CN117940961A - 网格面元简化 - Google Patents
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Abstract
本文描述了简化面元的连通性数据的方法。考虑到高分辨率网格信息而生成面元。在面元级别简化连通性数据，同时仍然保留几何图像。对于连通性简化，只对面元内部的三角形进行简化。如果仍然保留边界，则3D的重建将不会遭受伪像。高分辨率几何图像可以用于逆转简化并改善解码器侧的连通性。描述了面元网格简化的三个实施例：二次误差边折叠，边界距离边折叠，以及仅边界三角形。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2022年3月25日提交的标题为“MESH PATCHSIMPLIFICATION”的序列号为63/269,909的美国临时专利申请的优先权，其在此以引用的方式整体并入用于所有目的。
技术领域
本发明涉及三维图形。更具体地说，本发明涉及三维图形的编码。
背景技术
最近，一种基于从3D到2D投影来压缩诸如点云之类的体积内容的新颖方法正在标准化。也称为V3C(基于视觉体积视频的压缩)的该方法将3D体积数据映射成几个2D面元(patch)，然后进一步将这些面元排列成图集图像，该图集图像随后用视频编码器进行编码。图集图像对应于点的几何形状、各自的纹理以及占用图，该占用图指示针对点云重建要考虑哪些位置。
2017年，MPEG发布了用于点云压缩的提案征集(CfP)。在评估了几个提案之后，目前MPEG正在考虑两种不同的用于点云压缩的技术：3D原生(native)编码技术(基于八叉树和类似的编码方法)，或3D到2D投影，接着是传统的视频编码。在动态3D场景的情况下，MPEG正在使用基于面元表面建模、从3D到2D图像的面元的投影、以及用诸如HEVC之类的视频编码器对2D图像进行编码的测试模型软件(TMC2)。该方法已被证明比原生3D编码更有效，并且能够以可接受的质量实现具有竞争力的比特率。
由于基于投影的方法(也称为基于视频的方法，或V-PCC)的编码3D点云的成功，该标准预计将在未来的版本中包括更多的3D数据，诸如3D网格之类。然而，该标准的当前版本仅适用于未连接的点集的传输，因此没有发送点的连通性的机制，而它在3D网格压缩中是所需的。
已经提出了将V-PCC的功能也扩展到网格的方法。一种可能的方法是使用V-PCC对顶点进行编码，然后使用像TFAN或Edgebreaker那样的网格压缩方法对连通性进行编码。该方法的限制在于原始网格必须是密集的，使得从顶点生成的点云不是稀疏的，并且可以在投影后有效地编码。此外，顶点的顺序影响连通性的编码，并且重组网格连通性的不同方法已被提出。对稀疏网格进行编码的替代方法是使用RAW面元数据对3D中的顶点位置进行编码。由于原始面元直接对(x，y，z)进行编码，因此在该方法中，所有顶点都被编码为原始数据，而连通性则通过如前所述的类似网格压缩方法进行编码。注意，在RAW面元中，顶点可能以任何优选顺序发送，因此可以使用从连通性编码生成的顺序。该方法可以对稀疏点云进行编码，然而，RAW面元对3D数据的编码效率不高，并且该方法可能缺少诸如三角形面的属性之类的进一步数据。
发明内容
本文描述了简化面元的连通性数据的方法。首先，考虑到高分辨率网格信息而生成面元。在面元级别简化连通性数据，同时仍然保留几何图像。对于连通性简化，只允许对面元内部的三角形进行简化。如果仍然保留边界，则3D的重建将不会遭受伪像，诸如由于不匹配的边界顶点而导致的面元之间的间隙。高分辨率几何图像可以用于逆转简化并改善解码器侧的连通性。描述了面元网格简化的三个实施例：二次误差边(edge)折叠(collapse)，边界距离边折叠，以及仅边界三角形。头两种方法执行边折叠，但遵循不同的标准。二次误差度量使用3D度量来检查移动顶点时可能的失真，并在2D投影空间中强制执行三角形法线一致性和边界保留。对于边界距离，边折叠的标准是到边界的距离，其中距离边界最远的顶点首先被折叠。最后，仅发送边界三角形的方法消除了所有未连接到边界的三角形，并且仅发送具有属于面元的边界的至少一个边的三角形。
