CN117197300B

CN117197300B - 一种基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法

Info

Publication number: CN117197300B
Application number: CN202311460889.7A
Authority: CN
Inventors: 武银雪; 余晓君
Original assignee: Wuhan Fangtuo Digital Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Fangtuo Digital Technology Co ltd
Priority date: 2023-11-06
Filing date: 2023-11-06
Publication date: 2024-01-30
Anticipated expiration: 2043-11-06
Also published as: CN117197300A

Abstract

一种基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法，涉及动画制作技术领域，包括对三维模型的顶点及边缘进行检测，生成三维模型的线框；对三维模型生成的线框进行抽稀，保留关键结构线条，存储结构线框信息；在渲染器中，定义线框呈现的效果；对所选取的三维模型进行参数化设置，结合定义的线框呈现效果，输出序列帧等步骤，通过将输出的序列帧文件自动合成为APNG格式的动图文件，不仅体积小减少了对计算机存储空间的占用，也降低了对计算机性能的需求，同时生成的动图质量高，整个三维线框透视动图的制作过程减少了人工干预和效果调优的步骤，提升了三维线框透视动图的制作效率。

Description

一种基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法

技术领域

本发明涉及动画制作技术领域，具体涉及一种基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法。

背景技术

三维线框是一种用于呈现和表示三维对象的图形技术，通常用于显示物体的基本形状、结构和轮廓。它在各种领域中都有广泛的应用，包括计算机辅助设计（CAD）、计算机图形学、三维建模、虚拟现实、视频游戏开发和科学可视化，三维线框透视动图的制作过程是通常是在三维建模软件或三维引擎软件中进行线框提取后进行动画配置和渲染成序列帧图片，最后合成为GIF、WebP等文件格式的过程。要制作一个三维线框透视动图文件，需要按照设计的步骤进行手工的操作，例如：三维建模、渲染引擎、动画配置、物理模拟、粒子系统甚至是通过编程脚本来控制动图的内容及输出效果，三维线框透视动图在某些特定的使用场景中可以提升可视化系统的视觉交互效果、透视内部结构等作用，可以不依赖任何的运行时环境，仅依靠浏览器进行动态效果的交互与展示，是一种经济和性能代价低的可视化方法。

现有技术中三维线框透视动图的制作过程的步骤如下：

1、加载三维模型：加载三维模型数据，可以是来自CAD软件、三维建模工具、3D扫描仪或其他来源的文件。通常，这些文件会包含模型的顶点、边缘、面和其他几何信息。

2、顶点和边缘检测：在加载模型后，需要检测模型中的顶点和边缘。通过遍历模型的几何数据（例如，顶点坐标和多边形面的连接信息）来完成。边缘通常由连接两个顶点的线段组成。

3、移除不可见的边缘：在某些情况下，模型的边缘可能包括不可见的部分，例如在模型内部的边缘。这些边缘通常需要被移除，以确保只有可见的线段被保留。

4、线段排序：为了正确绘制线框，需要对线段进行排序，以确定哪些线段应该位于其他线段的前面。可以使用例如深度排序或Z缓冲等技术来完成。

5、三维线框渲染：当确定了要呈现的线段后，使用渲染引擎或编程库（如OpenGL或DirectX）来将这些线段绘制到屏幕上。通常，线段会用合适的颜色和线宽进行渲染，以使它们在屏幕上可见。

6、视口变换和投影：在绘制之前，通常需要将三维模型的坐标转换为屏幕空间坐标，这包括视口变换和透视投影。这确保了线段在屏幕上正确呈现，考虑到视图和相机的位置。

7、线框渲染设置：你可以选择不同的渲染设置，包括线段的颜色、线宽度、线型（如虚线或实线）等，以根据需要自定义线框的外观。

8、渲染到屏幕：最后，将渲染的线框绘制到屏幕上。这可以在图形窗口、画布或其他屏幕区域中完成。

受到三维模型质量等因素的影响，现有生成三维线框图的技术生成的三维线框图存在几何形变、锯齿、低分辨率下产生不清晰的线框、线段过多或重叠以及动图文件过大等问题，这不仅会导致显示质量低降低用户的体验，过大的动图文件还需要占用更多的计算机存储空间，而且其计算过程复杂，导致其占用计算机性能过多导致计算机性能降低。

