CN111612874A - 一种用于绘制复杂模型的3d画板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机图形处理与人机交互领域，具体涉及一种用于绘制复杂模型的3D画板，包括构建3D空间、2D画板；在2D画板中用鼠标绘制图案，根据2D画板中的作图点结合深度值T将2D画板中的作图轨迹映射到3D空间中；选取最接近的3D部件；基于选中的3D部件添加新3D部件等步骤。跟现有方法相比，本发明的用于绘制复杂模型的3D画板可以直接在3D空间中绘制完整的模型，解决了需要解读2D图像转换3D模型时不精确、不直接的棘手问题；由于构建的空间可在用户绘制的过程中灵活变化(包括旋转、平移、缩放)，可实现在2D平面直接作图无法构造的复杂模型绘制任务。

Description

一种用于绘制复杂模型的3D画板

技术领域

本发明涉及计算机图形处理与人机交互领域，具体涉及一种用于绘制复杂模型的3D画板。

背景技术

手绘3D建模是计算机图形学研究的热点之一，也是虚拟现实的重要组成部分。由于设备的限制导致手绘作图门槛较高，手绘后期的处理要使用计算机解读手绘含义而使的实际结果与真实表达无法精确匹配，而手绘图案由于在2D画板作图，不具备3D特性，使得2D向3D投影的过程需要推断，无法为渲染3D模型寻找到一个通用的生成方法。因此手绘3D建模一直都是计算机图形学中一个具有挑战性的课题。

目前手绘解读过程中，往往是使用标签法和机器学习算法生成3D模型，例如香港大学的Li等使用不同颜色的画笔标注凹凸来拓展2D模型，Han等使用不同注释的图案迭代修改细节信息结合机器学习处理卡通3D面部模型，虽然能够获得较精细的3D模型，但是他们的方法都只处理了正面的图像，而且过程中也是基于解读生成的，并不是严格的推断。

发明内容

针对上述方法存在的问题，本发明设计了用于绘制复杂模型的3D画板，通过鼠标在2D画板作图，结合空间的变换，直接绘制复杂的3D模型，并利用拾取算法以及匹配算法添加新部件，解决了在3D空间中部件与部件的连接问题。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种用于绘制复杂模型的3D画板，包括如下步骤：

1)构建一个3D空间(X、Y、Z)，具有多轴旋转、平移、缩放、多视角操作功能；

2)构建一个2D画板(M、N)，具有支持鼠标绘制图案功能，可主动完成图像优化；

3)在2D画板中用鼠标绘制图案，根据2D画板中的作图点结合深度值T将2D画板中的作图轨迹映射到3D空间中，将每一次在3D空间留下的轨迹记录成一个3D部件；

4)在2D画板中用鼠标右击图案，通过匹配在已保存的3D部件中选取最接近的3D部件，并标注显示在2D画板中；

5)基于选中的3D部件添加新3D部件，新3D部件要求与已选中3D部件处于连接关系，即通过匹配算法改变默认作图深度值，并完成复杂模型作图，使新3D部件与选中3D部件在3D空间中处于真实连接关系；

6)修改新3D部件与选中3D部件的连接部分，使之更加真实，即删除过度绘制导致部件之间发生穿透的多余点。

进一步地，上述步骤2)中的图像优化过程包括提取信息点、曲线拟合、交互形变、填充，其中曲线拟合包括如下步骤：

2.1)将鼠标在2D画板中绘制的轨迹存储在数据集中；

2.2)遍历数据集中所有的点，分析权重值，权重值定义为：

对于当前分析的点r，权重值(W_r)的有效半径(R)初始值根据绘制笔迹距离总长度设置，对于有效半径范围内所有的点，w_i代表第i个点的质量,d_i是第i个点到点r的直线距离,σ_r代表覆盖所有这些点所需要的角度；

