CN110660132A - 一种三维模型构建方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维模型构建方法，包括以下步骤：存储步骤：录入三维模型的基础数据，并采用模型骨架算法计算出三维模型的模型骨架，并予以存储；获取三维模型的表面特征并予以存储；拆分步骤：采用谱系聚类算法对所述存储的带有模型骨架的三维模型进行拆分，以获得带有模型骨架的三维模型单元；组合步骤：提取带有模型骨架的三维模型单元，并采用线条拟合获得组合的三维模型；表面处理步骤：提取存储的表面特征装涂映射至所述组合的三维模型上，以实现三维模型的构建。本发明还提供了一种三维模型构建装置，通过上述方案，本发明具有逻辑简单、构建操作简便等优点，在三维建模技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种三维模型构建方法及其装置

技术领域

本发明涉及三维建模技术领域，尤其是一种三维模型构建方法及其装置。

背景技术

三维模型，是物体的多边形表示，通常用计算机或者其它视频设备进行显示，显示的物体可以是现实世界的实物，也可以是虚拟的物体，任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。

目前，国内外还未有同类型三维模型数据库，且三维模型网站相对较多，消费者可在网站上购买三维模型图纸；若消费者想要实现三维模型的在加工只能通过CAD等工程软件进行，但是，利用CAD等工程软件加工三维图纸不仅仅需要以三维建模知识作为支撑还需要丰富的绘图经验，这是大多数消费者不能具备的条件。

总所周知，三维模型检索技术、三维模型分割技术已经相对较成熟；其中，三维模型的分割最早可追溯到1999年，Vincent等人将用于二维模型图像处理中的分水岭算法推广到三维模型网格分割中。针对非刚性模型的复杂性，三维网格分割办法大致可分为三种：第一种，单独依靠局部几何特征，比如Falcidieno等人按照曲率相近的原则，其将网格曲面分为凹面片、凸面片、双面角等模型局部特征。第二种，借助先检验样本分割三维形状；而这两种方法都有其对应的优缺点。第三种，是现今国内外研究的重点也就是基于扩散几何距离作为几何特征用于非钢体三维网络模型的分割技术。另外，借助样本学习的分割方法对在三维模型分割领域占据一席之地。另外，三维模型组装技术主要以三维制图软件中线条，采用属性点的拟合为主，该技术相对较为成熟但也相对较为简单。

因此，急需要提出一种逻辑简单、构建操作简便的三维模型构建方法及其装置。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种三维模型构建方法及其装置，本发明采用的技术方案如下：

一种三维模型构建方法，包括以下步骤：

存储步骤：录入三维模型的基础数据，并采用模型骨架算法计算出三维模型的模型骨架，并予以存储；获取三维模型的表面特征并予以存储；

拆分步骤：采用谱系聚类算法对所述存储的带有模型骨架的三维模型进行拆分，以获得带有模型骨架的三维模型单元；

组合步骤：提取带有模型骨架的三维模型单元，并采用线条拟合获得组合的三维模型；

表面处理步骤：提取存储的表面特征装涂映射至所述组合的三维模型上，以实现三维模型的构建。

进一步地，所述三维模型构建方法，还包括根据形态学更改所述模型骨架的形态。

更进一步地，所述三维模型构建方法，还包括采用基于骨架模型和原始模型逆运算对所述形态更改的模型骨架进行处理，以获得形态改变后的三维模型。

进一步地，所述组合步骤中，修改三维模型单元的三维尺寸，采用边界曲线拟合待组合的三维模型单元，以获得组合的三维模型。

进一步地，所述三维模型构建方法，还包括获取模型骨架的形态，并提取带有模型骨架的三维模型单元。

一种三维模型构建装置，包括：

存储单元，用于存储模型骨架、带有模型骨架的三维模型单元和三维模型的表面特征；

拆分单元，与存储单元连接，用于获取存储单元内的带有模型骨架的三维模型，并采用系聚类算法对带有模型骨架的三维模型进行拆分，以获得带有模型骨架的三维模型单元；

组合单元，获取带有模型骨架的三维模型单元，并选择模型骨架的形态，采用边界曲线拟合待组合的三维模型单元，以获得组合的三维模型；

表面处理单元，获取存储单元存储的三维模型的表面特征，并对所述组合的三维模型进行映射，以实现三维模型的构建。

进一步地，所述三维模型构建装置，还包括对接输出单元，用于获取构建的三维模型，并予以输出。

一种三维模型构建存储数据库，包括：

存储单元，用于存储模型骨架、带有模型骨架的三维模型单元和三维模型的表面特征。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明巧妙地采用模型骨架算法计算出维模型的模型骨架，获取三维模型的表面特征，并予以存储；由于骨架模型是二维模型在三维模型空间的相对位置不变，即可用二维骨架模型的位置描述三维模型的空间位置即在进行模型的组装的时候模型骨架模型的拟合即可代表三维模型的组装。如此便可以避免在三维模型上选取属性点在进行组合的模式，极大的减少三维模型的组装，并且提高模型的组合的准确性。

