CN113112608A - 一种从物体图形自动建立三维模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种从物体图形自动建立三维模型的方法，包括：步骤S1：建立目标物体的三维坐标，选取所述目标物体的多个视角；在各个视角，对目标物体进行拍摄，根据拍摄的原始深度图像和对应的原始彩色图像，生成目标物体的深度图像；步骤S2：对每个视角的深度图像进行格栅化取点，生成当前视角下的深度点位数组；步骤S3：把所述目标物体的多个视角下的深度点位数组，进行拟合，生成三维点云数据；步骤S4：将三维点云数据生成网格，经渲染生成目标物体的三维模型。以提高三维建模的速度，降低三维建模的成本。本发明从目标物体的彩色图像和深度图像中自动生成目标物体的几何模型，可加快建模速度，减少3D建模的成本。
Description
技术领域
本发明涉及数字化建模领域，尤其涉及一种从物体图形自动建立三维模型的方法。
背景技术
近几年3D数字建模在工业互联网得到广泛应用，3D模型能够直观展现矿山、厂房、工业设备、物料等的真实情况，很好地支撑了监控指挥、资产管理、生产管理等多个工业信息化系统的功能。
但是3D模型，或者数字工厂，需要完成真实物体3D模型的建立。
现在的3D建模方法，主要是通过3Dmax等工具软件，把物体的多个图片和360度图像，以及尺寸图等素材导入到3Dmax或其他工具中，进行转换得到模型雏形，然后通过人工编辑得到最终的3D模型。
构建3D模型主要可以通过三维制作软件、扫描仪器生成、平面图像渲染三种方式进行，一个3D模型文件，主要包括的就是“网格(材质、动画)”和“贴图”两个部分。传统3D建模流程整体可概括为四步：
第一步，建立几何模型
市面上有许多优秀建模软件，比较知名的如3DMAX、ArcGIS、Maya及AutoCAD等等，通常它们都会提供一些基本的几何元素，如立方体、球体等，再通过一系列几何操作(平移、旋转、拉伸等)，来构建复杂的几何场景。
第二步，效果编辑
一般制作普通3D模型，都考虑用最少的面表现最好的效果。依次给模型添加适当的材质纹理、进行展UV，辅助上颜色、法线等各类贴图、创建灯光效果，来使模型变得更精细更逼真，设置好动画，最后渲染导出。
第三步，可视化与发布
导出模型与贴图素材后，最后一步就是模型的可视化展示、正式发布，而这一步对于创作模型后产生它的价值，也是最重要的。
第四步，模型处理
建模师们会寻找许多工具，来对3D模型进行减面、展UV、烘焙、格式转换等各项处理，目的都是为了使模型变小，同时不破坏本身效果，还能快捷地展示出来。
现有的3D建模方法有如下缺点：
1.第一步建立几何模型太慢，几乎全部靠人工，从图形和图像中自动或半自动生成几何模型很少，偏差较大。
2.现有的3D模型重用性不高，模型之间的匹配对照需通过人工进行。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种从物体图形自动建立三维模型的方法，可从目标物体图形中自动生成目标物体的几何模型，可加快建模速度，减少3D建模的成本。
为实现上述目的，本发明提供了一种从物体图形自动建立三维模型的方法，包括以下步骤：
步骤S1：建立目标物体的三维坐标，选取所述目标物体的多个视角；在各个视角，对目标物体进行拍摄，根据拍摄的原始深度图像和对应的原始彩色图像，生成目标物体的深度图像；
步骤S2：对每个视角的深度图像进行格栅化取点，生成当前视角下的深度点位数组；
步骤S3：把所述目标物体的多个视角下的深度点位数组，进行拟合，生成三维点云数据；
步骤S4：将三维点云数据生成网格，经渲染生成目标物体的三维模型。
进一步的，所述步骤S1的实现方法为：
步骤S11：建立目标物体的三维坐标，选取所述目标物体的多个视角；
步骤S12：获取目标物体在同一视角下的原始彩色图像和原始深度图像；
步骤S13：根据所述原始彩色图像提取目标物体的轮廓，采用所述轮廓对所述原始深度图像进行掩膜处理，获得目标物体的深度图像；
进一步的，所述步骤S12的实现方法为：
设置平面背景；将目标物体放置于所述背景前方，且所述目标物体与所述背景有一定的距离间隔；将彩色-深度相机垂直所述背景设置，获取目标物体在同一视角下的原始深度图像和原始彩色图像。
进一步的，所述步骤S13的实现方法为：
将所述原始彩色图像转换成灰度图；通过二阶高斯滤波函数对灰度图进行自适应阈值处理；对二值化的灰度图进行形态学闭操作，去除图像中微小的无关元素；根据灰度图形态学闭操作的结果提取物体的轮廓。
