CN113742808A - 一种拼装积木模型设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拼装积木模型设计方法，通过使用算法来自动生成积木模型，包括每个积木的摆放位置以及相互之间的连接关系；可以根据积木的碰撞、连接性等属性来确保设计的可实现性；基于本发明技术，用户只需要输入图片，并传达美学上与创意上的需求，算法将会处理繁琐的积木拼装等问题；通过本发明，能够与极大降低积拼装积木设计的门槛，使得普通用户也可以进行积木设计。

Description

一种拼装积木模型设计方法
技术领域
本发明涉及计算机图形学技术领域，具体涉及一种拼装积木模型设计方法。
背景技术
现有积木产品均为积木厂商内部设计，再经过批量生产，才进入消费者手中。普通用户并没有权限去进行积木设计。而现阶段准许普通用户进行设计的方案通常存在以下两种情况：
第一，市面上现有的智能手机端的建模软件(俗称捏脸)，通常提供选项，让用户去创造虚拟形象。虽然是创造虚拟形象，但是无法保证该形象是“可制造的”，对于积木来说便是可拼搭。具体来说，对于任意积木来说不能有碰撞；而且对于整个积木模型而言需要保证连接的稳固性。
第二，市面上现有的积木模型设计软件通常运行在PC端，且通常以逐个积木拼搭的方式让用户进行积木设计。上述方式无法让用户在智能手机端进行便捷的操作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术方法的缺点与不足，提供一种拼装积木模型设计方法，通过算法自动计算积木的摆放，自动根据积木的碰撞与连接性来进行动态的反馈与调整，确保用户设计出的积木模型是可拼装的。
为了实现上述目的，本发明提供了一种拼装积木模型设计方法，包括：
对输入的人物图像进行分析，转换为积木模型，根据积木模型中的空间关系，确定构成拼装积木模型的全部积木分组类型；
穷举所有两两组合的积木分组中，分属不同分组的积木部件的连接关系，确定任意两个相邻的积木分组包含的积木部件之间的相对位置关系；
构建部位连接关系树，并通过深度优先遍历的方式得到空间中所有部位的绝对位置；判断两两相邻的积木部件连接时是否存在碰撞关系；
对确定无碰撞关系的相邻积木分组进行拼接，并基于输入的人物图像中人物部位的颜色情况，对对应的积木部件进行染色，完成拼装积木模型的设计。
进一步地，在确定任意两个相邻的积木部件之间的相对位置关系的步骤中，通过穷举所有积木部件的连接关系，来计算两个相邻的积木部件之间的相对位置，对于每两个积木分组P_i与P_j，存储为4x4的仿射变换矩阵Tij。
进一步地，在构建部位连接关系树的步骤中，每一个积木部件本身构成AABB树的叶节点，按照空间中的邻接关系为叶节点设置根节点；迭代上述过程最终形成一棵记录空间中相邻关系的树。
进一步地，构建部位连接关系树，并通过深度优先遍历的方式得到空间中所有部位的绝对位置的步骤中，包括：
对当前模型中所有的积木部件进行遍历，对于每一个积木部件通过AABB树检索其在空间中相邻的积木；
对两个积木部件的连接点信息进行两两比对，如果两者在空间中的距离小于一定的阈值，如果连接方式合理，且两个积木部件在空间中存在啮合的部分，则判定两个积木部件存在连接关系，形成积木部件的连接关系图；
通过连接关系图的数据结构储存积木部件之间的连接关系，每个积木为图中的一个节点，而图中的边则表示边两端的节点对应的积木部件存在连接点；连接点对应的积木部件的相关信息储存在图的边上；其中，连接点的相关信息至少包括：相互连接的连接点在两个积木中位置和相关编号、连接方式、以及连接点的朝向；
