CN109741454A - 一种基于部件组合与变形的草图式三维卡通模型造型方法 - Google Patents

Abstract

一种基于部件组合与变形的草图式三维卡通模型造型方法，先构建一个三维卡通模型的部件库，在部件库中保存各个部件及其轮廓信息；在计算机屏幕上绘制一根封闭的二维草图轮廓线；将二维草图轮廓线与部件库中每个模型的轮廓线进行匹配，并按相似度进行排序；选择模型，在二维草图轮廓线的位置自动生成相应的三维模型；获得三维模型的轮廓线，将它转化为三次样条曲线；通过增加、删除和移动三次样条曲线的控制顶点改变曲线的形状，三维模型的形状会随曲线形状而改变，获得期望的三维部件模型。依次对卡通形象的各个部件进行造型，最终组合成一个完整的三维卡通模型。该方法使三维模型的设计更加智能、简便，能够快速地设计出三维模型。

Description

一种基于部件组合与变形的草图式三维卡通模型造型方法

技术领域

本发明涉及一种三维造型方法，特别涉及一种基于部件组合与变形的草图式三维卡通模型造型方法。

背景技术

三维造型是卡通形象设计中的一个重要工具。现有的三维造型方法一般是从一个简单的基本几何体如：球或立方体开始的，通过编辑三维模型的点、边、面等几何元素获得最终的三维模型。该方法操作比较复杂、对空间想象能力要求比较高。要掌握这种造型方法，需要大量的学习与培训。对新用户来说，是一项艰巨的挑战。

近年来，出现了一个草图式的造型方法。草图式造型方法通过绘制二维草图轮廓线，可以直接生成三维模型。该方法界面简单，操作方便，允许用户使用二维草图绘制三维模型，但难以创建复杂的三维模型。为了进一步提高造型的效率，专家学者们提出了一种部件组合的造型方法。这个方法可以通过部件检索和合成快速生成高度复杂的三维模型，但是将部件放置到合适的位置并调整部件的形状并非易事。

为了解决以上的问题，本发明结合草图式造型与部件组合的方法，采用草图勾勒部件的轮廓形状，从部件库中查询相似的模型，将选中的模型自动放置到合适的位置，并采用轮廓变形的方法，修改模型的形状，获得期望的三维模型，从而实现三维卡通模型的快速造型。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于部件组合与变形的草图式三维卡通模型的造型方法，实现智能、准确、快速的三维卡通模型设计。

为解决该技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于部件组合与变形的草图式三维卡通模型造型方法，包括以下步骤：

1)构建一个三维卡通模型的部件库，在部件库中保存各个部件及其轮廓信息；

2)用鼠标、绘图笔或手指在计算机屏幕上绘制一根封闭的二维草图轮廓线；

3)将二维草图轮廓线与部件库中每个模型的轮廓线进行匹配，并按相似度从高到低进行排序；

4)选择一个用户希望设计的模型，在二维草图轮廓线的位置自动生成相应的三维模型；

5)获得三维模型的轮廓线，将它转化为三次样条曲线；

6)通过增加、删除和移动三次样条曲线的控制顶点改变曲线的形状，三维模型的形状会随曲线形状而改变，获得期望的三维部件模型。

7)重复步骤2～6，依次对卡通形象的各个部件进行造型，最终组合成一个完整的三维卡通模型。

在步骤1)中，采用草图式造型方法，设计三维卡通模型的部件库。草图式造型方法参见发明专利(张东亮，王进，一种草图式输入的三维网格模型制作方法,授权号200910100503.5，2009)。

在步骤2)中，绘制一根封闭的二维草图轮廓线后，从二维草图轮廓线的起点开始，对二维草图轮廓线按顺序进行均匀取样，将二维草图轮廓线转化为多边形。二维草图轮廓线取样的长度设置为5～30个屏幕像素的大小。