另一方面，从模型加载到三维线框透视动图的制作过程需要应用不同的软件以及参数化的设定，整个过程是需要人工干预和效果调优的，导致采用现有的制作过程效率不高。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法，用于解决上述问题。

一种基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法，包括以下步骤：

S1，对三维模型进行顶点及边缘检测，生成三维模型的线框数据；

具体的，将三维模型导入三维设计软件中，对其顶点及边缘进行检测，三维模型的顶点检测用于识别模型的关键顶点，这些顶点通常代表模型的几何特征或结构，由此构建出模型的线框信息。

S2，对三维模型生成的线框进行抽稀，保留关键结构线条，存储结构线框信息；

具体的，多数三维模型基于三角形面积的概念，边缘通常是三角形之间的边界，较为密集复杂。通过移除可合并且不影响结构的边线及冗余线条，仅保留关键结构线条，使线框对模型结构的表达更为清晰。

S3，在渲染器中，读取存储的结构线框二进制数据，定义线框呈现的效果；

具体的，从数据库读取S2中存储的模型线框信息二进制文件，解析文件并对其进行效果呈现的参数设置，如线框的颜色、宽度等呈现效果。

S4，对所选取的三维模型进行参数化设置，结合所述步骤S3定义的线框呈现效果，输出带有透明通道的序列帧；

具体的，参数化设置，包括三维模型的视觉效果、展示动画、渲染帧率、渲染参数等，参数化设置三维模型的呈现效果、旋转动画、帧率及渲染，可以根据不同需求创建各种三维渲染效果。通过程序内部来控制各种参数设置，刻在不同场景中灵活应对，提高了视觉效果和制作效率。

S5，将输出的序列帧文件自动合成为APNG格式的动图文件。

具体的，在程序中，通过自动化脚本的编写，将S4中输出的序列帧目录作为指定目录，该目录的序列帧进行监视，并将S4中输出的序列帧进行自动实时合并，得到最终的APNG动图文件。

进一步的，所述步骤S1包括：

基于几何特征的方法，根据模型的几何属性来检测顶点；

使用曲率分析来检测模型曲面的曲率变化，其中，在曲率变化明显的地方会出现顶点；

对局部极值点进行检测，通过迭代过程在曲面上寻找局部极值点，这些局部极值点为顶点；

将以上获取到三维模型顶点数据，根据其空间坐标信息，构建模型的边缘并生成三维模型的线框。

进一步的，使用曲率分析来检测模型曲面的曲率变化包括如下内容：

1）曲率张量表示曲面的曲率信息，曲率张量的特征值用于确定曲面的曲率最大和最小的方向，从而确定顶点；

2）曲率张量的特征值计算公式：

；

式中，K1和K2是特征值，H是平均曲率，K是高斯曲率。

进一步的，采用高斯曲率流方法检测局部极值点，通过在曲面上进行高斯曲率流操作，找到曲率极值点。

基于Douglas-Peucker算法对三维模型生成的线框进行抽稀，根据设定的抽稀阈值，对线进行递归分割，将线段替换为连接两个端点的直线，保留误差大于抽稀阈值的点；

在上述线框抽稀的基础上，再基于Visvalingam-Whyatt算法，根据曲线上的三角形面积来决定删除的点，得到抽稀结果；

将上述抽稀的结构线框信息数据转换为二进制数据结构，并将其保存数据库中。

进一步的，参数化设置包括三维模型的视觉效果、展示动画、渲染帧率、渲染参数。

进一步的，所述S3包括：

建立渲染器与数据库的连接，根据使用的数据库类型配置连接字符串；

从数据库中检索线框图的二进制数据；

解析线框图的二进制数据，转换为用于渲染的数据结构；

将解析的线框图二进制数据传递给渲染器，将顶点数据传递给渲染器进行线框渲染；

对渲染器接收到的线框图二进制数据进行呈现效果的设置，包括线框的颜色、宽度的设置。

进一步的，在所述步骤S5中，通过对所述步骤S4输出的序列帧目录环进行监视，对输出的序列帧进行自动实时合并得到APNG动图文件。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