进一步的，所述步骤S2的实现方法为：
在空间建立深度相机坐标系，以深度相机所在的空间位置为所述深度相机坐标系的坐标原点，以所述深度相机采集的深度图像上各像素的灰度值表示所述像素对应的点与所述坐标原点的距离，即以所述像素的灰度值表示所述像素对应的点的深度信息；
对每个视角的深度图像按设定的行像素间距和列像素间距进行格栅化，并在每个格栅内进行取点，将取样点的深度信息存入深度点位数组，所述深度点位数组的索引为取样点的行列位置信息。
进一步的，所述步骤S3的实现方法为：首先，在空间中建立参考坐标系；
其次，确定每个深度相机坐标系的坐标原点在所述参考坐标系中的坐标，及所述深度相机坐标系和所述参考坐标系三轴的对应关系；最后，根据所述深度相机坐标系的坐标原点在所述参考坐标系中的坐标，及所述深度相机坐标系和所述参考坐标系三轴的对应关系，进行坐标转换，计算得到每一个点云数据在参考坐标系Cw中的唯一坐标值，完成三维点云数据的归一化处理。
进一步的，所述步骤S4的实现方法包括：(1)将所述三维点云数据导入到建模软件中自动生成物体的三维模型；(2)抽取图像特征建立模型索引在模型库进行匹配搜索；(3)通过unity平台生成三维模型。
进一步的，所述步骤S4中的建模软件为AutoCAD、3DMAX、ArcGIS或Maya。
本发明的从物体图形自动建立三维模型的方法，从目标物体的彩色图像和深度图像中自动生成目标物体的几何模型，可加快建模速度，减少3D建模的成本。
附图说明
图1是本发明的从物体图形自动建立三维模型的方法的流程图；
图2是本发明的深度图像获取示例；
图3是本发明栅格化取点示例；
图4是本发明的点云网格化示例；
图5是本发明的三维模型渲染示例。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种从物体图形自动建立三维模型的方法，通过提取目标物体多个视角的深度图像，并进行拟合，生成三维点云数据，根据三维点云数据进行渲染，生成目标物体的三维模型。所述方法包括以下步骤：
步骤S1：建立目标物体的三维坐标，选取所述目标物体的多个视角；在各个视角，对目标物体进行拍摄，根据拍摄的原始深度图像和对应的原始彩色图像，生成目标物体的深度图像；
步骤S2：对每个视角的深度图像进行格栅化取点，生成当前视角下的深度点位数组；
步骤S3：把所述目标物体的多个视角下的深度点位数组，进行拟合，生成三维点云数据；
步骤S4：将三维点云数据生成网格，进而生成目标物体的三维模型。
图2-图5给出了本方法实施流程的一个示例，包括提取目标物体的深度图像、格栅化取点、从点云生成网格模型，及将网格模型渲染生成目标物体的三维模型。
在本实施例中，所述步骤S1的实现方法为：
步骤S11：建立目标物体的三维坐标，选取多个目标物体的多个视角；
步骤S12：获取目标物体在同一视角下的原始彩色图像和原始深度图像；
步骤S13：根据所述原始彩色图像提取目标物体的轮廓，采用所述轮廓对所述原始深度图像进行掩膜处理，获得目标物体的深度图像。
在步骤S11中，通常选取目标物体的正六面视图：正视图、左视图、右视图、后视图、顶视图、俯视图中的几个。
在本实施例中，所述步骤S12的实现方法为：设置平面背景；将目标物体放置于所述背景前方，且所述目标物体与所述背景有一定的距离间隔；将深度-彩色相机垂直所述背景设置，获取目标物体的深度图像和彩色图像。
在本实施例中，所述步骤S13的实现方法为：将所述原始彩色图像转换成灰度图；通过二阶高斯滤波函数对灰度图进行自适应阈值处理；对二值化的灰度图进行形态学闭操作，去除图像中微小的无关元素；根据灰度图形态学闭操作的结果获取物体的轮廓。由于背景和深度相机的距离一致，具有相同或相近的灰度，通过自适应阈值处理，可方便地将背景和物体分开，从而获得物体的轮廓。
在本实施例中，所述步骤S2的实现方法为：在空间建立深度相机坐标系，以深度相机的空间位置为深度相机坐标系的坐标原点Oc，以所述深度相机采集的深度图像上各像素的灰度值表示所述像素对应的点在以所述坐标原点Oc的距离，即以所述像素的灰度值表示所述像素对应的点的深度信息。若某区域内的深度值在两个维度内数值基本相同则进行平面点位抽取。对每个视角的深度图像按设定的行像素间距和列像素间距进行格栅化，并在每个格栅内进行取点，将取样点的深度信息存入深度点位数组，所述深度点位数组的索引为取样点的行列位置信息。
在本实施例中，所述步骤S3的实现方法为：
首先，在空间中建立参考坐标系Cw；
