CN1095146C - 利用蜂巢式单元构造实体图形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用一种独特的蜂巢式拼接单元，借助于计算机强大的计算和存储能力，并利用本发明人开发的程序，将图象首先分解为六角形象素，然后合成大量各种形状的蜂巢式单元，再使用蜂巢式单元拼接还原出完整的所需图象。在所需的以蜂巢式单元构成的图象形成以后，可以采用机械化或手工方式在已事先制备好的各种颜色的蜂巢式实体单元(如瓷砖或玻璃等等)中选择对应的单元在基板上完成实体图形的拼接，或直接在基板上依蜂巢式单元绘制颜色。

Description

利用蜂巢式单元构造实体图形的方法

本发明总地涉及一种构造两维实体图形的方法，特别是涉及这样一种图形形成方法，即在计算机中利用蜂巢式单元结构来重新分块构造所输入的图象，然后按照上述重新构造的图象形成可实际使用的实体图形。

在古今建筑的外部，利用大小基本相同的方形建筑材料(例如瓷砖、玻璃等等)构成的大型壁画已屡见不鲜。例如，用一块一块的小方瓷砖或天然石块组成的壁画早在公元前就有了。近现代，在公共场所和大型建筑物的外壁上更流行用瓷砖、天然石块甚至金属拼接成绘画的建筑艺术形式。除此之外，在建筑内部的诸如地板、卫生间墙壁等处也经常可见各种以装饰材料拼接的彩色图形(以下称为“实体图形”)。这种建筑和艺术的有机结合，给人们带来了丰富的美的视觉感受。而且这种实体图形耐久而不易损坏，有着很大的实用价值。

但是，常规的实体图形所采用的拼接单元都是正方形或接近于正方形，大小一致或近似的。有时在两种颜色交界的地方将一个拼接单元沿对角线切开以使交界线较为平滑。虽然采用这种修补的方法，其四方格的结构形式仍旧使整个画面显得死板。

为了在这种死板的画面中追求一些变化，有时在实体图形中的大量小方块拼接单元以外还使用少量大方块拼接单元。有时为了构图需要，还得将方形的拼接单元排列成曲线形状，而这不可避免地造成了许多无法补救的三角形或梯形空隙。用方形拼接单元完成艺术家多变的艺术构思无疑陷入了窘境。当然，仍有一些接缝非常精细的实体图形的精品(例如古代壁画)，但是它们所采用的每一小块的拼接单元都经过大量人工花费大量时间一点点地完成。而这显然已无法适应现代建筑或室内装饰等等大规模、高效率，甚至机械化、自动化的需求。

因此，本发明的目的在于提供一种能够合理地将一幅原始图象划分为若干易于快速、高效地拼接的单元，从而既保持所使用图象的艺术完整性，又适于大规模、工业化操作的实体图形形成方法。

为了完成上述目的，本发明采用一种独特的蜂巢式拼接单元，借助于计算机强大的计算和存储能力，并利用本发明人开发的程序，将图象首先分解为六角形象素，然后合成大量各种形状的蜂巢式单元，再使用蜂巢式单元拼接还原出完整的所需图象。在所需的以蜂巢式单元构成的图象形成以后，可以采用机械化或手工方式在已事先制备好的各种颜色的蜂巢式实体单元(如瓷砖或玻璃等等)中选择对应的单元在基板上完成实体图形的拼接，或直接在基板上依蜂巢式单元绘制颜色。