1、减小数据量：可以显著减小原始数据集的大小，这对于存储、传输和处理大型数据集非常有帮助，尤其是在移动应用程序和网络通信中，可降低对计算机存储空间的占用，同时也能降低计算量，避免使用过多的计算机性能。

2、提高渲染性能：对于图形渲染，特别是在移动设备上，简化的曲线可以显著提高渲染性能，因为绘制更少的数据点需要更少的计算和资源。

3、提高制作效率：在三维线框图的渲染过程中，采用了参数化设定的方式进行预置的变量值，对于帧率、动画方向、分辨率和抽稀参数等进行了参数化设定，并对渲染引擎的调用和输出帧文件规则进行了参数化赋值，使得制作三维线框动图的效率达到一键生成的效果，提升了动画制作的效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例公开的基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法的流程示意图。

实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法，包括以下步骤：

S1，导入三维模型到三维设计软件中，并对三维模型的顶点及边缘进行检测，生成三维模型的线框；

需要说明的是，三维模型的顶点检测用于识别模型的关键顶点，这些顶点通常代表模型的几何特征或结构，由此构建出模型的线框信息；

具体的，所述步骤S1包括：

基于几何特征的方法，根据模型的几何属性来检测顶点，如高曲率、拐角或尖锐边缘。

使用曲率分析来检测模型曲面的曲率变化，通常在曲率变化明显的地方会出现顶点。

1) 曲率张量表示曲面的曲率信息。曲率张量的特征值可以帮助确定曲面的曲率最大和最小的方向，从而找到顶点。

2) 曲率张量的特征值计算公式：

；

式中，K1和K2是特征值，H是平均曲率，K是高斯曲率。

对局部极值点进行检测，通过迭代过程在曲面上寻找局部极值点，这些点通常是顶点。高斯曲率流方法可以用于检测局部极值点。该方法通过在曲面上进行高斯曲率流操作，找到曲率极值点。

将以上获取到三维模型顶点数据，根据其空间坐标信息，构建模型的边缘。

需要说明的是，多数三维模型基于三角形面积的概念，边缘通常是三角形之间的边界，较为密集复杂。通过移除可合并且不影响结构的边线及冗余线条，仅保留关键结构线条，使线框对模型结构的表达更为清晰；

具体的，所述步骤S2包括：

基于Douglas-Peucker算法进行抽稀，该算法适用于平面结构线抽稀，根据设定的抽稀阈值，对线进行递归分割，将线段替换为连接两个端点的直线，保留误差大于阈值的点；

需要说明的是，抽稀阈值用于确定哪些线段应该被保留，哪些应该被删除。较小的阈值会保留更多的线段，较大的阈值将删除不够重要的线段，抽稀阈值需要根据实际情形进行选择，在此不做具体的限制。

Douglas-Peucker算法的公式为：

1) 计算点到直线的距离D：

；

其中，D代表点到直线的距离，其中点为（x，y），直线为（x1，y1）和（x2，y2）；

2)找到最大距离Dmax，以及对应的点DmaxPoint(xmax, ymax)：

；

式中，Dmax：点到直线的最大距离、DmaxPoint(xmax, ymax)：点到直线的最大距离对应的点、：表示通过遍历一组数据点，计算每个点到线段的垂直距离，然后找到这些距离中的最大值。这个最大值代表了所有数据点中到线段距离最远的那个点，它的距离被称为"Dmax"，即 "Dmax = max_i D(i)"。这个值通常用于识别与线段最远的点，用于线段简化或其他相关问题中；

3)若Dmax <ε，则线段P1P2可以被简化为一条直线，不需要保留中间的点；

4)若Dmax≥ε，则选择DmaxPoint作为新的关键点，然后将线段分成两部分：P1到DmaxPoint和DmaxPoint到P2，对这两部分分别应用Douglas-Peucker算法，重复这个过程；