2.3)使用递归算法，按照权重值高低排序数据集中所有的点；

2.4)根据预先的数量设置，分别保存步骤2.3)序列中排名靠前的点，形成信息点集；

2.5)利用步骤2.2)中的权重值，运用优化的NURBS算法，将信息点集转化为曲线方程，优化公式为：

其中，这里的R_i替换为步骤2.2)中保存的权重值，其余值按照NURBS标准方程设置；

2.6)根据步骤2.5)优化后的NURBS方程，绘制曲线，用户预览曲线，并主动判定是否保存，保存则转步骤2.7)，否则重新设置数量，返回步骤2.4)；

2.7)鼠标绘制图案优化过程结束，得到图案曲线方程。

进一步地，上述步骤3)中，2D画板结合3D空间操作完成作图包括如下步骤：

3.1)在2D画板中使用鼠标绘制图案，根据作图深度T值，结合画板坐标(M、N)，存储为3D点；

3.2)绘制图案的同时，变动3D空间，变动方式可为旋转、平移、缩放；

3.3)通过坐标转化，将3D空间中已保存的3D点，投影至2D画板，画板图案刷新；

3.4)重复步骤3.1)、3.2)、3.3)直至完成作图任务，得到复杂模型的3D轨迹；

3.5)根据步骤2)的图像优化过程，将3D轨迹优化为3D信息点集。

进一步地，上述步骤5)中，改变默认作图深度值匹配算法包括如下步骤：

5.1)在2D画板中绘制新图案，记录第一个有效点P；

5.2)将被选中部件的所有3D信息点投影至2D画板，遍历这些2D投影信息点，分别计算到点P的直线距离；

5.3)选取距离最小值对应的3D信息点，记录该信息点当前深度值T；

5.4)基于步骤5.3)中的深度值T按照步骤3)完成新图案的作图；

5.5)改变默认作图深度值匹配算法结束，得到一个基于深度T绘制的3D部件。

跟现有方法相比，本发明的用于绘制复杂模型的3D画板可以直接在3D空间中绘制完整的模型，解决了需要解读2D图像转换3D模型时不精确、不直接的棘手问题；再者，由于构建的空间可在用户绘制的过程中灵活变化(包括旋转、平移、缩放)，可实现在2D平面直接作图无法构造的复杂模型绘制任务。

附图说明

图1为本发明的设计流程图。

图2为绘制单个复杂模型部件的示意图。

图3为步骤2)中轨迹优化的示意图。

图4为步骤4)中选中部件时不同信息点拥有不同深度值的示意图。

图5为步骤5)中更改默认深度和不更改默认深度影响3D模型真实感的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步描述。

如图1所示为本发明的设计流程图，主要包括以下步骤：

1)构造3D空间(X、Y、Z)，该空间要求可灵活调整，例如平移、缩放、旋转等，用户可以在绘制的过程中随时调整空间，以满足复杂模型的构建；

2)构造2D画板(M、N),此画板支持鼠标绘制图案，并自动完成绘制图案优化操作,优化内容包括：提取信息点(即去噪点)、曲线拟合、形变、填充等；其中曲线拟合过程包括如下步骤：

2.1)将鼠标在2D画板中绘制的轨迹存储在数据集中；

2.2)遍历数据集中所有的点，分析权重值，权重值定义为：

对于当前分析的点r，权重值(W_r)的有效半径(R)初始值根据绘制笔迹距离总长度设置，作为本发明的优选实施例，权重值(W_r)的有效半径(R)初始值优选为绘制笔迹距离总长度的

用户可调整的范围为

对于有效半径范围内所有的点，w_i代表第i个点的质量,d_i是第i个点到点r的直线距离,σ_r代表覆盖所有这些点所需要的角度。如图2所示，有效半径内的点越多，覆盖这些点的角度σ越小，则权重值越大；

2.3)使用递归算法，按照权重值高低排序数据集中所有的点；

2.4)根据预先的数量设置，作为本发明的优选实施例，数量设置初始值可设为10，用户可设定[3，30]的取值范围，分别保存步骤2.3)序列中排名靠前的点，形成信息点集；

2.5)利用步骤2.2)计算出来的权重，引用并优化NURBS算法，以适用带权重的曲线拟合，具体公式为：

其中P(K)为曲线上的位置向量，N_i,m(K)为m次样条基函数，其递推公式定义为：

P_i为控制点，即步骤2.4)中生成的信息点，R_i为权因子，即步骤2.2)中保存的权重值，不同的权重值具有不同的引力，会影响最终的拟合曲线，K为节点矢量；

2.6)根据步骤2.5)优化后的NURBS方程，绘制曲线，用户预览曲线，并主动判定是否保存，保存则转步骤2.7)，否则重新设置数量，返回步骤2.4)；

2.7)鼠标绘制图案优化过程结束，得到图案曲线方程。

3)在2D画板中用鼠标绘制图案，根据2D画板中的作图点结合深度值T将2D画板中的作图轨迹映射到3D空间中，将每一次在3D空间留下的轨迹记录成一个3D部件。由于作图工具的限制，保存在2D画板中的轨迹往往是存在不均匀、不圆滑的粗糙点云。如图3所示，2D画板支持3D空间的变动的同时作图，具体实现步骤如下：

3.1)在2D画板中使用鼠标绘制图案，根据作图深度T值(默认为0)，结合画板坐标(M、N)，存储为3D点；

3.2)绘制图案的同时，变动3D空间，变动方式可为旋转、平移、缩放；

3.3)通过坐标转化，将3D空间中已保存的3D点，投影至2D画板，画板图案刷新；

3.4)重复步骤3.1)、3.2)、3.3)直至完成作图任务，得到复杂模型的3D轨迹；

3.5)根据步骤2)的图像优化过程，将3D轨迹优化为3D信息点集。

4)在2D画板中用鼠标右击图案，通过匹配在已保存的3D部件中选取最接近的3D部件，并标注显示在2D画板中；对于需要添加新部件至已有部件的绘图要求，需要先选择3D空间中的已有部件，具体步骤为：

4.1)通过鼠标右击2D画板选择图像；

4.2)将右击鼠标点投影至3D空间中，记录该直线方程；

4.3)计算各部件到该直线方程的距离；

4.4)考虑最短距离以及遮挡关系判定被选择的部件，并高亮显示，

4.5)选择3D空间中已有部件过程结束，鼠标右击的部件被选中。

5)基于选中的3D部件添加新3D部件，新3D部件要求与已选中3D部件处于连接关系，即通过匹配算法改变默认作图深度值，并完成复杂模型作图，使新3D部件与选中3D部件在3D空间中处于真实连接关系。如图4所示，基于选中的3D部件添加新3D部件，需要确定新3D部件的作图深度，通过匹配算法改变默认作图深度值，具体步骤如下：