根据本发明上述构思的以蜂巢式单元构造二维实体图形的方法包括以下步骤：

在计算机中输入所需的图象；

将图象的方格式象素分组而形成含有多个方格式象素的新的六角形象素；

利用至少一个六角形象素组合出多个各种不同形状、不同颜色的蜂巢式单元，其中六角形象素的颜色为其所包含的多个方格式象素颜色的平均值；

将所组合出的多个蜂巢式单元存储备用；

根据输入图象的颜色进行分块操作，然后按所需形状调用存储的形状的蜂巢式单元；

形成一幅以蜂巢式单元构成的新的图象并输出；

按照输出的图象，在实体基板上以一定的比例拼接或绘制出彩色实体图形。

采用根据本发明的蜂巢式单元拼接的实体图形既快速又能够保留原输入图象的艺术性，还能给人以一种不规则的感受，而且可以以现代化机械做到紧密接缝。

图1示出常规的方格形式的象素和本发明的六角形形式的象素；

图2-4示出根据本发明利用六角形象素构成的各种结构的蜂巢式单元；

图5-7示出平滑后的图2-4所示的蜂巢式单元；

图8示出同一蜂巢式单元六个不同摆放位置的示意图；

图9是采用常规方格式象素构成的一幅图象；

图10是采用本发明六角形象素构成的同一幅图象，其中每一个凸字形代表一个六角形；

图11是根据本发明利用六角形象素形成各种蜂巢式单元后，采用蜂巢式单元组成的用于输出的图象。

以下将根据本发明的一个优选实施例来详细说明本发明的原理和本发明方法的细节。

把一幅例如图9所示的图象输入到计算机中的方法是公知的技术。比较常用的有：(a)数字化卡(DIGITIZER CARD)，用于把摄录影机输出的模拟信号转换为数字信号以便由计算机处理，并利用所存储的软件存储图象文件；(b)扫描机，用于扫描相片、图画或正负底片并利用计算机存储图象文件；(c)数码照相机，在摄取相片之后将图象存储在磁盘上，然后可通过计算机访问存储在磁盘上的图象文件。

常规的象素是以方格形式构成的。具体地说，象素一行对着一行排列，第一行的象素与第二行的象素依次上下相对地排列，形成一个方格阵。假定一幅图象的宽度是640，那么每一行就有640个象素，而第641个象素即是第二行的第一个象素。

根据本发明，要将方格式的象素转换为六角形的象素。以下根据本发明的一个优选实施例来说明这种转换过程。

如图1所示，从方格阵式象素结构的第一行至第四行取出对称的4、4、4、2共14个方格式象素组合成本发明蜂巢式结构第一行的一个六角形象素；从方格阵式象素结构的第四行至第七行适当的位置取出对称的2、4、4、4共14个方格式象素组合成本发明蜂巢式结构第二行的一个六角形象素，其余依此类推。很明显，对于一幅每行有640个象素的图象来说，本发明蜂巢式结构构成的图象的第一行的第一个六角形象素是从方格阵式象素图象的第1、2、3、4、641、642、643、644、1281、1282、1283、1284、1922、1923共14个象素转换而来。类似地，蜂巢式结构图象的第二行的第一个六角形象素是从方格阵式象素图象的第1924、1925、2563、2564、2565、2566、3203、3204、3205、3206、3843、3844、3845、3846共14个方格式象素转换而来。

在图1中，上半部的每一个小方格代表一个方格式象素，而下半部的每一个六角形即是从14个方格式象素转换而来的一个六角形象素，这些六角形象素构成了本发明蜂巢式结构的基本单元。

另外，六角形象素的颜色采用14个方格象素颜色的平均值，即分别采用红、绿、蓝的平均值。举例来说，例如扫描的一幅图象一般有256乘256乘256种颜色(或者更多)。但是如下所述的实体单元不可能提供这么多颜色，而且人眼也分辨不出这么多颜色，故而实际上并不需要这么多颜色。因此，只需就效果的需要和所能提供的实体单元的资源预先设定一个范围。由于颜色是一个三维空间的立方体，红、绿、蓝三基色各占一维空间。将整个立方体切割为许多小的立方体，14个方格象素的平均值凡是在某一个小立方体内的都用同一种颜色代替，凡是没有14个方格象素平均值在内的小立方体就视为不存在(即视为没有这一颜色)。因此，当整个切割过程完成后就知道共用了多少种颜色。如果所用的颜色与事先设定的范围相比太少，就将立方体再切割得细小些，重新归纳。如果所用的颜色太多，就将小立方体切割得大一些，重新再归纳。重复上述步骤，直到达到预定的范围为止。

如上所述形成的每个六角形象素都具有六条边，因而由这些六角形象素构成的本发明蜂巢式结构图象上的每一个象素(图象的四角及四边除外)都与其它六个象素相邻接。因此，由若干个这种六角形象素构成的蜂巢式单元就具有比方格单元多得多的变化，打破了方格阵式的沉闷局面，开拓了无尽的变化空间。唯有这种六角形象素能在六个方向上同周围的象素密贴地相连接，从而形成许多不同大小、不同形状的蜂巢式单元。