(2)本发明采用谱系系聚类算法对带有模型骨架的三维模型进行拆分，在聚类过程中，类心不断变化，但是特征矢量一旦划分到统一聚类中，就不会在分开。聚类过程可以表示为一个树图。最后按1个类到N个类进行谱系分解，得到指定类数的分割结果。相比于K均值聚类分割的动态聚类在准函数在聚类数量增加的过程中，分布云点可能会再次分开，因此聚类数目K的值为最优的类数。在去没有显著点的前提下，合理的聚类数目只能利用先验知识来确定。所以选择谱系聚类分割相较于聚类分割较为简便。

(3)本发明根据形态学改变三维模型的骨架模型，其好处在于：能实现模型的多样化并且在消费者使用该软件时候能有更多的选择，同时也减少外录入模型的数量，并且实现该软件对模型的再创作。

(4)本发明采用边界曲线拟合方式组合三维模型单元，其中，对于动植物三维模型而言本身三维模型边界很平滑，并没有出现直角边等小角度边界，所以在动植物等没有很尖锐边界的三维模型，在使用三维模型组装过程中也不应当出现尖锐边界，故在模型进行组装后使组件模型边界曲线和主体模型边界曲线相拟合。对于建筑刀具等具有尖锐边界曲线的模型在组装过程中也可以不使边界曲线拟合。

综上所述，本发明具有逻辑简单、构建操作简便等优点，在三维建模技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种三维模型构建方法及其装置，该装置包括用于存储模型骨架、带有模型骨架的三维模型单元和三维模型的表面特征的存储单元，与存储单元连接、用于获取存储单元内的带有模型骨架的三维模型、并采用系聚类算法对带有模型骨架的三维模型进行拆分、以获得带有模型骨架的三维模型单元的拆分单元，获取带有模型骨架的三维模型单元、并选择模型骨架的形态、采用边界曲线拟合待组合的三维模型单元、以获得组合的三维模型的组合单元，获取存储单元存储的三维模型的表面特征、并对所述组合的三维模型进行映射、以实现三维模型的构建的表面处理单元，以及用于获取构建的三维模型并予以输出的对接输出单元。另外，本实施例还提供了一种三维模型构建存储数据库，其为用于存储模型骨架、带有模型骨架的三维模型单元和三维模型的表面特征的存储单元。

在本实施例中，存储单元与CAD、3DMAX、Pro-e等主流3D制图工程软件进行连接作为存储媒介，并根据认知科学对模型编辑关键词汇。该存储单元采用骨架提方法。即：一个定义在模型表面的连续标量函数μ(γ)为三维模型构造了一个二维的图形RG(Reeb Graph)描述符，RG不仅仅可以描述模型的特征，还可以描述模型的特征，同时还描述了图形的拓扑关系。将三维模图形的RG图，对该RG进行不同间距的分割，获得一个多分辨率的MRG。设置合适的额分辨率得到一定由一定节点和连接节点的拓扑直线，这个方法无论对模型的全局还是局部匹配都适用，而且通过选择合适的函数构造速度ReebGraph具有平移、旋转不定性，对于模型的简化、子分、网格重构等引起的联通改变是鲁棒的，对模型变形引起的变化，噪音并不敏感。

本实施的存储单元在存储动物类等具有非刚性运动类模型，如狮子等动物的模型先按照上所示选择骨架提取法提取出骨架后，根据运动科学，科学常识对模型骨架进行体态改变，如卧姿，运动等体态进行改变后，使用逆运算回复为体态改变的原模型，对于模型表面折叠的地方可直接使相交的直线拟合，内部空洞直接删去即可。

另外，本实施例的拆分单元将带有骨架的模型使用，刚体模块使用谱系聚类分割对于待分割的三维点云模型，其面片重心位置的矢量集合为{x1,x2,…xn},

表示第k次合并时的第i类。首先，视N个片面重心位置自成为一类，即，使用平均距离法生成了对称的各类欧式矩阵Dk＝[Dij]mxm,其中m为当前的类的数目；假设距离矩阵最小元素为Dij，它是类