在对所有的零件完成遍历之后，对连接关系图的子图数量进行统计；若子图数量大于1，说明模型中存在不相连的部分；代表当前设计方案存在连接性问题。
进一步地，判断两两相邻的积木部件连接时是否存在碰撞关系的步骤中，包括步骤：
对于图中两两相邻的积木分组，利用部位连接关系树，对积木分组对应的积木部件进行两两匹配；
对分别属于相邻积木分组的积木部件进行两两匹配，两个积木部件的边界框在空间中存在重合的部分时，判断两个积木直接存在碰撞关系，并在代表两个积木部件的节点之间增添一条边，形成积木部件的碰撞关系图；
当得到整张记录碰撞信息的碰撞关系图之后，若图中存在边，则会得到反馈，设计中存在碰撞问题。
进一步地，对输入的人物图像进行分析的步骤中，分析得到拼装积木模型的积木分组类型部位的种类至少包括：头发、前额、眼睛、嘴、头型、装饰、上身服饰、下身服饰、腿、鞋、底座和基座。
进一步地，使用深度神经网络进行输入的人物图像中的特征进行提取；其中，提取的特征类型至少包括：头发轮廓，头发颜色，衣服轮廓，衣服类型，衣服颜色，衣服上的印字，裤子颜色，人物年龄，人物性别。
进一步地，通过本地渲染的方式得到头发和衣物的png图片，再通过轮廓特征提取的方式提取对应积木分组的轮廓，并存储为坐标点数组的形式，供自动生成模型时使用。
进一步地，在对确定无碰撞关系的相邻积木分组进行拼接的步骤中，使用多边形相似性特征来计算每一个积木分组候选的积木部件的相似度，并取其中相似度最高的积木部件作为最终选项进行拼装。
进一步地，对对应积木分组的积木部件进行染色的步骤中，计算在人物图像中对应区域的颜色的平均值，在RGB空间中找到与该颜色最近的积木颜色。
与现有技术相比，本发明提供的一种拼装积木模型设计方法，通过使用算法来自动生成积木模型，包括每个积木的摆放位置以及相互之间的连接关系；可以根据积木的碰撞、连接性等属性来确保设计的可实现性；基于本发明技术，用户只需要输入图片，并传达美学上与创意上的需求，算法将会处理繁琐的积木拼装等问题；通过本发明，能够与极大降低积木人仔设计的门槛，使得普通用户也可以进行积木设计。
附图说明
图1为本发明提供的一种拼装积木模型设计方法的流程示意图。
图2为本发明提供的一种拼装积木模型设计方法的设计逻辑示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
如图1所示；本发明提供了一种拼装积木模型设计方法，包括：
对输入的人物图像进行分析，转换为积木模型，根据积木模型中的空间关系，确定构成拼装积木模型的全部积木分组类型；
设计师根据图2所示的分组连接关系，对每个分组设计若干候选项。
穷举所有两两组合的积木分组中，分属不同分组的积木部件的连接关系，确定任意两个相邻的积木分组包含的积木部件之间的相对位置关系；
对于图2中两两相邻的分组，通过穷举所有积木凸起与凹陷的相连情况，来计算两个相邻的积木部件之间的相对位置，对于每两个积木分组P_i与P_j，存储为4x4的仿射变换矩阵Tij。
构建部位连接关系树，并通过深度优先遍历的方式得到空间中所有部位的绝对位置；判断两两相邻的积木部件连接时是否存在碰撞关系；
在构建部位连接关系树的步骤中，每一个积木部件本身构成AABB树的叶节点，按照空间中的邻接关系为叶节点设置根节点；迭代上述过程最终形成一棵记录空间中相邻关系的树。
构建部位连接关系树，并通过深度优先遍历的方式得到空间中所有部位的绝对位置，得到空间中与任一积木部件邻接的积木部件的步骤中，包括步骤：
对当前模型中所有的积木部件进行遍历，对于每一个积木部件通过AABB树检索其在空间中相邻的积木；