换句话说，一个蜂巢式单元即是至少一个同种颜色的六角形象素的集合，蜂巢式单元内的六角形象素依照蜂巢结构的特性而相互结合，单元内的每一个六角形象素至少与一个其它的六角形象素相邻接，即在同一单元之内每个象素与其它象素有至少一个公共边。这样看来，每个蜂巢式单元就是一个小的蜂巢式结构，或者说，每个蜂巢式单元即是蜂巢式结构的一部分。每个蜂巢式单元是相互独立的、分割的个体，如图2-4所示。

当然，各个蜂巢式单元也可以如图5-7所示的那样被平滑曲线所修饰。

与在计算机处理过程中产生的蜂巢式单元相对应，按照所产生的以蜂巢式单元拼接而成的输出图象，计算机可以驱动诸如绘图仪或机械手之类的机构以颜料或油漆在实体基板(例如纸张、布、塑胶片等等)上一个一个地绘制出具有相应的颜色和形状的实体单元。当然也可以驱动机械设备对应于计算机内所产生的蜂巢式单元而制成各个固体物质(例如金属、玻璃、陶、瓷、布料、毛织品、塑料等等)的实体单元并依次摆放固定在实体基板上从而拼接出实体图形。在上述绘制或拼接的过程中，每个蜂巢式单元在基板上可以有六个放置方向。例如如图8所示，同一单元可以有0、60、120、180、240和300度的转角。以上每个蜂巢式单元都是单一种颜色的。

为了更清楚地说明本发明，以下将详细说明从蜂巢式单元结构的图象分解出单色的蜂巢式单元的过程。

A、设定一套各种形状的单元，把每一个单元的六个方位作为六种不同的状态，用这些六倍单元数量的形状建立一个资料库，并且按照所含的象素数量进行分组，即所有含四个象素的为一组，所有含六个象素的为一组，依此类推。

B、在整个蜂巢式结构图象中分离出一个单色的独立的片段，一个片段就是一群象素。群内的每一个象素至少与同群的另一个象素邻接，即在同群内的每个象素与其它象素至少有一个公共边。也就是，除了片段里本身的象素外再没有其它的象素与片段内的任何一个象素邻接。一个片段可能包含很少的象素，也可能包含几千个象素或更多。

C、如果片段内有30个象素以上，就先用一些象素数最多的单元去尝试分解。如果分解不出来，就减少象素数，再去尝试分解，直到可以分解出一个单元为止。然后又利用象素数最多的单元继续下去。如果剩下的象素数还在30个以上，就重复本段的操作。如果减至30个象素以下时，就按如下一段D所述的过程进行。原则就是当象素数多时就尽可能用象素数大的单元，以便节省制造、处理、放置和镶嵌的工作。

D、如果片段内一开始就只有30个象素或以下，或者当剩下的象素数降至30个象素或以下时，就要按特定的计划去分解出单元，例如用于18个象素的方案有以下几种：

三个6象素单元；或

两个5象素单元加两个4象素单元；或

一个6象素单元加三个4象素单元；或

三个4象素单元加两个3象素单元。

如果第一个方案行不通，就进行下一个方案。这是因为片段里的象素分布无规律可言。而且蜂巢式单元的形状虽多，但也不可能包括所有的形状，因而利用为数较少的包含较多象素的单元不一定行得通，而用多一些包含较少象素的单元可能按计划完成的机会要大些。所以，基本原则就是当象素数少时，就按如上所述的方案，以达到均匀的目的。

E、蜂巢式单元的放置采用尝试的办法。假定C、D两段提供的蜂巢式单元所包含的象素数为N，从A段所提到的资料库中，在N个象素数的这一组中提取一个蜂巢式单元的资料，将所提供的资料与片段的资料相比较以判断是否达到以下两个要求：

a、整个蜂巢式单元都在片段内；

b、片段内的蜂巢式单元的大小的均匀性不受影响，例如放置了一个7象素的蜂巢式单元，而要使其中的一两个象素独立出来而自成一个小蜂巢式单元，这是不可以的。

一个一个地取出包含N个象素的蜂巢式单元来尝试。如果有一个蜂巢式单元既符合a又符合b的话，就立即按C、D两段所述取下一个蜂巢式单元的象素数，然后再进行本段的操作过程。如果N个象素数的这一组中的全部蜂巢式单元经过逐个尝试而没有一个能够既符合a又符合b的话，则按照C、D两段所述取下一个蜂巢式单元所包含的象素数，再进行本段的操作过程。

