CN113343326B - 一种基于多视几何概念设计的三维建模方法 - Google Patents

一种基于多视几何概念设计的三维建模方法 Download PDF

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Abstract

一种基于多视几何概念设计的三维建模方法，包括如下步骤：构建多视几何场景；在多视几何场景中手绘二维草图：识别二维草图，获得图像空间的草图元素；基于多视几何场景将草图元素映射到三维空间，形成相应的三维建模元素；以三维建模元素为输入，完成基本体素及复杂三维模型的构建；将生成的三维模型融入到多视几何场景；重复上述步骤，并为多视几何场景添加新图像，本方案将人脑海中的概念设计场景抽象成一个多视几何场景，在多视几何场景中构建三维模型就转化为在一幅幅图像上绘制草图的过程，这与设计师的思维习惯更加吻合，可以提高设计的效率，为概念设计阶段的三维建模提供方便、高效的支持手段。

Description

一种基于多视几何概念设计的三维建模方法
技术背景
本发明涉及图像建模技术领域，尤其涉及一种基于多视几何概念设计的三维建模方法。
背景技术
目前，随着经济的全球化和市场竞争的日益激烈，产品的创新设计能力日渐成为企业生存的关键。由于不确定因素多、自由度大、创造力要求高，概念设计已经成为创新设计的核心阶段，先进的概念设计方法对提升企业的核心竞争力和占据市场先机等具有重要的应用价值。不仅如此，在计算机影视动画、建筑学、城市规划等领域，先进的概念设计方法和手段也有着非常广阔的应用前景。
图像是最接近人类思维和推理方式的模型表示方法，在概念设计阶段，设计师脑海中往往先生成一个由多幅图像构成的场景，设计师心目中的产品往往以图像的形式融合到场景中的图像之中，概念设计过程中的三维建模可以看作一个设计师将其脑海中产品对象雏形的图像在图纸或计算机屏幕上重现的过程。在图纸上通过手绘草图的方式进行概念设计符合人类思维习惯，是目前最为常用的概念设计方式。
CAD系统是一个精确的几何建模系统，要求用户输入准确的位置、尺寸和约束关系并按照一定的规则生成三维模型。然而在概念设计阶段，设计师更关心产品的功能形态和结构，很难给出准确的位置、尺寸和约束，因此现在的CAD系统并不适用于概念设计阶段，而是更加适用于在拟定了产品概念设计方案之后进行的几何设计。
解决设计师在概念形状设计时期信息残缺的情况下，对概念形状的描述、表达和操作，以及如何按设计师的设计习惯实现几何图形的快速输入和计算机草图识别，使设计师可以集中精力关注产品设计本身，而不用关心三维建模过程。这些技术与当今概念设计的最新发展趋势密切吻合。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种符合人脑思维习惯的概念设计方式，一种基于多视几何概念设计的三维建模方法。
为实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：
一种基于多视几何概念设计的三维建模方法，将概念设计场景转化成多视几何场景，在多视几何场景中构建三维模型，包括如下步骤：
（1）构建多视几何场景；
（2）在多视几何场景中手绘二维草图：
在支持多点触控的交互式屏幕上，设计师直接在构建好的多视几何场景上根据脑海中的产品模型绘制草图；
（3）识别二维草图，获得图像空间的草图元素；
所述的草图元素是在多视几何场景中的某一幅图像上定义的，为二维图像坐标下的草图元素，本案中草图元素包括绘制模型的截面线，给截面线增加第三维坐标，将其看作一个三维截面线；然后旋转三维截面线至某一角度，投影三维截面线形成多视几何场景中的第二幅图像，在第二幅图像上绘制一个拉伸向量。
