CN115222930A - 一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法 - Google Patents

一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，本发明涉及图像数据处理技术领域，基于WebGL的3D绘图协议，采用具有加速功能的3D芯片，对模型的几何学特征进行处理，所述方法的具体步骤如下：第一步骤、模型特征采集：基于WebGL协议，采集模型几何学特征；第二步骤、计算模型的几何学网格曲面上每个顶点的法向量，得出曲面网格特征线，曲面网格特征线结合卷积计算，获得模型拆分的断点，和修复模型单元损失的曲面特征；第三步骤、将规则的模型单元排列组合成新的模型样式；第四步骤、去掉规则的模型单元之间相交的空间，重新确定模型单元之间的连接点，形成新的曲面特征，进而生成新模型。

Description

一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法
技术领域
本发明涉及图像数据处理技术领域，具体为一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法。
背景技术
WebGL是一种允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起的3D绘图协议，通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定，WebGL可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染。
3D动画有出色的视觉表达效果，而被广泛地应用在游戏、购物、元宇宙领域当中。3D动画的制作，主要过程是建模，建模是动画制作的环节中最重要的一步。其中建模的工作需要专业的模型设计人员制作而成，而且模型的建立是非常耗时间的。由于3D模型的制作周期较长，投入3D模型制作的人力财力较大，使得3D动画的制作成本长期居高不下，如果所需要建立的模型非常多，就会导致最终制作成本非常昂贵，那么发明一种能批量制作3D模型的方法具有十分重要的意义；模型是一个整体，将模型拆分成模型单元，模型单元的曲面特征是有损失的，是不规则的，要形成规则的模型单元是很困难的；模型单元之间的重组，曲面特征的衔接是不确定的。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于采集模型的几何学特征，将模型拆分成模型单元，修复模型单元损失的曲面特征，对模型单元进行编排和组合，去掉相交空间，模型单元之间曲面特征的衔接采用卷积计算求得，生成具有原始几何学特征的模型，提供一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，基于WebGL的3D绘图协议，采用具有加速功能的3D芯片，对模型的几何学特征进行处理，所述方法的具体步骤如下：
第一步骤、模型特征采集：基于WebGL协议，采集模型几何学特征；
第二步骤、计算模型的几何学网格曲面上每个顶点的法向量，得出曲面网格特征线，曲面网格特征线结合卷积计算，获得模型拆分的断点，和修复模型单元损失的曲面特征；
优选的，根据采集的模型几何学特征，计算模型的几何学网格曲面每个顶点的法向量，简化几何学特征数据数量；曲面网格特征线采用卷积计算，确定模型拆分的断点，因此将模型拆分成模型单元，延展模型单元损失的曲面网格特征线，形成规则的模型单元；
第三步骤、将规则的模型单元排列组合成新的模型样式；
第四步骤、去掉规则的模型单元之间相交的空间，重新确定模型单元之间的连接点，形成新的曲面特征，进而生成新模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、模型拆分成模型单元过程中，模型单元拆分的曲面能够精准地延展复制曲面网格特征线，达到模型单元拆分断面的完美闭合。
2、模型组合生成过程中，模型单元之间重叠部分，能够去掉重叠部分，重新建立曲面网格顶点的连接关系，实现模型单元之间重新连接。
3、对于需要大批量制作模型文件团队来说，能大大减少模型需要制作的模型数量，节约模型制作时间，从而达到节约成本的目的。
4、快速、批量的生成目标模型，能大大的降低建模过程中的投入的人工成本。
5、生成的新模型，保持了原始模型几何学的几何特征。
6、将采集的模型几何学特征，通过法向量计算，简化几何学特征数据数量，有助于提高模型编排和组合的处理效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。
图1是一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：
如图1所示，本发明提供了一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，其中包括以下步骤：
步骤一，模型特征采集：基于WebGL协议，采集模型几何学特征；
步骤二，计算模型的几何学网格曲面上每个顶点的法向量，得出曲面网格特征线，曲面网格特征线结合卷积计算，获得模型拆分的断点，和修复模型单元损失的曲面特征；