在步骤3)中，模型匹配采用轮廓线匹配的方法。轮廓线形状匹配采用论文(Belongie SJ,Malik J,Puzicha J.Shape matching and object recognition usingshape contexts.IEEE Transactions on Pattern Analysis&MachineIntelligence.2002；24(4):509-522.)中的方法。

在步骤4)中，三维模型的大小、角度和位置将根据二维草图轮廓线的形状和位置自动确定。

在步骤5)中，由于部件库中模型的轮廓线是已知的，将选中的模型放置到合适的位置后，它的轮廓线可以被自动获得。由于轮廓线是由连续的折线组成的，可以将折线转化为三次样条曲线。将轮廓线转化为三次样条曲线，其目的是为了编辑轮廓线以便于改变三维模型的形状。所述三次样条曲线是用三次方程生成通过控制顶点的曲线。McKinlay,S.,Levine,M.,Cubic Spline Interpolation,Math45:Linear Algebra(McKinlay,S.,Levine,M.,三次样条曲线，线性方程)网址：http://online.redwoods.cc.ca.us/instruct/darnold/laproj/Fall98/SkyMeg/Proj.PDF.公开了该方法。

在步骤6)中，采用正均值坐标的方法实现轮廓线控制三维模型的变形。变形方法参见论文(Lipman Y,Kopf J,Cohen-Or D,Levin D.GPU-assisted positive mean valuecoordinates for mesh deformations.In:Eurographics Symposium on GeometryProcessing；2007July 4-6；Barcelona,Spain；Eurographics Symposium on GeometryProcessing,2007:117-123.)。当增加、删除或移动样条曲线的控制顶点时，三次样条曲线首先会被转化为多边形，然后，根据三维模型网格点的均值坐标与变形后的多边形计算三维模型网格点的位置，得到变形后的三维模型。

该发明可以应用于动漫卡通的三维模型设计。采用二维草图绘制的方法，通过部件组合和变形，可以快速设计出卡通形象的三维模型。与现有的技术相比，本发明的优势体现在如下两点：

1、根据本发明提出的基于部件组合的草图式三维造型方法，设计师通过鼠标、绘图笔或手指绘制一根封闭的二维草图轮廓线，根据二维草图轮廓线的形状自动搜索部件库，找出最相似的部件模型，然后进行组合生成三维模型。与现有的技术相比，该方法使三维模型的设计更加智能、简便，能够快速地设计出三维模型。

2、根据本发明提出的轮廓变形的三维造型方法，三维模型的轮廓线会自动转化为三次样条曲线，通过增加、删除和移动控制顶点可以任意改变样条曲线的形状，从而控制三维模型的形状。与现有的技术相比，提高了三维模型变形操作的灵活性，改进了三维模型的质量和精度。

附图说明

图1为三维卡通模型造型流程图。

图2为三维部件模型及其六个视图的轮廓线。

图3为封闭的二维草图轮廓线。

图4为模型搜索与匹配后获得的相似度较高的三维部件模型。

图5为放置到草图轮廓线位置的三维模型。

图6为用三次样条曲线表示的三维模型轮廓线。

图7为修改三次样条曲线时改变形状的三维模型。

图8为最终设计的完整的三维模型。

具体实施方式

一种基于部件组合与变形的草图式三维卡通模型造型方法，它的总体步骤参见图1。

步骤1:采用草图式造型方法，设计三维卡通模型的部件库。草图式造型方法参见发明专利(张东亮，王进，一种草图式输入的三维网格模型制作方法,授权号200910100503.5，2009)。设计一个部件的三维模型后，提取该模型的正视图、左视图、右视图、后视图、俯视图和仰视图等六个视图的二维边界轮廓线，参见图2，用于后续的三维模型搜索。获取模型的轮廓线采用以下步骤：