当每分解出一个蜂巢式单元后，则将该蜂巢式单元的位置、方位、颜色、形状等信息存储在存储器中备用。

F、按照B所述分离出另一个单色的片段，重复C至F的操作过程，直到所有的单色片段均被处理完毕。

如上A到F所述，一个二维空间的图象可被分解为多个上述的单色蜂巢式单元，结果如图9和11所示。图9是一个方格阵式图象，可以说图11的图象是图9的图象经各个上述阶段处理的结果。应该注意的是有许多同种颜色(由于无法采用彩色附图，颜色只能以黑白图上的灰度级来区别)的蜂巢式单元相互连接在一起，这是因为在实用上应该单元所包含的象素数的最大值通常都不大，而且一整套不同蜂巢式单元的数目也应该限制在应该适当的数目内，并且是预先设定的。如前所述，颜色的多少也设定在应该范围之内。

作为一个例子，如果选用95种形状80种颜色即共有7600种限制颜色单元，每个蜂巢式单元有六个方位，在视觉上便有45000多种不同的形状颜色。假定资源不足的话，只能使用50种形状60种颜色共3000种形状颜色的蜂巢式单元，加上每个单元有六个方位，在视觉上也能提供17000多种形状颜色，变化之多令人眼花缭乱。即使到近处观赏也别有风味，再不是传统的瓷砖图象那样只宜远观不宜近看。

制造7600种不同的实体蜂巢式单元看起来好象是一个大数目，实际上如果一个铸造的模具上有95个不同的形状，每铸一次就生产了95个同颜色不同形状的单元，只要铸造80次就每一种单元都有一个。比起丝花制造厂的几十种颜色、数不清的花瓣形状、数不清的叶的形状纹理，还有花芯、枝杆、各种丝布、塑料、铁丝等等，7000多种同一质料的单元可以说是简单的。此外，以所需的贮藏空间来看，假定每个单元占用25mm乘20mm乘3mm的空间，那么每立方米就可以贮藏六十六万多个单元，可以组成33个每个具有二万个蜂巢式单元的图象，每个图象面积约1平方米。当然，加上使各单元容易取用的其它设备，实际上占用的空间可能加大至3立方米或三倍。因而所占用的空间即使对于一个很小型的厂房来说也是相对很小的。

不仅贮藏上没有困难，利用本发明的方法制造一幅实体图形所需的时间也大大缩短。不必再将所需的图象事先绘制在固体单元上，然后再经过烧制，既花费大量时间又花费大量金钱。而使用本发明的方法，只要短短几天，就既可以完成拼接实体单元，也可以完成直接绘制的全部过程。

所花费的大部分时间在于制造实体单元并进行拼接或绘制，而利用计算机进行如上所述的处理的时间相对来说是很短的。以下分别说明手工制造和机械化制造的过程。

作为家庭作坊，可以利用手工放置、镶嵌实体蜂巢式单元从而获得一幅实体图形。如果已在计算机上获得如图11所示的一幅蜂巢式结构图象，而且图的四边标有比例尺，则只要在X和Y方向各放一把直尺就可以知道图象上各点的位置。与此同时，你已置备了全部所需的如上所述的实体蜂巢式单元和一张列有各单元的形状、位置、方位、颜色等资料的清单(这些数据存储在上述E段所述的资料库中)。你只要按照所列的单元编号和颜色编号逐个取出实体蜂巢式单元并按照所列的位置放置在实体基板上，直到完成整个图象为止。应该注意，在放置时先使用不易干透且透明的黏合剂，待全部实体单元放置完成后再用永久性黏合剂固定。

当然利用由计算机控制的机械手之类的自动化设备直接来进行实体蜂巢式单元的放置、镶嵌工作就更方便了。例如，某些类型设有工作平台的制图机、商标切割机等，略经改装即可胜任。由于一个实体单元的重量一般不会超过2克，再加上一些其它的设备，重量负荷是可以的。实体单元的放置和固定的详细过程与前述类似，不再赘述。

以上所述的本发明的一个优选实施例只是示例性地描述本发明，应该理解，本领域的普通技术人员可以在本发明的精神和范围之内作出各种变化。

Claims (8)