步骤三，将规则的模型单元排列组合成新的模型样式；
步骤四，去掉规则的模型单元之间相交的空间，重新确定模型单元之间的连接点，形成新的曲面特征，进而生成新模型。
其中，步骤一, 包括采集模型几何学特征。将文件型模型文件通过WebGL协议转换成通用的模型文件。采集模型几何学特征的基本元素包括点、线、面；采集模型几何学特征的几何曲面特征。
优选的，步骤一还包括：采集模型几何学特征的几何曲面特征的步骤如下：
（1）、在三维坐标系中，将模型的外表面划分为网格，网格曲面图形采用三角形；
（2）、计算三角形网格曲面每个顶点的法向量；
计算三角形网格曲面每个顶点的法向量：
Figure 873501DEST_PATH_IMAGE001
计算顶点的法向量需要以下变量：V1、V2、……、Vn表示相邻的顶点；V1在三维坐标系的坐标为（X1，Y1，Z1），V2在三维坐标系的坐标为（X2，Y2，Z2），……，Vn在三维坐标系的坐标为（Xn，Yn，Zn）；Vj表示V1、V2、……、Vn中的一个顶点，j∈（1、2、……、n），n表示顶点数，N为单位法向量，c为系数；
（3）、计算三角形网格曲面每个顶点的曲率张量和主曲率的导数；
（4）、通过顶点的曲率张量和主曲率的导数，找到顶点相连的凸波峰线和凹波峰线；
（5）、由凸波峰线和凹波峰线，计算出阀值，由阀值来确定连接特征顶点的最终模型几何学的特征线。
进一步的，或者，为了更好的实现本发明的目的，步骤二：计算模型的几何学网格曲面上每个顶点的法向量，得出曲面网格特征线，曲面网格特征线结合卷积计算，获得模型拆分的断点，和修复模型单元损失的曲面特征。
根据采集的模型几何学特征，计算模型的几何学网格曲面每个顶点的法向量，简化几何学特征数据数量；曲面网格特征线采用卷积计算，确定模型拆分的断点，因此将模型拆分成模型单元，延展模型单元损失的曲面网格特征线，形成规则的模型单元。规则的模型单元表示一个完整的单一的几何体，比如：长方体，正方体、球、正六面体等，不规则的模型单元表示在规则的模型单元上有空间的消减，通过延展模型单元损失的曲面网格特征线，将不规则的模型单元延展成规则的模型单元。
优选的，步骤二还包括：由法向量计算，去掉模型单元之间相交区域内部的曲面网格顶点，模型单元之间出现新的断点和断面，模型单元之间出现新的断点，通过法向量计算，模型单元之间的新的断点重新连线，形成模型单元之间连接的曲面网格特征线，通过法向量计算，优化模型单元之间的曲面网格特征线的弯曲方向、曲率、长短，与模型单元之间的整体几何特征协调一致。
在保持模型几何学的几何曲面特征不变的前提下，采用法向量计算，减少几何曲面特征的面片数、边数、顶点数；简化编排和组合的难度，对存储、传输、处理都有积极的意义；虽然采用简化的模型，但是保持了模型几何学的几何特征不变。
采用法向量计算，减少几何曲面特征的面片数、边数、顶点数的步骤如下：
（a）、计算三角形网格曲面除特征点之外的每个顶点的收缩权重，并按权重排序；
（b）、选择三角形网格曲面的边进行边收缩，然后更新新顶点和新顶点环形邻域顶点的收缩权重，并更新排序；
（c）、计算三角形网格曲面收缩后每个顶点的法向量；然后重复执行（a）、（b）直到达到简化的要求为止。
连接顶点的凸波峰线f(x)和凹波峰线g(x)，凸波峰线f(x)和凹波峰线g(x)根据阀值的不同和方位的不同而变化；采用卷积计算出模型拆分的断点，并算出模型单元损失的曲面特征，损失的曲面特征是指模型单元组合的重叠部分，将模型拆分成模型单元，其计算公式为：
Figure 259483DEST_PATH_IMAGE002
*表示卷积，
Figure 773641DEST_PATH_IMAGE003
表示积分，f(y)g(x- y)表示 f(x)和g(x)两个变换的函数相乘，g(x- y)表示经过翻转和平移的函数。
进一步的，或者，为了更好的实现本发明的目的，步骤三：将规则的模型单元排列组合成新的模型样式。
根据设计要求，对模型单元的大小调节、方位调节，调用模型单元在3D空间排列组合。
进一步的，或者，为了更好的实现本发明的目的，步骤四：去掉规则的模型单元之间相交的空间，重新确定模型单元之间的连接点，形成新的曲面特征，进而生成新模型。
优选的，步骤四还包括：提取模型单元之间相交处的曲面网格顶点，重组模型单元之间的连线；由法向量计算，去掉模型单元之间相交区域内部的曲面网格顶点，模型单元之间出现新的断点和断面，模型单元之间出现新的断点，通过法向量计算，模型单元之间的新的断点重新连线，形成模型单元之间连接的曲面网格特征线，通过法向量计算，优化模型单元之间的曲面网格特征线的弯曲方向、曲率、长短，与模型单元之间的整体几何特征协调一致；采用简化的模型，生成具有原始几何学特征的文件型模型文件；将文件型模型文件通过WebGL协议转换成通用的OBJ、PLY、STL模型文件。
一个模型单元的连接顶点的凸波峰线或凹波峰线 f(n)，另一个模型单元的连接顶点的凸波峰线或凹波峰线g(n)，f(n)和g(n)根据阀值的不同和方位的不同而变化；采用卷积计算出两个模型单元的连接点，其计算公式为：
Figure 886959DEST_PATH_IMAGE004
*表示卷积，
Figure 435752DEST_PATH_IMAGE005