A)渲染三维模型，获得该模型的渲染图像。在渲染时，将三维模型放置在视图的中间，模型整体可见，并将背景设置为白色，将模型的颜色设置为黑色。

B)采用Canny图像边界提取方法获得三维模型的二维轮廓边界线。

C)对二维轮廓边界线进行整合处理，对轮廓线按顺序进行均匀取样，形成一根连续的轮廓线段，轮廓线段用折线表示。轮廓线取样的长度设置为5～30个屏幕像素的大小；

D)采用形状描述子(Shape descriptor)表示三维模型的二维轮廓线。形状描述子参见论文(Belongie SJ,Malik J,Puzicha J.Shape matching and object recognitionusing shape contexts.IEEE Transactions on Pattern Analysis&MachineIntelligence.2002；24(4):509-522.)。

E)用上述的方法，依次对于三维模型的六个视图进行处理，获得三维模型的六个视图对应的六条二维轮廓线。

F)将三维模型及其二维轮廓线的信息保存到部件库中。

步骤2:用鼠标、绘图笔或手指在计算机屏幕上绘制一根封闭的二维草图轮廓线，参见图3。从二维草图轮廓线的起点开始，对二维草图轮廓线按顺序进行均匀取样，将二维草图轮廓线转化为多边形。二维草图轮廓线取样的长度设置为5～30个屏幕像素的大小。

步骤3:将二维草图轮廓线与部件库中每个模型的轮廓线进行匹配，计算它们之间相似度，并按相似度从高到低进行排序。其步骤如下：

A.在形状匹配之前，二维草图轮廓线的大小将被归一化，即轮廓线包围盒的大小被设置为统一的尺寸，然后用形状描述子(shape descriptor)表示轮廓线。

B.采用形状匹配的方法比较二维草图轮廓线与部件库中每个模型各个视图的轮廓线的相似度。形状匹配的方法参见论文(Belongie SJ,Malik J,Puzicha J.Shapematching and object recognition using shape contexts.IEEE Transactions onPattern Analysis&Machine Intelligence.2002；24(4):509-522.)。在六个视图中，将轮廓线相似度最高的视图作为该模型最匹配的视图。在计算轮廓形状匹配时，记录匹配时的视图方向与轮廓线旋转角度。

C.按轮廓线相似度从高到低对所有的模型进行排序，将相似性高的模型按顺序显示出来，参见图4。

步骤4:从相似度高的模型中选择一个用户希望设计的模型，在二维草图轮廓线的位置自动生成相应的三维模型，参见图5。其步骤如下：

A.根据模型匹配时确定的视图方向与模型旋转角度，在轮廓线形状最匹配的视图方向，将三维模型旋转一定的角度；

B.计算二维草图轮廓线的包围盒与旋转角度后的三维模型的包围盒；

C.计算三维模型的包围盒与二维草图轮廓线包围盒大小的比例，将三维模型按比例进行缩放，使得两个包围盒大小相同，三维模型的大小随包围盒的大小同比例缩放；

D.将三维模型的中心位置移动到二维草图轮廓线中心的位置，三维模型的中心深度设置成其它模型的平均深度(如果不存在其它模型，三维模型的中心深度设置为草图轮廓线的深度)，这样就实现了三维模型位置的摆放。

步骤5：获得三维模型的轮廓线，将它转化为三次样条曲线，参见图6。由于部件库中模型的轮廓线是已知的，将选中的模型放置到合适的位置后，它的轮廓线可以被自动获得。由于轮廓线是由连续的折线组成的，可以将折线转化为三次样条曲线。将轮廓线拟合为三次样条曲线，其目的是为了编辑轮廓线以便于改变三维模型的形状。所述三次样条曲线是用三次方程生成通过控制顶点的曲线，使得二维轮廓线的边界光滑，并且形状便于编辑修改。McKinlay,S.,Levine,M.,Cubic Spline Interpolation,Math45:Linear Algebra(McKinlay,S.,Levine,M.,三次样条曲线，线性方程)网址：http://online.redwoods.cc.ca.us/instruct/darnold/laproj/Fall98/SkyMeg/Proj.PDF.公开了该方法。