对两个积木部件的连接点信息进行两两比对，如果两者在空间中的距离小于一定的阈值，如果连接方式合理，且两个积木部件在空间中存在啮合的部分，则判定两个积木部件存在连接关系，形成积木部件的连接关系图；
通过连接关系图的数据结构储存积木部件之间的连接关系，每个积木为图中的一个节点，而图中的边则表示边两端的节点对应的积木部件存在连接点；连接点对应的积木部件的相关信息储存在图的边上；其中，连接点的相关信息至少包括：相互连接的连接点在两个积木中位置和相关编号、连接方式、以及连接点的朝向；
在对所有的零件完成遍历之后，对连接关系图的子图数量进行统计；若子图数量大于1，说明模型中存在不相连的部分；代表当前设计方案存在连接性问题。存储具有连接性问题的设计方案信息在互斥表中以供软件运行时所使用。
通过部位连接关系树，判断两两相邻的积木部件连接时是否存在碰撞关系的步骤中，包括步骤：
对于图中两两相邻的积木分组，利用部位连接关系树，对积木模型中的相邻分组进行两两匹配；
对分别属于相邻积木分组的积木部件进行两两匹配，两个积木部件的边界框在空间中存在重合的部分时，判断两个积木直接存在碰撞关系，并在代表两个积木部件的节点之间增添一条边，形成积木部件的碰撞关系图；
当得到整张记录碰撞信息的碰撞关系图之后，若图中存在边，算法则会得到反馈，设计中存在碰撞问题。
对于头发与衣服，我们通过本地渲染的方式得到头发和衣物的png图片，再通过轮廓特征提取的方式提取对应积木分组的轮廓，并存储为坐标点数组的形式，供自动生成模型时使用。
对确定无碰撞关系的相邻积木分组进行拼接，并基于输入的人物图像中人物部位的颜色情况，对对应的积木部件进行染色，完成拼装积木模型的设计。
在实际制作过程中，首先上传人物图像，以用户自身的全身图像为例，对输入的人物图像进行分析，得到拼装积木模型的积木部件类型的种类至少包括：头发、前额、眼睛、嘴、头型、装饰、上身服饰、下身服饰、腿、鞋、底座和基座，同时确定两两连接的积木部件之间连接点的数量。如图2中，相邻部件之间连接线上标注的数字即为连接点数量。
使用深度神经网络进行输入的人物图像中的特征进行提取；其中，提取的特征类型至少包括：头发轮廓，头发颜色，衣服轮廓，衣服类型，衣服颜色，衣服上的印字，裤子颜色，人物年龄，人物性别。
使用前述步骤得到的信息，进行模型生成。生成的过程是一个模型分组检索与染色的过程。具体来说，使用多边形相似性特征来计算每一个分组候选的积木部件的相似度，取其中相似度最高的积木部件作为最终选项进行拼装。对于颜色来说，由于积木已有的可选颜色是有限的，首先计算在图片中对应区域的颜色的平均值，然后在RGB空间中找到与该颜色最近的积木颜色。
制作完成后，还包括用户进行后期调整的步骤。需要保证用户在选择不同分组的过程中，模型一直保持连接性与碰撞性均无问题的状态。基于软件设置阶段的预先计算的数据，当用户选择一款设计之后，程序会自动从互斥表中读取与其存在互斥关系的部位，并且在客户可视的界面进行隐藏。这样，客户只能从合理的选项中进行选择，从而规避了可能存在的不合理设计。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种拼装积木模型设计方法，其特征在于，包括：
对输入的人物图像进行分析，转换为积木模型，根据积木模型中的空间关系，确定构成拼装积木模型的全部积木分组类型；
穷举所有两两组合的积木分组中，分属不同分组的积木部件的连接关系，确定任意两个相邻的积木分组包含的积木部件之间的相对位置关系；
构建部位连接关系树，并通过深度优先遍历的方式得到空间中所有部位的绝对位置；判断两两相邻的积木部件连接时是否存在碰撞关系；
对确定无碰撞关系的相邻积木分组进行拼接，并基于输入的人物图像中人物部位的颜色情况，对对应的积木部件进行染色，完成拼装积木模型的设计。