表示积分，f(m)g(n- m)表示 f(n)和g(n)两个变换的函数相乘，g(n- m)表示经过翻转和平移的函数。
将一个模型单元与另一个模型单元相交空间内的顶点连线断开，去掉孤立的顶点。
在三维坐标系中，计算一个模型单元与另一个模型单元，在断点处的三角形网格曲面上每个顶点的法向量；计算三角形网格曲面每个断开顶点的曲率张量和主曲率的导数；通过断开顶点的曲率张量和主曲率的导数，找到顶点相连的凸波峰线和凹波峰线；由凸波峰线和凹波峰线，计算出阀值，连接断开顶点。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，其特征在于：基于WebGL的3D绘图协议，采用具有加速功能的3D芯片，对模型的几何学特征进行处理，所述方法的具体步骤如下：
第一步骤、模型特征采集：基于WebGL协议，采集模型几何学特征；
第二步骤、计算模型的几何学网格曲面上每个顶点的法向量，得出曲面网格特征线，曲面网格特征线结合卷积计算，获得模型拆分的断点，和修复模型单元损失的曲面特征；
第三步骤、将规则的模型单元排列组合成新的模型样式；
第四步骤、去掉规则的模型单元之间相交的空间，重新确定模型单元之间的连接点，形成新的曲面特征，进而生成新模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，其特征在于：根据采集的模型几何学特征，计算模型的几何学网格曲面每个顶点的法向量，简化几何学特征数据数量；曲面网格特征线采用卷积计算，确定模型拆分的断点，因此将模型拆分成模型单元，延展模型单元损失的曲面网格特征线，形成规则的模型单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，其特征在于：采集模型几何学特征的基本元素包括点、线、面；采集模型几何学特征的几何曲面特征。
4.根据权利要求3所述的一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，其特征在于：采集模型几何学特征的几何曲面特征的步骤如下：
（1）、在三维坐标系中，将模型的外表面划分为网格，网格曲面图形采用三角形；
（2）、计算三角形网格曲面每个顶点的法向量；
（3）、计算三角形网格曲面每个顶点的曲率张量和主曲率的导数；
（4）、通过顶点的曲率张量和主曲率的导数，找到顶点相连的凸波峰线和凹波峰线；
（5）、由凸波峰线和凹波峰线，计算出阀值，由阀值来确定连接特征顶点的最终模型几何学的特征线。
5.根据权利要求1所述的一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，其特征在于：在保持模型几何学的几何曲面特征不变的前提下，采用法向量计算，减少几何曲面特征的面片数、边数、顶点数。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，其特征在于：采用法向量计算，减少几何曲面特征的面片数、边数、顶点数的步骤如下：
（a）、计算三角形网格曲面除特征点之外的每个顶点的收缩权重，并按权重排序；
（b）、选择三角形网格曲面的边进行边收缩，然后更新新顶点和新顶点环形邻域顶点的收缩权重，并更新排序；
（c）、计算三角形网格曲面收缩后每个顶点的法向量；然后重复执行（a）、（b）直到达到简化的要求为止。
7.根据权利要求1所述的一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，其特征在于：采用卷积计算出模型拆分的断点，并算出模型单元损失的曲面特征，将模型拆分成模型单元，其计算公式为：
Figure 165234DEST_PATH_IMAGE001
*表示卷积，
Figure 20057DEST_PATH_IMAGE002
表示积分，f(y)g(x-y)表示 f(x)和g(x)两个变换的函数相乘，g(x-y)表示经过翻转和平移的函数。
8.根据权利要求1所述的一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，其特征在于：采用卷积计算出两个模型单元的连接点，其计算公式为：
Figure 252324DEST_PATH_IMAGE003
*表示卷积，
Figure 585217DEST_PATH_IMAGE004
表示积分，f(m)g(n-m)表示 f(n)和g(n)两个变换的函数相乘，g(n-m)表示经过翻转和平移的函数。
9.根据权利要求8所述的一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，其特征在于：将一个模型单元与另一个模型单元相交空间内的顶点连线断开，去掉孤立的顶点。
10.根据权利要求8所述的一种基于WebGL的3D模型的编排组合的方法，其特征在于：在三维坐标系中，计算一个模型单元与另一个模型单元，在断点处的三角形网格曲面上每个顶点的法向量；计算三角形网格曲面每个断开顶点的曲率张量和主曲率的导数；通过断开顶点的曲率张量和主曲率的导数，找到顶点相连的凸波峰线和凹波峰线；由凸波峰线和凹波峰线，计算出阀值，连接断开顶点。
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