在一个方面，一种编程在设备的非暂态存储器中的方法包括生成面元以及执行二维面元网格简化以生成新的面列表和新的顶点列表。执行二维面元网格简化包括二次误差边折叠实现。该二次误差边折叠实现包括基于二次误差度量的半边折叠。执行二维面元网格简化包括边界距离边折叠实现。该边界距离边折叠实现包括根据到面元边界的最小距离对顶点列表进行排序以及将顶点与距离边界最远的邻居顶点折叠。执行二维面元网格简化包括仅边界三角形实现。仅边界三角形实现包括旋转三角形，使得该三角形的第一边在边界处。该方法还包括在解码器处实现网格重构，这包括使用边界三角形和解码后的几何视频的行进立方体。
在另一个方面，一种装置包括用于存储应用程序的非暂态存储器，该应用程序用于：生成面元以及执行二维面元网格简化以生成新的面列表和新的顶点列表，以及耦合到该存储器的处理器，该处理器被配置用于处理该应用程序。执行二维面元网格简化包括二次误差边折叠实现。该二次误差边折叠实现包括基于二次误差度量的半边折叠。执行二维面元网格简化包括边界距离边折叠实现。该边界距离边折叠实现包括根据到面元边界的最小距离对顶点列表进行排序以及将顶点与距离边界最远的邻居顶点折叠。执行二维面元网格简化包括仅边界三角形实现。仅边界三角形实现包括旋转三角形，使得该三角形的第一边在边界处。该应用程序还被配置用于在解码器处实现网格重构，这包括使用边界三角形和解码后的几何视频的行进立方体。
在另一个方面，一种系统包括编码器，该解码器被配置用于：生成面元以及执行二维面元网格简化以生成新的面列表和新的顶点列表，以及解码器，该解码器被配置用于：实现网格重构，这包括使用边界三角形和解码后的几何视频的行进立方体。执行二维面元网格简化包括二次误差边折叠实现。该二次误差边折叠实现包括基于二次误差度量的半边折叠。执行二维面元网格简化包括边界距离边折叠实现。该边界距离边折叠实现包括根据到面元边界的最小距离对顶点列表进行排序以及将顶点与距离边界最远的邻居顶点折叠。执行二维面元网格简化包括仅边界三角形实现。仅边界三角形实现包括旋转三角形，使得该三角形的第一边在边界处。
附图说明
图1示出了根据一些实施例的生成新的面列表和新的顶点列表的方法的流程图。
图2示出了根据一些实施例的二次误差折叠的图。
图3示出了根据一些实施例发送的仅具有边界三角形的网格的图像。
图4示出了根据一些实施例的边界距离边折叠的图。
图5示出了根据一些实施例的被配置为实施网格面元简化方法的示例性计算设备的框图。
具体实施方式
本文描述了简化面元的连通性数据的方法。首先，考虑到高分辨率网格信息而生成面元。在面元级别简化连通性数据，同时仍然保留几何图像。对于连通性简化，只允许对面元内部的三角形进行简化。如果仍然保留边界，则3D的重建将不会遭受伪像，诸如由于不匹配的边界顶点而导致的面元之间的间隙。高分辨率几何图像可以用于逆转简化并改善解码器侧的连通性。描述了面元网格简化的三个实施例：二次误差边折叠，边界距离边折叠，以及仅边界三角形。头两种方法执行边折叠，但遵循不同的标准。二次误差度量使用3D度量来检查移动顶点时可能的失真，并在2D投影空间中强制执行三角形法线一致性和边界保存。对于边界距离，边折叠的标准是到边界的距离，其中距离边界最远的顶点首先被折叠。最后，仅发送边界三角形的方法消除了所有未连接到边界的三角形，并且仅发送具有属于面元的边界的至少一个边的三角形。
图1示出了根据一些实施例的生成新的面列表和新的顶点列表的方法的流程图。在步骤100中，接收或获取输入网格。例如，输入网格被下载(例如，从网络设备)或被设备(例如，相机或自动驾驶车辆)获取/捕获。在步骤102中，输入网格被分割成面元。能够执行任何面元分割实现。该面元分割在步骤104中生成面列表(例如，连通性)和顶点列表。在步骤106中，执行深度生成。在步骤108中，基于深度生成来生成高分辨率深度图。在步骤110中，面元对象使得能够使用面列表和顶点列表重新生成对象。