（4）基于多视几何场景将草图元素映射到三维空间，形成相应的三维建模元素；
（5）以三维建模元素为输入，完成基本体素及复杂三维模型的构建；
（6）将生成的三维模型融入到多视几何场景；
（7）重复上述步骤（2)-(6)，并为多视几何场景添加新图像。
本案的方法实现基于软硬件环境：选择一个支持多点触控技术的平板电脑，操作系统选择微软Windows系统，例如windowsXP或Win7，开发工具选择Visual Studio 2008或者Adobe Flash CS4。
步骤（1）中最初的多视几何场景为空白的，构建多视几何场景过程：①在第1场景中绘制二维草图；②设计师交互旋转多视几何场景至一个符合设计思维的角度，生成多视几何场景中的第2场景及图像；图像的生成利用现有图形系统的投影功能可以方便地完成；③重复上述步骤②可以为多视几何场景添加更多的场景图像；④构建三维模型后，将三维模型投影到一个符合设计者设计思维的角度，进一步向多视几何场景添加所需的更多图像。
步骤（2）中，采用多点触控技术对手绘草图进行识别。所述的多点触控技术包括手绘草图的噪声消除、特征点识别、笔划分割、草图元素线形识别和拟合算法。比如直线、圆弧和自由曲线三种常用草图元素的识别和拟合。
首先对草图原始数据进行提取和平滑滤波处理，综合应用圆面积包围算法、斜率变化算法等算法来识别手绘草图的型值点和拐点；然后通过综合2种方法来判断手绘草图的特征点，比如型值点和拐点，通过特征点将手绘草图分段成笔划（即草图元素）；然后利用最大包围矩算法来识别笔划，具体步骤为①计算笔划的封闭情况，②计算各个子笔划的最大包围矩，③通过它的长宽比识别不同的几何类型，最后将识别出的线元转换成图像坐标系下可用方程表示的矢量几何笔划（即草图元素）。比如圆的识别，根据计算的封闭性、型值点个数、以及包围矩的长宽比与给定阈值比值关系可以确定该手绘草图是否为圆，利用手绘圆的最大包围矩对称关系确定该圆的圆心和圆的半径值。
步骤（4）中，草图识别后得到一系列图像空间的草图元素，在多视几何场景下将二维草图元素映射成三维建模元素，推算二维草图元素的三维坐标。
其包括两个主要算法：①图像的特征点匹配算法；②特征点的三维坐标计算。由于我们在根据三维模型生成多视几何场景中的图像时，已经对构成模型的曲面进行了人工着色，在模型表面形成容易识别的伪彩色，从而降低了特征点的图像匹配的难度，采用常用的图像特征点匹配算法即可快速完成。如下图所示的双视几何场景，按照空间几何关系计算出特征点的三维坐标。
步骤（5）中，在多视几何场景下进行概念设计建模时，交互方式主要采用以下几类交互方式：①多视几何场景的平移、旋转、缩放等操作；②旋转、拉伸等建模操作命令；③草图绘制命令。不同种类的命令或同一种类的不同命令通过菜单、按钮等传统的交互方式进行切换，多点触控技术主要用于草图绘制过程。
设计师不需要在三维空间选择基准面以及轴线等元素，仅需要在多视几何场景中选择一幅或多幅图像绘制草图、轴线等造型元素；然后拉伸、旋转草图生成多个基本体素；选择基本造型命令，系统将自动完成三维建模。再对这些体素进行布尔运算，以生成更为复杂的三维模型，基本体素的布尔运算直接应用现有CAD系统的成熟技术实现，也可以在当前的软件页面操作环境实现。完成草图绘制并生成相应的三维模型后，可按照如下步骤修改三维模型：1）调出手工绘制的草图；2）直接对草图进行修改；3）重新生成三维模型。如果生成的基本体素已经进行了布尔运算，则需要首先解除布尔运算关系，然后实现对模型草图的修改。
步骤（6）将生成的三维模型通过旋转建模，找到适合的角度融入到多视几何场景。
人机交互建模过程中需要对多视几何场景进行管理、控制及显示。