步骤6：通过增加、删除和移动三次样条曲线的控制顶点改变曲线的形状，模型的形状会自动随曲线的形状而改变，参见图7，最终获得期望的三维部件模型。我们采用正均值坐标(Positive mean value coordinates)的方法实现轮廓线控制三维模型的变形。变形方法参见论文(Lipman Y,Kopf J,Cohen-Or D,Levin D.GPU-assisted positive meanvalue coordinates for mesh deformations.In:Eurographics Symposium on GeometryProcessing；2007July 4-6；Barcelona,Spain；Eurographics Symposium on GeometryProcessing,2007:117-123.)。在这个方法中，三维模型网格点的均值坐标是根据初始轮廓线的控制点坐标计算出来的。当增加、删除或移动样条曲线的控制顶点时，样条曲线首先会被转化为多边形。该多边形与模型初始轮廓线多边形是对应的，其顶点数目也相同。然后，根据三维模型网格点的均值坐标与变形后的多边形计算三维模型网格点的位置，得到变形后的三维模型。

步骤7：重复步骤2～6，依次对卡通形象的各个部件进行造型，最终组合成一个完整的三维卡通模型，参见图8。

该实施例利用三维卡通模型部件库，采用草图绘制的方法，自动匹配最相似的部件模型，将模型放到草图绘制的位置，最后采用交互的方式，通过轮廓变形的方法修改模型的形状，设计出期望的三维模型。该方法具有操作简单、造型速度快、精度高的特点。

Claims (7)

1.一种基于部件组合与变形的草图式三维卡通模型造型方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)构建一个三维卡通模型的部件库，在部件库中保存各个部件及其轮廓信息；

2)用鼠标、绘图笔或手指在计算机屏幕上绘制一根封闭的二维草图轮廓线；

3)将二维草图轮廓线与部件库中每个模型的轮廓线进行匹配，并按相似度进行排序；

4)选择一个用户希望设计的模型，在二维草图轮廓线的位置自动生成相应的三维模型；

5)获得三维模型的轮廓线，将它转化为三次样条曲线；

6)通过增加、删除和移动三次样条曲线的控制顶点改变曲线的形状，三维模型的形状会随曲线形状而改变，获得期望的三维部件模型；

7)重复步骤2～6，依次对卡通形象的各个部件进行造型，最终组合成一个完整的三维卡通模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤1)中，采用草图式造型方法，设计三维卡通模型的部件库，设计一个部件的三维模型后，提取该模型的正视图、左视图、右视图、后视图、俯视图和仰视图等六个视图的二维边界轮廓线，用于后续的三维模型搜索，然后对二维轮廓边界线进行整合处理，对轮廓线按顺序进行均匀取样，形成一根连续的轮廓线段，轮廓线段用折线表示，同时，采用形状描述子表示二维轮廓线，依次处理三维模型的六个视图，获得各个视图对应的二维轮廓线，最后，将三维模型及其二维轮廓线的信息保存到部件库中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤2)中绘制一根封闭的二维草图轮廓线后，从二维草图轮廓线的起点开始，对二维草图轮廓线按顺序进行均匀取样，将二维草图轮廓线转化为多边形。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤3)中，模型匹配采用轮廓线匹配的方法，对于每个模型，依次比较六个视图的轮廓线，并将轮廓线相似度最高的视图作为该模型最匹配的视图。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤4)中，三维模型的大小、角度和位置将根据二维草图轮廓线的形状和位置自动确定。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤5)中，由于部件库中模型的轮廓线是已知的，将选中的模型放置到合适的位置后，它的轮廓线可以被自动获得，由于轮廓线是由连续的折线组成的，可以将折线转化为三次样条曲线，将轮廓线转化为三次样条曲线的目的是为了编辑轮廓线以便于改变三维模型的形状，所述三次样条曲线是用三次方程生成通过控制顶点的曲线。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤6)中，采用正均值坐标的方法实现轮廓线控制三维模型的变形，当增加、删除或移动样条曲线的控制顶点时，三次样条曲线首先会被转化为多边形，然后，根据三维模型网格点的均值坐标与变形后的多边形计算三维模型网格点的位置，得到变形后的三维模型。