2.根据权利要求1所述的拼装积木模型设计方法，其特征在于，在确定任意两个相邻的积木部件之间的相对位置关系的步骤中，通过穷举所有积木部件的连接关系，来计算两个相邻的积木部件之间的相对位置，对于每两个积木分组P_i与P_j，存储为4x4的仿射变换矩阵Tij。
3.根据权利要求1所述的拼装积木模型设计方法，其特征在于，在构建部位连接关系树的步骤中，每一个积木部件本身构成AABB树的叶节点，按照空间中的邻接关系为叶节点设置根节点；迭代上述过程最终形成一棵记录空间中积木部件相邻关系的AABB树。
4.根据权利要求2所述的拼装积木模型设计方法，其特征在于，构建部位连接关系树，并通过深度优先遍历的方式得到空间中所有部位的绝对位置的步骤中，包括：
对当前模型中所有的积木部件进行遍历，对于每一个积木部件通过AABB树检索其在空间中相邻的积木；
对两个积木部件的连接点信息进行两两比对，如果两者在空间中的距离小于一定的阈值，如果连接方式合理，且两个积木部件在空间中存在啮合的部分，则判定两个积木部件存在连接关系，形成积木部件的连接关系图；
通过连接关系图的数据结构储存积木部件之间的连接关系，每个积木为图中的一个节点，而图中的边则表示边两端的节点对应的积木部件存在连接点；连接点对应的积木部件的相关信息储存在图的边上；其中，连接点的相关信息至少包括：相互连接的连接点在两个积木中位置和相关编号、连接方式、以及连接点的朝向；
在对所有的零件完成遍历之后，对连接关系图的子图数量进行统计；若子图数量大于1，说明模型中存在不相连的部分；代表当前设计方案存在连接性问题。
5.根据权利要求4所述的拼装积木模型设计方法，其特征在于，通过碰撞关系图判断两两积木部件在连接时是否存在碰撞关系，在生成碰撞关系图时利用AABB树进行加速，生成碰撞关系图包括步骤：
对于图中两两相邻的积木分组，利用部位连接关系树，对积木分组对应的积木部件进行两两匹配；
对分别属于相邻积木分组的积木部件进行两两匹配，两个积木部件的边界框在空间中存在重合的部分时，判断两个积木直接存在碰撞关系，并在代表两个积木部件的节点之间增添一条边，形成积木部件的碰撞关系图；
当得到整张记录碰撞信息的碰撞关系图之后，若图中存在边，则会得到反馈，设计中存在碰撞问题。
6.根据权利要求1所述的拼装积木模型设计方法，其特征在于，对输入的人物图像进行分析的步骤中，分析得到拼装积木模型的积木分组类型部位的种类至少包括：头发、前额、眼睛、嘴、头型、装饰、上身服饰、下身服饰、腿、鞋、底座和基座。
7.根据权利要求1所述的拼装积木模型设计方法，其特征在于，使用深度神经网络进行输入的人物图像中的特征进行提取；其中，提取的特征类型至少包括：头发轮廓，头发颜色，衣服轮廓，衣服类型，衣服颜色，衣服上的印字，裤子颜色，人物年龄，人物性别。
8.根据权利要求6所述的拼装积木模型设计方法，其特征在于，通过本地渲染的方式得到头发和衣物的png图片，再通过轮廓特征提取的方式提取对应积木分组的轮廓，并存储为坐标点数组的形式，供自动生成模型时使用。
9.根据权利要求1所述的拼装积木模型设计方法，其特征在于，在对确定无拼接时碰撞关系的相邻积木分组进行拼接的步骤中，使用多边形相似性特征来计算每一个积木分组候选的积木部件的相似度，取其中相似度最高的积木部件作为最终选项进行拼装。
10.根据权利要求1所述的拼装积木模型设计方法，其特征在于，对对应积木分组的积木部件进行染色的步骤中，计算在人物图像中对应区域的颜色的平均值，在RGB空间中找到与该颜色最近的积木颜色。
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