多视几何场景中包含多幅图像，随着概念设计过程的进行，图像数量也会越来越多，采用列表方式管理图像，通过人机交互选择列表中的图像并完成其添加、删除和修改；
多视几何场景中的图像作为草图绘制的背景出现，随着设计师对已生成三维模型的旋转、平移和缩放等人机交互操作，通过向多视几何场景设计一个二-三维投影变换矩阵来实现多视几何场景中的图像的旋转、平移和缩放。
随着三维场景投影方向的变化，多视几何场景中的图像也要动态的显示和隐藏，当交互旋转三维场景至特定角度时，可以自动调整三维场景的投影方向，使相应的图像能够作为背景显示出来，通过列表交互实现图像的显示和隐藏。
直接将三维模型投影到多个不同方向并将相应的投影图像添加到多视几何场景中即可完成三维模型的多视几何场景表示。由于概念设计过程中的草图绘制是在设计师选定的某一幅图像上完成的，为了根据多视几何关系恢复三维信息，需要解决多视几何场景下多幅图像上对应特征点的匹配问题，由于多视几何场景是由计算机生成的虚拟环境，而不是来自于自然环境，因此通过伪彩色技术使得三维重建过程中图像特征点的匹配变得易于实现：（1）设三维模型由若干个曲面，平面可视为曲面的特例构成，根据曲面的两个参数（u，v）设定曲面的颜色（即伪彩色）；（2）在投影图像生成过程中关闭光照以确保投影图像的颜色不随视点变化而变化。伪彩色技术以及关闭光照生成投影图像相当于赋予三维模型投影图像的每一个像素一个特殊的颜色值，从而有效的降低图像特征点匹配的难度。
本发明的有益效果为：本专利方案将人脑海中的概念设计场景抽象成一个多视几何场景，在多视几何场景中构建三维模型，转化为在一幅幅图像上绘制草图的过程，这与设计师的思维习惯更加吻合，可以使设计师更加专注于设计本身，而不是三维模型的尺寸、约束和位置等几何信息，可以大大提高设计的效率，为概念设计阶段的三维建模提供方便、高效的支持手段，可广泛应用于产品创新设计、计算机动漫设计、城市规划、建筑设计等领域。
附图说明
图1为本发明方法原理示意框图。
图2为多视几何场景构建示意图；
图3为多点触控技术中手绘草图的笔划识别图示；
图4为多视几何场景下特征点的三维坐标计算图示；
图5为利用本方法进行饮水机底座设计过程图。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的技术方案。
结合图2说明向多视几何场景添加图像的过程，具体如下：（1）最原始的多视几何场景仅包括1幅空白图像，在其上绘制小木屋的截面线，给截面线增加第三维坐标，将其看作一个三维截面线；（2）旋转三维截面线至某一角度，投影三维截面线形成多视几何场景中的第2幅图像，在第二幅图像上绘制一个拉伸向量，根据截面线和拉伸向量生成三维模型；（3）旋转三维模型至合适的角度，生成2幅投影图像，这两幅投影图像可以看作图1中的多视几何场景中的“左”和“右”图像。
结合图5对本案方法进行说明，一种饮水机底座的过程：
步骤（1）在支持多点触控技术的平板电脑上交互构建一个多视几何场景。在多视几何场景中手绘饮水机底座二维草图，通过草图识别后获得图形，将草图元素映射为三维建模元素后，旋转场景获得旋转角度后的图形。重复上述步骤可以为多视几何场景添加更多的场景图像；构建底座三维模型后，将三维模型投影到一个符合设计思维的角度，进一步向多视几何场景添加所需的中段图像。
步骤（2）采用多点触控技术对手绘底座草图进行识别。首先对底座草图原始数据进行提取和平滑滤波处理，综合应用圆面积包围算法、斜率变化算法等算法来识别手绘草图的型值点和拐点；然后通过综合2种方法来判断手绘草图的特征点，比如型值点和拐点，通过特征点将手绘草图分段成笔划（即草图元素）；然后利用最大包围矩算法来识别笔划，具体步骤为①计算笔划的封闭情况，②计算各个子笔划的最大包围矩，③通过它的长宽比识别不同的几何类型，最后将识别出的线元转换成图像坐标系下可用方程表示的矢量几何笔划（即草图元素）。比如圆的识别，根据计算的封闭性、型值点个数、以及包围矩的长宽比与给定阈值比值关系可以确定该手绘草图是否为圆，利用手绘圆的最大包围矩对称关系确定该圆的圆心和圆的半径值。