式中，ε代表了一个距离阈值，用于判断哪些点需要被保留，哪些可以被删除。ε的大小直接影响到抽稀的程度，当ε较小时，算法会保留更多的细节，从而得到较为精确的抽稀结果；当ε较大时，算法会删除更多的点，从而导致更大程度的抽稀。具体如何定义ε的大小，取决于三维模型对线框抽稀的需求效果；

在上述线框抽稀的基础上，再基于Visvalingam-Whyatt算法，根据曲线上的三角形面积来决定删除的点，减小线段的复杂性，从而产生精确的高质量抽稀结果。

Visvalingam-Whyatt算法公式为：

1)计算三角形面积

对于每个内部点Pi，计算与相邻的点Pi-1和Pi+1组成的三角形的面积，这可以使用向量叉乘来完成；

其中，-1和+1可以理解为坐标方位，如内部点为Pi，若要构成三角形面积，与他相邻的两点点则为；

三个点之间的三角形面积采用以下公式计算：

；

式中，三点构成的三角形的面积，三个点分别为Pi、Pi-1、Pi+1，三个点的坐标分别为/>；

1）选择面积最小的三角形

对于每个内部点Pi，找到与其相邻的两个三角形的最小面积。选择面积最小的三角形，并将对应的点Pi标记为要删除的点。

2）迭代过程

重复上述步骤，直到达到所需的线段简化程度或只剩下三个点（起始点、结束点和一个内部点）。

所述步骤S3包括：

首先，建立渲染器与数据库的连接，根据使用的数据库类型（SQL Server、MySQL、SQLite等）配置连接字符串。

其次，从数据库中检索线框图的二进制数据，构建适当的查询。

然后，解析线框图的二进制数据，其转换为适当的数据结构以供渲染；

其中适当的数据结构包括：

1、顶点数据结构，其中每个顶点包含其坐标、颜色、法线等属性。

2、顶点缓冲区，包含顶点数据的连续内存块，可以传递给GPU进行渲染。

3、索引缓冲区，用于存储顶点的索引，以减小数据传输和内存占用。

4、渲染状态：包含渲染模式、深度测试、混合模式等。

再次，将解析的线框图二进制数据传递给渲染器，可使用使用C#和DirectX库（SharpDX）将顶点数据传递给渲染器进行线框渲染。

最后，对渲染器接收到的线框图二进制数据进行呈现效果的设置，包括线框的颜色、宽度等设置。

1) 设置线框颜色

使用DirectX设置线框的颜色，通过材质和着色器，创建一个表示线框颜色的材质，在着色器中使用该材质。

2) 设置线框宽度

使用DirectX设置线框的宽度，通过光栅状态对象设置设置LineWidth属性。

S4，对所选取的三维模型进行参数化设置，包括三维模型的视觉效果、展示动画、渲染帧率、渲染参数，结合所述步骤S3定义的线框呈现效果，输出背景透明，模型本身半透明的带有透明通道的序列帧；

具体的，参数化设置三维模型的呈现效果、旋转动画、帧率及渲染，可以根据不同需求创建各种三维渲染效果。通过程序内部来控制各种参数设置，刻在不同场景中灵活应对，提高了视觉效果和制作效率。

首先，三维模型的视觉效果参数化配置可通过DirectX图形库来控制模型的颜色和透明度，实现具有一定层次感的半透明效果；设置相机的视野角度、位置和朝向，以确定渲染的视角。