5.1)在2D画板中绘制新图案，记录第一个有效点P；

5.2)将被选中部件的所有3D信息点投影至2D画板，遍历这些2D投影信息点，分别计算到点P的直线距离；

5.3)选取距离最小值对应的3D信息点，记录该信息点当前深度值T；

5.4)基于步骤5.3)中的深度值T按照步骤3)完成新图案的作图；

5.5)改变默认作图深度值匹配算法结束，得到一个基于深度T绘制的3D部件。如图5所示，如果不匹配深度值直接在默认深度作图将会影响真实感。

6)修改新3D部件与选中3D部件的连接部分，使之更加真实，即删除过度绘制导致部件之间发生穿透的多余点。由于受制于作图工具以及作图专业要求，整体模型可能会出现不符合自然规律以及物理受力的情况，例如部件与部件之间的穿透或者本应作为连接整体的部件出现断裂等，程序提供选取调整功能来消除这些影响以都达到更具真实感的目的。

Claims (4)

1.一种用于绘制复杂模型的3D画板，其特征在于，包括如下步骤：

1)构建一个3D空间(X、Y、Z)，具有多轴旋转、平移、缩放、多视角操作功能；

2)构建一个2D画板(M、N)，具有支持鼠标绘制图案功能，可主动完成图像优化；

3)在2D画板中用鼠标绘制图案，根据2D画板中的作图点结合深度值T将2D画板中的作图轨迹映射到3D空间中，将每一次在3D空间留下的轨迹记录成一个3D部件；

4)在2D画板中用鼠标右击图案，通过匹配在已保存的3D部件中选取最接近的3D部件，并标注显示在2D画板中；

5)基于选中的3D部件添加新3D部件，新3D部件要求与已选中3D部件处于连接关系，即通过匹配算法改变默认作图深度值，并完成复杂模型作图，使新3D部件与选中3D部件在3D空间中处于真实连接关系；

6)修改新3D部件与选中3D部件的连接部分，使之更加真实，即删除过度绘制导致部件之间发生穿透的多余点。

2.如权利要求1所述的用于绘制复杂模型的3D画板，其特征在于，所述步骤2)中的图像优化过程包括提取信息点、曲线拟合、交互形变、填充，其中曲线拟合包括如下步骤：

2.1)将鼠标在2D画板中绘制的轨迹存储在数据集中；

2.2)遍历数据集中所有的点，分析权重值，权重值定义为：

对于当前分析的点r，权重值(W_r)的有效半径(R)初始值根据绘制笔迹距离总长度设置，对于有效半径范围内所有的点，w_i代表第i个点的质量,d_i是第i个点到点r的直线距离,σ_r代表覆盖所有这些点所需要的角度；

2.3)使用递归算法，按照权重值高低排序数据集中所有的点；

2.4)根据预先的数量设置，分别保存步骤2.3)序列中排名靠前的点，形成信息点集；

2.5)利用步骤2.2)中的权重值，运用优化的NURBS算法，将信息点集转化为曲线方程，优化公式为：

其中，这里的R_i替换为步骤2.2)中保存的权重值，其余值按照NURBS标准方程设置；

2.6)根据步骤2.5)优化后的NURBS方程，绘制曲线，用户预览曲线，并主动判定是否保存，保存则转步骤2.7)，否则重新设置数量，返回步骤2.4)；

2.7)鼠标绘制图案优化过程结束，得到图案曲线方程。

3.如权利要求1所述的用于绘制复杂模型的3D画板，其特征在于，所述步骤3)中，2D画板结合3D空间操作完成作图包括如下步骤：

3.1)在2D画板中使用鼠标绘制图案，根据作图深度T值，结合画板坐标(M、N)，存储为3D点；

3.2)绘制图案的同时，变动3D空间，变动方式可为旋转、平移、缩放；

3.3)通过坐标转化，将3D空间中已保存的3D点，投影至2D画板，画板图案刷新；

3.4)重复步骤3.1)、3.2)、3.3)直至完成作图任务，得到复杂模型的3D轨迹；

3.5)根据步骤2)的图像优化过程，将3D轨迹优化为3D信息点集。

4.如权利要求1所述的用于绘制复杂模型的3D画板，其特征在于，所述步骤5)中，改变默认作图深度值匹配算法包括如下步骤：

5.1)在2D画板中绘制新图案，记录第一个有效点P；

5.2)将被选中部件的所有3D信息点投影至2D画板，遍历这些2D投影信息点，分别计算到点P的直线距离；

5.3)选取距离最小值对应的3D信息点，记录该信息点当前深度值T；

5.4)基于步骤5.3)中的深度值T按照步骤3)完成新图案的作图；

5.5)改变默认作图深度值匹配算法结束，得到一个基于深度T绘制的3D部件。

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