中；
数据处理模块3，与图样设计模块1、数据导入模块2、模型构建模块4、材质选择模块5、图像渲染模块6、3d打印模块7、显示模块8连接，用于调度各个模块进行正常工作；
模型构建模块4，与数据处理模块3连接，用于通过三维软件将图样构建成三维模型；
材质选择模块5，与数据处理模块3连接，用于对构建的三维模型选择适合的材质；
图像渲染模块6，与数据处理模块3连接，用于对三维模型进行渲染出预期效果；
3d打印模块7，与数据处理模块3连接，用于通过3d打印机将剪纸画打印出来；
显示模块8，与数据处理模块3连接，用于显示三维模型渲染后的效果。
本发明提供的图像渲染模块6渲染方法如下：
首先，确定当前界面对应的图片渲染对象；
其次，以所确定的各图片渲染对象为节点，生成场景树；遍历场景树中的各节点，并每在遍历到一个节点时，设置该节点的渲染指令，所述渲染指令至少包括渲染顺序及渲染属性；
然后，依据各节点的渲染顺序，将各节点的渲染指令排列在预定指令队列中；
最后，按照所述预定指令队列中各渲染指令的排列顺序，将相同渲染属性的渲染指令相合并，以合并后的渲染指令进行图片渲染。
本发明提供的按照所述预定指令队列中各渲染指令的排列顺序，将相同渲染属性的渲染指令相合并，以合并后的渲染指令进行图片渲染包括：
按照所述预定指令队列中各渲染指令的排列顺序，逐个遍历各渲染指令；
若当前遍历的渲染指令的渲染属性与上一遍历的渲染指令的渲染属性相同，将当前遍历的渲染指令与已缓存的渲染指令相合并；所述已缓存的渲染指令为上一遍历的渲染指令，或，至少两个渲染指令相合并后的渲染指令，所述至少两个渲染指令的渲染属性与上一遍历的渲染指令的渲染属性相同；
若当前遍历的渲染指令的渲染属性与上一遍历的渲染指令的渲染属性不同，对已缓存的渲染指令进行图片渲染，并缓存当前遍历的渲染指令。
本发明通过图样设计模块1设计剪纸画的图样设计，通过数据导入模块2将设计的图样数据导入到计算机中；通过数据处理模块3将图样数据进行处理，通过模型构建模块4将图样构建成三维模型；通过材质选择模块5对构建的三维模型选择适合的材质；通过图像渲染模块6对三维模型进行渲染出预期效果；通过3d打印模块7将剪纸画打印出来；通过显示模块8显示三维模型渲染后的效果。
图2是本发明实施例提供的B样条插值曲线的增量平移构造方法示意图。
图3是本发明实施例提供的的分段三次Bernstein函数表示示意图。
图4是本发明实施例提供的增向量伸缩平移示意图。
图5是本发明实施例提供的三次B样条曲线转化为插值曲线示意图。
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
模型构建模块通过集成的三维数据处理模块构建三维模型；具体包括：
(一)：从视频里获取两张连续图像，将两帧图像按时间顺序分别标记为I1和I2；
(二)：以I1和I2为最底层分别构造图像金字塔和；
(三)：在图像金字塔的每层上生成相同数目的种子点，并将最顶层上的种子点的匹配初始化为随机值；
(四)：将(三)获得的种子点在由(二)的图像金字塔依次从顶层到底层逐层进行匹配，每层种子点的匹配结果作为下一层相应种子点的初始值；
(五)：将最底层种子点的匹配结果利用对边缘敏感的插值算法进行插值，将插值结果作为光流估计的初始值，然后利用变分能量优化模型进行优化，最终得到大位移光流估计结果。
如图6是构造图像金字塔和的示意图。
所述步骤(二)将每一级图像的长宽缩小为原来的1/2，分别得到k幅图像，其中和即是最底层的原图，和是最顶层。
所述步骤(三)在图像金字塔的每层上生成相同数目的种子点中将最底层的种子点设计为间隔为d的图像网格交点；
如下表：
上层的种子点均是最底层种子点的对应缩放版本，即：
{p(sl)}＝η·{p(sl-1)}，l≥1
其中l代表金字塔层数，{p(sl)}表示第l层种子点的在其上的位置，η表示金字塔缩放系数。
所述步骤(三)中将最顶层上的种子点的匹配初始化为随机值，然后与进行匹配(PatchMatch)，所述与进行匹配匹配包括以下步骤：