步骤（3），草图识别后得到一系列图像空间的底座草图元素，在多视几何场景下将二维底座草图元素映射成三维建模元素，推算底座二维草图元素的三维坐标。
包括两个主要算法：①图像的特征点匹配算法；②特征点的三维坐标计算。由于我们在根据三维模型生成多视几何场景中的图像时，已经对构成模型的曲面进行了人工着色，在模型表面形成容易识别的伪彩色，从而降低了特征点的图像匹配的难度，采用常用的图像特征点匹配算法即可快速完成。按照空间几何关系计算出底座特征点的三维坐标。
步骤（4），在多视几何场景中选择一幅已有的二维底座图像草图、轴线等造型元素；然后拉伸、旋转草图生成多个基本体素；选择基本造型命令，系统将自动完成三维建模。再对这些体素进行布尔运算，以生成更为复杂的三维模型，基本体素的布尔运算直接应用现有CAD系统的成熟技术实现，也可以在当前的软件页面操作环境实现。完成草图绘制并生成相应的三维模型后，可按照如下步骤修改三维模型：1）调出手工绘制的草图；2）直接对草图进行修改；3）重新生成三维模型。如果生成的基本体素已经进行了布尔运算，则需要首先解除布尔运算关系，然后实现对模型草图的修改。
步骤（5）将生成的中段底座三维模型通过旋转建模，找到适合的角度融入到多视几何场景。
因为多视几何场景中包含多幅底座图像，采用列表方式管理图像，通过人机交互选择列表中的图像并完成其添加、删除和修改；通过向多视几何场景设计一个二-三维投影变换矩阵来实现多视几何场景中的图像的旋转、平移和缩放。
随着三维场景投影方向的变化，多视几何场景中的图像也要动态的显示和隐藏，当交互旋转三维场景至特定角度时，可以自动调整三维场景的投影方向，使相应的图像能够作为背景显示出来，通过列表交互实现图像的显示和隐藏。最终完成饮水机底座的设计。
本设计中只有草图环节需要绘制，其余的部分将由计算机自动完成。
本案的方法现有CAD系统中的三个默认的基准面（XOY，YOZ，ZOX）也可以看作这三个平面向坐标轴方向投影形成的图像，本质上是一个多视几何场景，因此现有CAD系统的初始造型环境可以看作为一个特殊的多视几何场景，而本项目中的多视几何环境则可看作为现有CAD系统建模环境的一个泛化，但具有更大的自由度、灵活性和真实感，更加有利于激发和施展设计者的创新灵感。因此多视几何场景下的三维建模不仅可以用于概念设计，而且具有一定的普遍意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进在不付出创造性劳动前提下也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于多视几何概念设计的三维建模方法，其特征在于：将概念设计场景转化成多视几何场景，在多视几何场景中构建三维模型，具体包括如下步骤：
（1）构建多视几何场景；
（2）在多视几何场景中手绘二维草图：
在支持多点触控的交互式屏幕上，设计师直接在构建好的多视几何场景上根据脑海中的产品模型绘制草图；
（3）识别二维草图，获得图像空间的草图元素；
（4）基于多视几何场景将草图元素映射到三维空间，形成相应的三维建模元素；
（5）以三维建模元素为输入，完成基本体素及复杂三维模型的构建；
（6）将生成的三维模型融入到多视几何场景；
（7）重复上述步骤（2)-(6)，并为多视几何场景添加新图像；
步骤（3）中所述的草图元素是在多视几何场景中的某一幅图像上定义的，为二维图像坐标下的草图元素，本案中草图元素包括绘制模型的截面线，给截面线增加第三维坐标，将其看作一个三维截面线；然后旋转三维截面线至某一角度，投影三维截面线形成多视几何场景中的第二幅图像，在第二幅图像上绘制一个拉伸向量。
