CN108961408B - 基于三角网格模型的数字拓片制作方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于三角网格模型的数字拓片制作方法、系统及存储介质，包括：步骤(1)：生成待制作数字拓片的物体的三角网格模型；对三角网格模型的每个顶点的法向量进行平滑处理；步骤(2)：选择待制作数字拓片的区域；设置虚拟拓包的半径；步骤(3)：根据虚拟拓包的半径，计算三角网格模型的待制作数字拓片区域的每个顶点的高度；把每个顶点的高度值均转换成灰度值；步骤(4)：依据灰度值把待制作数字拓片的区域正投影为图像，得到数字拓片。

Description

基于三角网格模型的数字拓片制作方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及数字考古技术领域，特别是涉及基于三角网格模型的数字拓片制作方法、系统及存储介质。

背景技术

拓片是把文物表面的特征(文字或图案)拓印在纸上，是我国一项古老的传统技艺，在考古学中具有重要的作用。在制作拓片的过程中，要对文物上墨、敲打，会对文物造成一定的破坏。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于三角网格模型的数字拓片制作方法、系统及存储介质，其利用多视角立体技术或三维扫描仪建立文物的三角网格模型，对三角网格模型的法向量进行平滑处理，设置虚拟拓包(或墨刷)的大小，计算三角网格模型顶点的高度函数，通过非线性变换把高度值转换为顶点的灰度值，把三角网格模型的正投影保存为图像，就得到了数字拓片。

作为本发明的第一方面，提供了基于三角网格模型的数字拓片制作方法；

基于三角网格模型的数字拓片制作方法，包括以下步骤：

步骤(1)：生成待制作数字拓片的物体的三角网格模型；对三角网格模型的每个顶点的法向量进行平滑处理；

步骤(2)：选择待制作数字拓片的区域；设置虚拟拓包的半径；

步骤(3)：根据虚拟拓包的半径，计算三角网格模型的待制作数字拓片区域的每个顶点的高度；把每个顶点的高度值均转换成灰度值；

步骤(4)：依据灰度值把待制作数字拓片的区域正投影为图像，得到数字拓片。

平滑处理即最小化能量函数：

其中，E(G)表示关于顶点集合的一个能量函数，F是平滑前三角网格模型每个顶点的坐标位置，G是平滑后三角网格模型每个顶点的坐标位置，γ是一个权重系数，

是平滑后三角网格模型的顶点对应的法向量。

最小化能量函数的目的是使顶点的位置尽量不变，法向量指向大致相同。

作为本发明的进一步改进，所述生成待制作数字拓片的物体的三角网格模型的具体步骤为：使用三维扫描仪对待制作数字拓片的物体进行扫描，获得文物的点云数据，将文物的点云数据转换为三角网格数据，再将三角网格数据进行纹理映射，生成待制作数字拓片的物体的三角网格模型；

作为本发明的进一步改进，所述对三角网格模型的每个顶点的法向量进行平滑处理的具体步骤为：

三角网格模型每个顶点均被多个三角面共有，计算以每个顶点为公共顶点的所有三角面法向量的平均值，作为当前顶点的法向量；计算所有顶点的法向量；对三角网格模型的每个顶点的法向量进行平滑处理。

作为本发明的进一步改进，选择待制作数字拓片的区域：

步骤(201)：在待制作数字拓片的区域中选择一个顶点；

步骤(202)：搜索当前顶点的邻居顶点，判断邻居顶点是否需要加入待制作数字拓片的区域；

如果当前顶点的法向量与邻居顶点的法向量夹角大于等于设定阈值，就忽略该邻居顶点；

如果当前顶点的法向量与邻居顶点的法向量夹角小于设定阈值，则把该邻居顶点加入待制作数字拓片的区域；搜索顶点的下一个邻居顶点，重复步骤(202)，直至所有的邻居顶点都被判断完为止；最终得到待制作数字拓片的区域。

作为本发明的进一步改进，所述虚拟拓包是墨刷，用于模拟实际拓片制作工艺中的拓包。

作为本发明的进一步改进，计算三角网格模型每个顶点的高度，采用的方法如下：

步骤(301)：在待制作数字拓片的区域内，搜索与顶点q的距离不超过r的所有顶点；其中，r等于虚拟拓包的半径乘以待制作数字拓片区域内所有三角面片的平均边长；

步骤(302)：对步骤(301)搜索得到的所有顶点，利用最小二乘法拟合成一个平面，平面的法向量指向与顶点p的法向量方向一致的一侧；顶点p的高度为顶点p到拟合平面的有向距离。