第一步：邻域传播，即：
其中sm表示当前种子点，Nm表示对网格种子点之间使用自然邻域系统时当前种子点的相邻种子点集合，f(sm)表示当前种子点的运动矢量，C(f(·))表示对当前种子点使用f(·)为运动矢量时的匹配代价；
第二步：随机搜索，以当前最佳运动矢量f(sm)为中心，以指数递减半径为搜索域，进行随机试探；迭代进行以上两步，直至收敛。
所述步骤(四)层内匹配方法相同，每层种子点的匹配值初始化为上一层种子点匹配值的缩放版本，即：
其中{f(sl)}为第l层种子点的运动矢量，η为金字塔的缩放系数。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。
一般而言对于两张图像是否连续没有硬性的要求，只要求两张图像有50％以上是重合的，例如：对于高帧率视频，间隔多帧的两帧图像也能作为输入；
在构造图像金字塔的过程中，金字塔的缩放系数可以固定为0.5，也可以更具实际应用选择0.1～0.9之间的数，缩放系数越高意味着金字塔层数越多；
在金字塔每层上生成种子点的过程中，一般为考虑到匹配的稠密性，种子点需要在图像空间里大致均匀分布，可以根据不同的应用需求，调整种子点分布的稠密程度；
在层内对种子点进行匹配时，可以根据应用的不同，使用不同的匹配方法；
在最后对种子点的匹配进行插值时，可以使用不同的插值优化模型。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统，其特征在于，所述剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统包括：
图样设计模块，与数据导入模块连接，用于初始设计剪纸画的图样设计；
图样设计模块中通过集成的曲面构建模块进行设计的图样样条曲线/曲面的顶点控制；具体包括：
步骤一，选取调配函数，作连结各样条小区间的两个端点的直线以及连结以及对应的两相邻de Boor控制顶点的直线，作各样条小区间上的样条曲线上的点与连结各样条小区间的两个端点的直线上的点的差得到增量向量；
步骤二，将增量向量通过伸缩后平移到连结两相邻de Boor控制顶点的直线上就得到了各样条小区间插值于de Boor控制顶点的插值曲线；
步骤三，对于三次B样条曲线，得到调配函数用Bézier形式的表示式，构造的插值于控制顶点的曲线是三次B样条插值曲线；
构造插值曲线的方法包括：
给定型值点列d0,d1,d2,…,dm，补充辅助点d-2,d-1…和dm+1,dm+2...，样条结点序列为：
…≤t-1≤a＝t0＜t1＜t2＜…＜tm-1＜tm＝b≤tm+1≤…；
将{dj}作为de Boor控制顶点序列，得n阶B样条曲线，记为：
其中Nj,n(t)是n阶B样条基函数，其支集设为区间 为实数取整；
构造曲线dI(t)，满足插值条件：
dI(tk)＝dk,k＝0,1,2,…,m；
数据导入模块，与图样设计模块、数据处理模块连接，用于将设计的图样数据导入到计算机中；
数据处理模块，与图样设计模块、数据导入模块、模型构建模块、材质选择模块、图像渲染模块、3d打印模块、显示模块连接，用于调度各个模块进行正常工作；
模型构建模块，与数据处理模块连接，用于通过三维软件将图样构建成三维模型；模型构建模块通过集成的三维数据处理模块构建三维模型；具体包括：
(一)、从视频里获取两张连续图像，将两帧图像按时间顺序分别标记为I1和I2；
(二)、以I1和I2为最底层分别构造图像金字塔和
(三)、在图像金字塔的每层上生成相同数目的种子点，并将最顶层上的种子点的匹配初始化为随机值；
(四)、将步骤(三)获得的种子点在由步骤(二)的图像金字塔依次从顶层到底层逐层进行匹配，每层种子点的匹配结果作为下一层相应种子点的初始值；
(五)、将最底层种子点的匹配结果利用对边缘敏感的插值算法进行插值，将插值结果作为光流估计的初始值，然后利用变分能量优化模型进行优化，最终得到大位移光流估计结果；构建出三维模型；
材质选择模块，与数据处理模块连接，用于对构建的三维模型选择适合的材质；