其次，三维模型旋转动画参数化设置，可通过旋转矩阵和四元数来控制旋转动画中速度、方向和轴；

1) 旋转速度可以设置每一帧旋转的角度，以控制旋转速度。通过改变每帧的旋转角度，可以创建不同速度的旋转动画；

2) 旋转方向通过设置旋转轴的方向（例如绕X轴、Y轴或Z轴），控制旋转的方向。

3) 根据指定的旋转轴，或者通过变化旋转轴的坐标来实现复杂的旋转路径。

其次，帧率的设置包括帧率限制和变动帧率两个重要因素：

1) 帧率限制：通过设置一个目标帧率，可以控制渲染器的刷新速度。通过在主渲染循环中添加延时来实现，以达到目标帧率。

2) 变动帧率：在运行时可动态调整帧率，以适应不同性能的硬件或应用需求。通过修改目标帧率参数来实现。

再次，将渲染参数存储在配置文件中，便于修改和加载。通过创建用户界面，允可实时调整渲染参数，亦可通过命令行参数传递渲染参数，从外部控制渲染效果。

最后，将参数化设置好的三维模型场景，叠加S3已配置完成的三维模型结构线框效果，输出为带有透明通道的序列帧文件。

S5，将输出的序列帧文件自动合成为APNG格式的动图文件。

程序化自动合并脚本的实现，是使用监视器库来监视S4序列帧输出的目录，使程序自动检测新的序列帧文件的添加或修改并检测序列帧文件的命名排列，应该按顺序排列，例如frame001.png，frame002.png，frame003.png等。然后，将检测到的序列帧加载到内存中，并将它们合成为APNG文件。使用APNG库，将序列帧合成为一个APNG对象，保存输出至指定目录。

APNG文件合成将目录路径、输出路径、帧速率、循环设置等作为程序参数进行配置，以提高灵活性。

需要说明的是，APNG是一种支持动画的位图图像文件格式，是PNG格式的扩展，它具有允许多帧、质量高、透明通道支持和无损压缩等特点，尤其在同一分辨率条件下，APNG的抗锯齿和视觉效果会优于GIF和WebP。

应用该方法会尽量保留原始曲线的关键特征，因此它不会在不必要的情况下破坏曲线的整体形状。这意味着在抽稀后，曲线仍然可以有效地代表原始曲线的大部分信息。

在数据可视化中，曲线简化可以使图形更清晰和易于理解，而不会丧失重要信息。这对于三维模型的线框可视化应用程序非常有用。

本发明提供了一种基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法，通过将三维线框渲染与透明通道结合，使三维模型的结构线框显示在具有一定层次的半透明主体模型上，得到一种内、外部结构清晰可见，且背景透明，便于与具有基础背景的网页等载体融合的轻量化高清的动图，不仅体积小可减少对计算机资源的占用，同时生成的动图质量高，整个三维线框透视动图的制作过程减少了人工干预和效果调优，提升了三维线框透视动图的制作效率。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

结合本文的实施例所描述的方法或者算法的步骤可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或其组合。软件模块可以位于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质连接至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。该ASIC可以位于用户终端中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于用户终端中。

对于软件实现，本申请中描述的技术可用执行本申请所述功能的模块(例如，过程、函数等)来实现。这些软件代码可以存储在存储器单元并由处理器执行。存储器单元可以实现在处理器内，也可以实现在处理器外，在后一种情况下，它经由各种手段以通信方式耦合到处理器，这些都是本领域中所公知的。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

Claims

1.一种基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于几何特征的方法，根据模型的几何属性来检测顶点；

将以上获取到三维模型顶点数据，根据其空间坐标信息，构建模型的边缘并生成三维模型的线框；

采用高斯曲率流方法检测局部极值点，通过在曲面上进行高斯曲率流操作，找到曲率极值点；

将上述抽稀的结构线框信息数据转换为二进制数据结构，并将其保存数据库中

S5，将输出的序列帧文件自动合成为APNG格式的动图文件。

2.如权利要求1所述的一种基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法，其特征在于，参数化设置包括三维模型的视觉效果、展示动画、渲染帧率、渲染参数。

3.如权利要求2所述的一种基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法，其特征在于，所述S3包括如下步骤：

从数据库中检索线框图的二进制数据；

解析线框图的二进制数据，转换为用于渲染的数据结构；

4.如权利要求1所述的一种基于透明通道的三维线框透视动图的渲染合成方法，其特征在于，在所述步骤S5中，通过对所述步骤S4输出的序列帧目录环进行监视，对输出的序列帧进行自动实时合并得到APNG动图文件。