作为本发明的进一步改进，把顶点的高度值转换成灰度值，采用的方法如下：

其中，g是顶点的灰度值，0对应黑色，1对应白色，0至1中的值对应灰色，h是顶点的高度，μ是所有顶点高度值的均值，σ所有顶点高度值的标准差，a是控制灰度分布的系数。

作为本发明的第二方面，提供了基于三角网格模型的数字拓片制作系统；

基于三角网格模型的数字拓片制作系统，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述任一方法所述的步骤。

作为本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质；

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述任一方法所述的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用文物的三角网格模型制作数字拓片，避免了传统制作拓片工艺对文物可能造成的破坏。文物的高精度三角网格模型也保证了数字拓片的分辨率和质量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的实施的流程图；

图2为带纹理的三角网格模型投影后结果；

图3为不带纹理的三角网格模型投影后结果；

图4为利用三角网格模型制作的数字拓片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

近年来，三维扫描仪、多视角立体技术不断成熟，在考古领域逐渐得到应用，通过对文物的外观数据进行采集，可以创建实际文物的高精度三角网格模型。三角网格模型不仅可以用来保存文物的数据，还可以用于虚拟展示、虚拟修复、绘制线图和三维打印等应用。

图1为本发明的实施流程图，如图1所示，本发明的实现过程如下：

作为本发明的第一个实施例，提供了基于三角网格模型的数字拓片制作方法；

基于三角网格模型的数字拓片制作方法，包括以下步骤：

步骤(1)：使用三维扫描仪对待制作数字拓片的物体进行扫描，获得文物的点云数据，将文物的点云数据转换为三角网格数据，再将三角网格数据进行纹理映射，生成待制作数字拓片的物体的三角网格模型；三角网格模型每个顶点均被多个三角面共有，计算以每个顶点为公共顶点的所有三角面法向量的平均值，作为当前顶点的法向量；计算所有顶点的法向量；对三角网格模型的每个顶点的法向量进行平滑处理；

平滑处理即最小化能量函数：

其中，E(G)表示关于顶点集合的一个能量函数，F是平滑前三角网格模型每个顶点的坐标位置，G是平滑后三角网格模型每个顶点的坐标位置，γ是一个权重系数，

是平滑后三角网格模型的顶点对应的法向量。

最小化能量函数的目的是使顶点的位置尽量不变，法向量指向大致相同。

步骤(2)：选择待制作数字拓片的区域；设置虚拟拓包的半径；

作为本发明的进一步改进，选择待制作数字拓片的区域：

步骤(201)：在待制作数字拓片的区域中选择一个顶点；

步骤(202)：搜索当前顶点的邻居顶点，判断邻居顶点是否需要加入待制作数字拓片的区域；

如果当前顶点的法向量与邻居顶点的法向量夹角大于等于设定阈值，就忽略该邻居顶点；

如果当前顶点的法向量与邻居顶点的法向量夹角小于设定阈值，则把该邻居顶点加入待制作数字拓片的区域；搜索顶点的下一个邻居顶点，重复步骤(202)，直至所有的邻居顶点都被判断完为止；最终得到待制作数字拓片的区域。

作为本发明的进一步改进，所述虚拟拓包是墨刷，用于模拟实际拓片制作工艺中的拓包。

步骤(3)：根据虚拟拓包的半径，计算三角网格模型的待制作数字拓片区域的每个顶点的高度；把每个顶点的高度值均转换成灰度值；

作为本发明的进一步改进，计算三角网格模型每个顶点的高度，采用的方法如下：

步骤(301)：在待制作数字拓片的区域内，搜索与顶点q的距离不超过r的所有顶点；其中，r等于虚拟拓包的半径乘以待制作数字拓片区域内所有三角面片的平均边长；

步骤(302)：对步骤(301)搜索得到的所有顶点，利用最小二乘法拟合成一个平面，平面的法向量指向与顶点p的法向量方向一致的一侧；顶点p的高度为顶点p到拟合平面的有向距离。

作为本发明的进一步改进，把顶点的高度值转换成灰度值，采用的方法如下：

其中，g是顶点的灰度值，0对应黑色，1对应白色，0至1中的值对应灰色，h是顶点的高度，μ是所有顶点高度值的均值，σ所有顶点高度值的标准差，a是控制灰度分布的系数。