和之间的距离，将这两类合并；产生性的聚类

重复上述过程，直到类的数目等于1。如果某次循环中，具有最小类间距的类最对于多了一个，则这些类对同时合并。

本实施例的聚类算法一般将类间距离域值或者预定的类的数目作为循环终止终止条件。对于一般三维模型来说，其聚类数目不会超过10，可设置8为循环终止条件。

由内间距离定义不同，聚类过程和结果不同。最近距离算法、最远距离算法、平均距离算法、离差平方和法等定义的内间距离，都具有单调不减性。重心法定义的内间距离则没有这个性质。故此，选择平均距离法定义內间距离。聚类过程可表示成为一个树图。我们最后按照谱系聚类的树图，按一个类到N各类进行谱系分解，得到指定类数的分割结果。也可以使用。

与此同时，本实施例的组合单元，先将上一步拆分的模型拆分面标记并标记组件，模型主体各个拆分面的边界曲线，骨架节点进行额外标记。在消费者选择完主体模型后可选择更改拆分模型的一部分组件也可以选择加上另一部分组件只要使两模型的骨架节点连接在一起即可。

两模型的接触模型骨架节点拟合后，根据拆分单元标记的平面的边界曲线，以保持主体模型不变原则使组件模型曲线与主体模型曲线向拟合。

完成模型的初步组装后选择装涂，使用UE映射到组装单元模型

装涂的覆盖面积由UE映射到模型曲面上在由骨架节点逆运算在模型表面标记一定属性点，消费者可选择覆盖到某一属性点；或者全部覆盖。(注：毛发，衣服等都使用UE映射)

在完成全部模型的组装后，交由3D打印专用分层软件Cura、XBulilder、分层后交于系统后台，联系厂家制作，或者直接将模型具体参数卖给消费者。

下面简要说明本装置的构建过程：

第一，存储步骤：录入三维模型的基础数据，并采用模型骨架算法计算出三维模型的模型骨架，并予以存储；获取三维模型的表面特征并予以存储；

第二，拆分步骤：采用谱系聚类算法对所述存储的带有模型骨架的三维模型进行拆分，以获得带有模型骨架的三维模型单元；在拆分后，根据形态学更改所述模型骨架的形态；

第三，组合步骤：提取带有模型骨架的三维模型单元，并采用线条拟合获得组合的三维模型；所述组合步骤中，修改三维模型单元的三维尺寸，采用边界曲线拟合待组合的三维模型单元，以获得组合的三维模型。另外，在组合过程中，获取模型骨架的形态，并提取带有模型骨架的三维模型单元。

第四，表面处理步骤：提取存储的表面特征装涂映射至所述组合的三维模型上，以实现三维模型的构建。

另外，本实施例还可以采用基于骨架模型和原始模型逆运算对所述形态更改的模型骨架进行处理，以获得形态改变后的三维模型。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三维模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

存储步骤：录入三维模型的基础数据，并采用模型骨架算法计算出三维模型的模型骨架，并予以存储；获取三维模型的表面特征并予以存储；

拆分步骤：采用谱系聚类算法对所述存储的带有模型骨架的三维模型进行拆分，以获得带有模型骨架的三维模型单元；

组合步骤：提取带有模型骨架的三维模型单元，并采用线条拟合获得组合的三维模型；

表面处理步骤：提取存储的表面特征装涂映射至所述组合的三维模型上，以实现三维模型的构建。

2.根据权利要求1所述的一种三维模型构建方法，其特征在于，还包括根据形态学更改所述模型骨架的形态。

3.根据权利要求2所述的一种三维模型构建方法，其特征在于，还包括采用基于骨架模型和原始模型逆运算对所述形态更改的模型骨架进行处理，以获得形态改变后的三维模型。

4.根据权利要求1所述的一种三维模型构建方法，其特征在于，所述组合步骤中，修改三维模型单元的三维尺寸，采用边界曲线拟合待组合的三维模型单元，以获得组合的三维模型。

5.根据权利要求2所述的一种三维模型构建方法，其特征在于，所述组合步骤中，还包括获取模型骨架的形态，并提取带有模型骨架的三维模型单元。

6.一种三维模型构建装置，其特征在于，包括：

存储单元，用于存储模型骨架、带有模型骨架的三维模型单元和三维模型的表面特征；

拆分单元，与存储单元连接，用于获取存储单元内的带有模型骨架的三维模型，并采用系聚类算法对带有模型骨架的三维模型进行拆分，以获得带有模型骨架的三维模型单元；

组合单元，获取带有模型骨架的三维模型单元，并选择模型骨架的形态，采用边界曲线拟合待组合的三维模型单元，以获得组合的三维模型；

表面处理单元，获取存储单元存储的三维模型的表面特征，并对所述组合的三维模型进行映射，以实现三维模型的构建。

7.根据权利要求6所述的一种三维模型构建装置，其特征在于，还包括对接输出单元，用于获取构建的三维模型，并予以输出。

8.一种三维模型构建存储数据库，其特征在于，包括：

存储单元，用于存储模型骨架、带有模型骨架的三维模型单元和三维模型的表面特征。

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