图像渲染模块，与数据处理模块连接，用于对三维模型进行渲染出预期效果；
3d打印模块，与数据处理模块连接，用于通过3d打印机将剪纸画打印出来；
显示模块，与数据处理模块连接，用于显示三维模型渲染后的效果。
2.如权利要求1所述剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统，其特征在于，插值曲线的构造方法进一步包括：
在每个区间样条子区间[ti,ti+1](i＝0,1,2,…,m-1)上，连接B样条曲线段d(t)的两个端点d(ti)和d(ti+1)的直线段记为li(t)，方程为：
li(t)＝(1-Φi(t))d(ti)+Φi(t)d(ti+1),ti≤t≤ti+1；
而连接两相邻de Boor点di和di+1的直线段记为Li(t)，方程为：
li(t)＝(1-Φi(t))d(ti)+Φi(t)d(ti+1),ti≤t≤ti+1；
Li(t)＝(1-Φi(t))di+Φi(t)di+1,ti≤t≤ti+1；
作曲线段d(t)与直线段li(t)在区间[ti,ti+1]上的差向量：
δi(t)＝d(t)-li(t),ti≤t≤ti+1；
差向量伸缩，即得αδi(t)，α＞0，将其平移，使其起点落在直线段上的对应点处，即得：
dI(t)＝Li(t)+αδi(t),ti≤t≤ti+1,i＝0,1,2,…,m-1；
或写为：
dI(t)＝[(1-Φi(t))di+Φi(t)di+1]+α[d(t)-(1-Φi(t))d(ti)-Φi(t)d(ti+1)]；
ti≤t≤ti+1,i＝0,1,2,…,m-1；
函数Φi(t)满足如下的条件：
Φi(t)在区间[ti,ti+1]上具有直到n-2阶的连续导数；
Φi(ti)＝0，Φi(ti+1)＝1，
得：
dI(tk)＝dk,
Φi(t)在区间[ti,ti+1]为单调增函数，以避免直线段li(t)和Li(t)出现重结点；
三次B样条曲线转化为三次B样条插值曲线的方法为：
给定区间[a,b]的一个扩充分划：
t-9≤t-6≤t-3≤a＝t0＜t1＜…＜t3i＜t3i+1＜…＜t3m-1＜t3m＝b≤t3(m+1)≤t3(m+2)≤t3(m+3)；
及de Boor控制顶点序列；
d-1,d0,d1,d2,…,dm,dm+1，
区间[a,b]上以：{t-9,t-6,t-3,t0,t3,…,t3i,t3(i+1),…,t3(m-1),t3m,t3(m+1),t3(m+2),t3(m+3)}；为样条结点的三次B样条曲线记为：
其中B样条基函数Nj,4(t)的支集上的样条结点为t3(j-2),t3(j-1),t3j,t3(j+1),t3(j+2)；
构造一条三次B样条插值曲线dI(t)，使得通过诸型值点列，即满足插值条件：
dI(t3k)＝dk,k＝0,1,2,…,m；
三次B样条曲线转化为三次B样条插值曲线的方法进一步包括：
(1)对于[t3i,t3i+3]上的B样条曲线段：
d(t)＝Ni-1,4(t)di-1+Ni,4(t)di+Ni+1,4(t)di+1+Ni+2,4(t)di+2,t3i≤t≤t3i+3；
构造连接该曲线段两端点d(t3i)和d(t3i+3)的直线段li(t)，使之满足条件：
1)li(t)∈C2[t3i,t3i+3]；
2)li(t3i)＝d(t3i),li(t3i+3)＝d(t3i+3),
3)曲线段li(t)在区间[t3i,t3i+3]上无重结点；
具有如下形式：
其中调配函数满足条件：
a)
b)
c)函数在区间[t3i,t3i+3]上为单调增，从而
选取以t3i,t3i+1,t3i+2,t3i+3为单结点的三次样条函数，使之满足上述调配函数的三个条件，由条件a)和b)，经过计算得到的表达式如下：
其中是Bernstein基函数；
h3i+k＝t3i+k+1-t3i+k,k＝0,1,2；
易知0＜ci0＜ci1＜ci2＜ci3＜1，是区间[t3i,t3i+3]上的单调增函数；
在等距结点情形：h3i＝h3i+1＝h3i+2：