1.一种以蜂巢式单元构造二维实体图形的方法，其特征在于包括以下步骤：

在计算机中输入所需的图象；

将所述图象的方格式象素分组而形成含有多个所述方格式象素的新的六角形象素；

利用至少一个所述六角形象素组合出多个各种不同形状、不同颜色的蜂巢式单元，其中所述六角形象素的颜色为其所包含的所述多个方格式象素颜色的平均值；

将所组合出的所述多个蜂巢式单元存储备用；

根据所述输入图象的颜色进行分块操作，然后按所需形状调用所述存储的形状的蜂巢式单元；

形成一幅以所述蜂巢式单元构成的新的图象并输出；

按照所述输出的图象，在实体基板上以一定的比例拼接或绘制出实体图形。

2、根据权利要求1所述的构造二维实体图形的方法，其特征在于所述六角形象素由14个所述方格式象素对称地构成。

3、根据权利要求1所述的构造二维实体图形的方法，其特征在于所述蜂巢式单元为单色。

4、根据权利要求1所述的构造二维实体图形的方法，其特征在于所述的方格式象素分组操作进一步包括以下步骤：

将红、绿、蓝三基色各占一维空间的三维空间立方体切割为许多小的立方体，14个方格象素的平均值凡是在某一个小立方体内的都用同一种颜色代替，凡是没有14个方格象素平均值在内的小立方体就视为不存在，当整个切割过程完成后就知道共用了多少种颜色。

5、根据权利要求4所述的构造二维实体图形的方法，其特征在于如果所用的颜色与事先设定的范围相比太少，就将立方体再切割得细小些，重新归纳；如果所用的颜色太多，就将小立方体切割得大一些，重新再归纳；重复上述步骤，直到达到预定的范围为止。

6、根据权利要求1所述的构造二维实体图形的方法，其特征在于所述的分块操作包括以下步骤：

A、设定一套各种形状的单元，把每一个单元的六个方位作为六种不同的状态，用这些六倍单元数量的形状建立一个资料库，并且按照所含的象素数量进行分组，即每一种象素数量分为一组；

B、在整个蜂巢式结构图象中分离出一个单色的独立的片段，一个片段就是一群象素；群内的每一个象素至少与同群的另一个象素邻接，即在同群内的每个象素与其它象素至少有一个公共边；

C、如果片段内有30个象素以上，就先用一些象素数最多的单元去尝试分解，如果分解不出来，就减少象素数，再去尝试分解，直到可以分解出一个单元为止；然后又利用象素数最多的单元继续下去，如果剩下的象素数还在30个以上，就重复本段的操作，如果减至30个象素以下时，就按如下一段D所述的过程进行；

D、如果片段内一开始就只有30个象素或以下，或者当剩下的象素数降至30个象素或以下时，就要按特定的方案去分解出单元，如果第一个方案行不通，就进行下一个方案；

E、假定C、D两段提供的蜂巢式单元所包含的象素数为N，从A段所提到的所述资料库中，在N个象素数的这一组中提取一个蜂巢式单元的资料，将所提供的资料与片段的资料相比较以判断是否达到以下两个要求：

a、整个蜂巢式单元都在片段内，

b、片段内的蜂巢式单元的大小的均匀性不受影响，

如果有一个蜂巢式单元既符合a又符合b的话，就立即按C、D两段所述取下一个蜂巢式单元的象素数，然后再进行本段的操作过程；如果N个象素数的这一组中的全部蜂巢式单元经过逐个尝试而没有一个能够既符合a又符合b的话，则按照C、D两段所述取下一个蜂巢式单元所包含的象素数，再进行本段的操作过程；

当每分解出一个蜂巢式单元后，则将该蜂巢式单元的位置、方位、颜色、形状等信息存储在存储器中备用；

F、按照B所述分离出另一个单色的片段，重复C至F的操作过程，直到所有的单色片段均被处理完毕。

7、根据权利要求1所述的构造二维实体图形的方法，其特征在于用于输出所述蜂巢式单元构成的所述输出图象的计算机与用于自动化地放置和固定实体蜂巢式单元的机械手相连接。

8、根据权利要求1所述的构造二维实体图形的方法，其特征在于所述拼接和绘制所述实体图形的步骤可由手工完成。

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