2.根据权利要求1所述的基于多视几何概念设计的三维建模方法，其特征在于：步骤（1）中最初的多视几何场景为空白的，构建多视几何场景过程：①在第1场景中绘制二维草图；②设计师交互旋转多视几何场景至一个符合设计思维的角度，生成多视几何场景中的第2场景及图像；图像的生成利用现有图形系统的投影功能可以方便地完成；③重复上述步骤②可以为多视几何场景添加更多的场景图像；④构建三维模型后，将三维模型投影到一个符合设计思维的角度，进一步向多视几何场景添加所需的更多图像。
3.根据权利要求1所述的基于多视几何概念设计的三维建模方法，其特征在于：步骤（2）中，采用多点触控技术对手绘草图进行识别，所述的多点触控技术包括手绘草图的噪声消除、特征点识别、笔划分割、草图元素线形识别和拟合算法。
4.根据权利要求3所述的基于多视几何概念设计的三维建模方法，其特征在于：首先对草图原始数据进行提取和平滑滤波处理，综合应用圆面积包围算法、斜率变化算法等算法来识别手绘草图的型值点和拐点；然后通过综合2种方法来判断手绘草图的特征点。
5.根据权利要求4所述的基于多视几何概念设计的三维建模方法，其特征在于：型值点和拐点识别，通过特征点将手绘草图分段成笔划；然后利用最大包围矩算法来识别笔划，具体步骤为①计算笔划的封闭情况，②计算各个子笔划的最大包围矩，③通过它的长宽比识别不同的几何类型，最后将识别出的线元转换成图像坐标系下可用方程表示的矢量几何笔划。
6.根据权利要求1所述的基于多视几何概念设计的三维建模方法，其特征在于：步骤（4）中，草图识别后得到一系列图像空间的草图元素，在多视几何场景下将二维草图元素映射成三维建模元素，推算二维草图元素的三维坐标。
7.根据权利要求6所述的基于多视几何概念设计的三维建模方法，其特征在于：为了根据多视几何关系恢复三维信息，需要解决多视几何场景下多幅图像上对应特征点的匹配问题，由于多视几何场景是由计算机生成的虚拟环境，而不是来自于自然环境，因此通过伪彩色技术使得三维重建过程中图像特征点的匹配变得易于实现：（1）设三维模型由若干个曲面，平面可视为曲面的特例构成，根据曲面的两个参数（u，v）设定曲面的颜色；（2）在投影图像生成过程中关闭光照以确保投影图像的颜色不随视点变化而变化。
8.根据权利要求1所述的基于多视几何概念设计的三维建模方法，其特征在于：步骤（5）中，在多视几何场景下进行概念设计建模时，交互方式主要采用以下几类交互方式：①多视几何场景的平移、旋转、缩放等操作；②旋转、拉伸等建模操作命令；③草图绘制命令。
9.根据权利要求1所述的基于多视几何概念设计的三维建模方法，其特征在于：人机交互建模过程中需要对多视几何场景进行管理、控制及显示：
多视几何场景中包含多幅图像，随着概念设计过程的进行，图像数量也会越来越多，采用列表方式管理图像，通过人机交互选择列表中的图像并完成其添加、删除和修改；
多视几何场景中的图像作为草图绘制的背景出现，随着设计师对已生成三维模型的旋转、平移和缩放等人机交互操作，通过向多视几何场景设计一个二-三维投影变换矩阵来实现多视几何场景中的图像的旋转、平移和缩放；
随着三维场景投影方向的变化，多视几何场景中的图像也要动态的显示和隐藏，当交互旋转三维场景至特定角度时，可以自动调整三维场景的投影方向，使相应的图像能够作为背景显示出来，通过列表交互实现图像的显示和隐藏；
直接将三维模型投影到多个不同方向并将相应的投影图像添加到多视几何场景中即可完成三维模型的多视几何场景表示。
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