其次，确定每个深度相机坐标系的坐标原点Oc在参考坐标系Cw中的坐标Cc，及所述深度相机坐标系和参考坐标系Cw三轴的对应关系；
最后，根据所述深度相机坐标系的坐标原点Oc在参考坐标系Cw中的坐标Cc，及所述深度相机坐标系和参考坐标系Cw三轴的对应关系，进行坐标转换，计算得到每一个点云数据在参考坐标系Cw中的唯一坐标值，完成三维点云数据的归一化处理。
在具体应用时，步骤S4的实现方法通常采用以下几种方式：(1)将所述三维点云数据导入到建模软件、unity平台等专用软件中自动生成物体的三维模型；(2)采用一系列三角网格或四角网格近似拟合点云，生成网格模型，经渲染生成三维模型。
在具体实施上，所述步骤S4中的建模软件可以是AutoCAD、3DMAX、ArcGIS、Maya。
本发明的从物体图形自动建立三维模型的方法，可从目标物体的彩色图像和深度图像中自动生成目标物体的几何模型，可加快建模速度，减少3D建模的成本。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种从物体图形自动建立三维模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：建立目标物体的三维坐标，选取所述目标物体的多个视角；在各个视角，对目标物体进行拍摄，根据拍摄的原始深度图像和对应的原始彩色图像，生成目标物体的深度图像；
步骤S2：对每个视角的深度图像进行格栅化取点，生成当前视角下的深度点位数组；
步骤S3：把所述目标物体的多个视角下的深度点位数组，进行拟合，生成三维点云数据；
步骤S4：将三维点云数据生成网格，经渲染生成目标物体的三维模型。
2.如权利要求1所述的从物体图形自动建立三维模型的方法，其特征在于，所述步骤S1的实现方法为：
步骤S11：建立目标物体的三维坐标，选取所述目标物体的多个视角；
步骤S12：获取目标物体在同一视角下的原始彩色图像和原始深度图像；
步骤S13：根据所述原始彩色图像提取目标物体的轮廓，采用所述轮廓对所述原始深度图像进行掩膜处理，获得目标物体的深度图像。
3.如权利要求2所述的从物体图形自动建立三维模型的方法，其特征在于，所述步骤S12的实现方法为：
设置平面背景；将目标物体放置于所述背景前方，且所述目标物体与所述背景有一定的距离间隔；将彩色-深度相机垂直所述背景设置，获取目标物体在同一视角下的原始深度图像和原始彩色图像。
4.如权利要求2所述的从物体图形自动建立三维模型的方法，其特征在于，所述步骤S13的实现方法为：
将所述原始彩色图像转换成灰度图；通过二阶高斯滤波函数对灰度图进行自适应阈值处理；对二值化的灰度图进行形态学闭操作，去除图像中微小的无关元素；根据灰度图形态学闭操作的结果提取物体的轮廓。
5.如权利要求1所述的从物体图形自动建立三维模型的方法，其特征在于，所述步骤S2的实现方法为：
在空间建立深度相机坐标系，以深度相机所在的空间位置为所述深度相机坐标系的坐标原点，以所述深度相机采集的深度图像上各像素的灰度值表示所述像素对应的点与所述坐标原点的距离，即以所述像素的灰度值表示所述像素对应的点的深度信息；
对每个视角的深度图像按设定的行像素间距和列像素间距进行格栅化，并在每个格栅内进行取点，将取样点的深度信息存入深度点位数组，所述深度点位数组的索引为取样点的行列位置信息。
6.如权利要求1所述的从物体图形自动建立三维模型的方法，其特征在于，所述步骤S3的实现方法为：
首先，在空间中建立参考坐标系；
其次，确定每个深度相机坐标系的坐标原点在所述参考坐标系中的坐标，及所述深度相机坐标系和所述参考坐标系三轴的对应关系；
最后，根据所述深度相机坐标系的坐标原点在所述参考坐标系中的坐标，及所述深度相机坐标系和所述参考坐标系三轴的对应关系，进行坐标转换，计算得到每一个点云数据在所述参考坐标系中的唯一坐标值，完成三维点云数据的归一化处理。
7.如权利要求1所述的从物体图形自动建立三维模型的方法，其特征在于，所述步骤S4的实现方法包括：(1)将所述三维点云数据导入到建模软件中自动生成物体的三维模型；(2)抽取图像特征建立模型索引在模型库进行匹配搜索；(3)通过unity平台生成三维模型。
8.如权利要求7所述的从物体图形自动建立三维模型的方法，其特征在于，所述步骤S4中的建模软件为AutoCAD、3DMAX、ArcGIS或Maya。
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