(2)作曲线段di(t)与直线段li(t)在区间[ti,ti+1]上的差向量：
δi(t)＝di(t)-li(t),t3i≤t≤t3i+3；
δi(t)有性质：
A)δi(t)∈C2[t3i,t3i+3]；
B)δi(t3i)＝δ(t3i+3)＝0,差向量δi(t)描述了曲线段d(t)上和直线段li(t)上对应点处的增向量；
(3)引入伸缩因子α＞0，作向量αδi(t)，将其平移到直线段上，生成曲线段：
其中t3i≤t≤t3i+3，是连接两相邻de Boor点di和di+1的直线段；
副法线向量为：
γDi(t3i)＝α2γd(t3i),γDi(t3i+3)＝α2γd(t3i+3)；
其中γDi(t)＝D′i(t)×D″i(t),γdi(t)＝d′(t)×d″(t)分别表示曲线段Di(t)和d(t)的副法线向量。
3.如权利要求1所述剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统，其特征在于，所述步骤(二)将每一级图像的长宽缩小为原来的1/2，分别得到k幅图像，其中和即是最底层的原图，和是最顶层；
所述步骤(三)在图像金字塔的每层上生成相同数目的种子点中将最底层的种子点设计为间隔为d的图像网格交点；上层的种子点均是最底层种子点的对应缩放版本，也就是每层种子点在当前层的坐标位置均是下层种子点坐标位置的η倍，即：
{p(sl)}＝η·{p(sl-1)}，l≥1；
其中l代表金字塔层数，{p(sl)}表示第l层种子点的在其上的位置，η表示金字塔缩放系数；
所述步骤(三)中将最顶层上的种子点的匹配初始化为随机值，然后与进行匹配，所述与进行匹配包括以下步骤：
第一步：邻域传播，即：
其中sm表示当前种子点，Nm表示对网格种子点之间使用自然邻域系统时当前种子点的相邻种子点集合，f(sm)表示当前种子点的运动矢量，C(f(·))表示对当前种子点使用f(·)为运动矢量时的匹配代价；
第二步：随机搜索，以当前最佳运动矢量f(sm)为中心，以指数递减半径为搜索域，进行随机试探；迭代进行以上两步，直至收敛；
所述步骤(四)匹配，每层种子点的匹配结果作为下一层相应种子点的初始值，即：
其中{f(sl)}为第l层种子点的运动矢量，η为金字塔的缩放系数。
4.如权利要求1所述剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统，其特征在于，所述图像渲染模块渲染方法如下：
首先，确定当前界面对应的图片渲染对象；
其次，以所确定的各图片渲染对象为节点，生成场景树；遍历场景树中的各节点，并每在遍历到一个节点时，设置该节点的渲染指令，所述渲染指令至少包括渲染顺序及渲染属性；
然后，依据各节点的渲染顺序，将各节点的渲染指令排列在预定指令队列中；
最后，按照所述预定指令队列中各渲染指令的排列顺序，将相同渲染属性的渲染指令相合并，以合并后的渲染指令进行图片渲染。
5.如权利要求4所述剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统，其特征在于，所述按照所述预定指令队列中各渲染指令的排列顺序，将相同渲染属性的渲染指令相合并，以合并后的渲染指令进行图片渲染包括：
按照所述预定指令队列中各渲染指令的排列顺序，逐个遍历各渲染指令；
若当前遍历的渲染指令的渲染属性与上一遍历的渲染指令的渲染属性相同，将当前遍历的渲染指令与已缓存的渲染指令相合并；所述已缓存的渲染指令为上一遍历的渲染指令，或，至少两个渲染指令相合并后的渲染指令，所述至少两个渲染指令的渲染属性与上一遍历的渲染指令的渲染属性相同；
若当前遍历的渲染指令的渲染属性与上一遍历的渲染指令的渲染属性不同，对已缓存的渲染指令进行图片渲染，并缓存当前遍历的渲染指令。
6.一种搭载有权利要求1所述剪纸画的制作中模型数字化模拟管理系统的信息数据处理终端。
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