步骤(4)：依据灰度值把待制作数字拓片的区域正投影为图像，得到数字拓片。

作为本发明的第二个实施例，提供了基于三角网格模型的数字拓片制作系统；

基于三角网格模型的数字拓片制作系统，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述任一方法所述的步骤。

作为本发明的第三个实施例，提供了一种计算机可读存储介质；

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述任一方法所述的步骤。

如图2所示，为带纹理的三角网格模型投影后结果，刻的字与背景颜色非常接近，不清楚。

如图3所示，不带纹理的三角网格模型投影后结果，刻的字非常浅，很难分辨清楚。

如图4所示，利用三角网格模型制作的数字拓片，刻的字清晰可辨。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于三角网格模型的数字拓片制作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤(1)：生成待制作数字拓片的物体的三角网格模型；对三角网格模型的每个顶点的法向量进行平滑处理；

步骤(2)：选择待制作数字拓片的区域；设置虚拟拓包的半径；

步骤(3)：根据虚拟拓包的半径，计算三角网格模型的待制作数字拓片区域的每个顶点的高度；把每个顶点的高度值均转换成灰度值；

步骤(4)：依据灰度值把待制作数字拓片的区域正投影为图像，得到数字拓片；

计算三角网格模型每个顶点的高度，采用的方法如下：

步骤(301)：在待制作数字拓片的区域内，搜索与顶点q的距离不超过r的所有顶点；其中，r等于虚拟拓包的半径乘以待制作数字拓片区域内所有三角面片的平均边长；

步骤(302)：对步骤(301)搜索得到的所有顶点，利用最小二乘法拟合成一个平面，平面的法向量指向与顶点p的法向量方向一致的一侧；顶点p的高度为顶点p到拟合平面的有向距离。

2.如权利要求1所述的基于三角网格模型的数字拓片制作方法，其特征是，

平滑处理即最小化能量函数：

其中，E(G)表示关于顶点集合的一个能量函数，F是平滑前三角网格模型每个顶点的坐标位置，G是平滑后三角网格模型每个顶点的坐标位置，γ是一个权重系数，

是平滑后三角网格模型的顶点对应的法向量。

3.如权利要求1所述的基于三角网格模型的数字拓片制作方法，其特征是，

所述生成待制作数字拓片的物体的三角网格模型的具体步骤为：使用三维扫描仪对待制作数字拓片的物体进行扫描，获得文物的点云数据，将文物的点云数据转换为三角网格数据，再将三角网格数据进行纹理映射，生成待制作数字拓片的物体的三角网格模型。

4.如权利要求1所述的基于三角网格模型的数字拓片制作方法，其特征是，

所述对三角网格模型的每个顶点的法向量进行平滑处理的具体步骤为：

三角网格模型每个顶点均被多个三角面共有，计算以每个顶点为公共顶点的所有三角面法向量的平均值，作为当前顶点的法向量；计算所有顶点的法向量；对三角网格模型的每个顶点的法向量进行平滑处理。

5.如权利要求1所述的基于三角网格模型的数字拓片制作方法，其特征是，

选择待制作数字拓片的区域：

步骤(201)：在待制作数字拓片的区域中选择一个顶点；

步骤(202)：搜索当前顶点的邻居顶点，判断邻居顶点是否需要加入待制作数字拓片的区域；

如果当前顶点的法向量与邻居顶点的法向量夹角大于等于设定阈值，就忽略该邻居顶点；

如果当前顶点的法向量与邻居顶点的法向量夹角小于设定阈值，则把该邻居顶点加入待制作数字拓片的区域；搜索顶点的下一个邻居顶点，重复步骤(202)，直至所有的邻居顶点都被判断完为止；最终得到待制作数字拓片的区域。

6.如权利要求1所述的基于三角网格模型的数字拓片制作方法，其特征是，

所述虚拟拓包是墨刷，用于模拟实际拓片制作工艺中的拓包。

7.如权利要求1所述的基于三角网格模型的数字拓片制作方法，其特征是，

把顶点的高度值转换成灰度值，采用的方法如下：

其中，g是顶点的灰度值，0对应黑色，1对应白色，0至1中的值对应灰色，h是顶点的高度，μ是所有顶点高度值的均值，σ所有顶点高度值的标准差，a是控制灰度分布的系数。

8.基于三角网格模型的数字拓片制作系统，其特征是，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述权利要求1-7 任一方法所述的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其特征是，其上存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述权利要求1-7 任一方法所述的步骤。

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