在步骤112中，实现面元生成面元生成(或创建)。在一些实施例中，面元生成包括：法线计算、邻接计算、初始分割；细化、面元投影和面元栅格化。法线计算是计算每个三角形的法线(例如，三角形的边的叉积)。邻接计算涉及计算每个三角形的邻接(例如，网格中的哪些三角形邻接或接触当前三角形或其他三角形)。初始分割包括根据取向对法线进行分类。例如，三角形的法线能够指向上、下、左、右、前或后，并且能够基于方向/取向进行分类。在一些实施例中，三角形基于其法线的取向而被用颜色编码(例如，具有指向上的法线的所有三角形被着色为绿色)。细化涉及定位异常者(例如，由蓝色三角形包围的单个红色三角形)并平滑异常者(例如，改变单个红色三角形以匹配其蓝色的邻居)。通过分析邻居和平滑取向(例如，调整法线的取向)来执行细化。一旦存在平滑表面，则执行面元投影，其涉及针对三角形的特定分类(例如，基于取向)投影面元。利用投影，顶点和连通性显示在面元上。例如，本示例中的身体和面部是单独的投影，因为有不同分类的三角形将这两者分开。V3C和V-PCC并不理解这一点；而是，V3C和V-PCC理解点，因此投影被栅格化(例如，对表面上的点进行采样，包括点的距离，以生成几何图像和表面的属性)。栅格化网格表面与V3C图像非常类似。能够在任何标准实现中执行步骤100到112。
在步骤114中，对生成的面元执行面元网格(2D)简化。面元网格(2D)简化减少了发送(例如，编码)的数据量。然而，发送的数据足以恢复网格。如本文所述，有用于面元网格(2D)简化的三种不同的实现：二次误差边折叠、边界距离边折叠和仅边界三角形。在步骤116中，基于面元网格(2D)简化生成新的面列表和新的顶点列表，它们被发送/编码。在一些实施例中，实施更少或额外的步骤。例如，解码器能够被实现以解码面元网格。在一些实施例中，步骤的顺序被修改。
图2示出了根据一些实施例的二次误差折叠的图。原始面元网格200具有334个面。使用二次误差计算，能够确定二次误差度量。
通过以下方式获得顶点vi(QMvi)的二次误差矩阵：
其中Ni是包含顶点i的三角形的集合。通过以下方式计算具有顶点(vA，vB，vC)的三角形的二次误差矩阵：
c＝d*d
QMtj＝(A,B,c)
然后，将顶点vi移动到位置vj的代价由如下公式给出：
基于二次误差度量，能够实现半边折叠。如图所示，原始连通性202能够折叠成具有更少点的连通性204。与原始面元网格200的334个面相比，简化的面元206具有166个面。简化的面元206保留了面元周围的顶点(例如，外边顶点)，但是内部的三角形以与原始面元网格不同的方式进行组织。也与完整简化网格212相比示出了完整原始网格210。通过具有更少的面(并且由于更少的顶点)，要编码的数据少得多。
图3示出了根据一些实施例发送的仅具有边界三角形的网格的图像。只保留边界处的三角形。要知道哪些三角形在边界处，旋转三角形，使得该三角形的第一边是边界处的边。如果多于一个边在边界处，则发送多于一个三角形。如果三角形没有在边界处的任何边，则不发送该三角形。在解码器侧，实现网格重构，这包括使用利用边界三角形和解码后的几何视频的行进立方体。几何视频指示表面应该在哪里，然后在表面上执行行进立方体以重新生成三角形。在执行行进立方体时，该过程从已经发送的边界三角形开始。
图4示出了根据一些实施例的边界距离边折叠的图。边折叠能够基于到边界的距离。顶点列表能够根据其到面元边界的最小距离进行排序。顶点与距离边界最远的邻居折叠。该实现编码效率更高，但峰值信噪比(PSNR)更低。顶点差分实现能够用于改进PSNR。
边界上的顶点被很好地解码，因为拉链扣紧(zippering)能够用于恢复边界。在视频压缩方面，由于中间的点通常在更平滑的区域上，因此位于面元中间的点可能比边界上的点具有更少的伪像。
如图所示，初始面元网格400具有334个面，但是使用边界距离边折叠的面元网格402具有166个面，其具有与二次误差实现404相同或类似的数量(例如，166个)的面。
图5示出了根据一些实施例的被配置为实施网格面元简化方法的示例性计算设备的框图。计算设备500能够用于获取、存储、计算、处理、传送和/或显示包括3D内容的诸如图像和视频之类的信息。计算设备500能够实现编码/解码方面中的任何一个。一般而言，适用于实现计算设备500的硬件结构包括网络接口502、存储器504、处理器506、一个或多个I/O设备508、总线510和存储设备512。只要选择具有足够速度的合适处理器，处理器的选择就不是关键。存储器504能够是本领域已知的任何常规计算机存储器。存储设备512能够包括硬盘驱动器、CDROM、CDRW、DVD、DVDRW、高清晰度光盘/驱动器、超高清驱动器、闪存卡或任何其它存储设备。计算设备500能够包括一个或多个网络接口502。网络接口的示例包括连接到以太网或其它类型的LAN的网络卡。一个或多个I/O设备508能够包括以下中的一个或多个：键盘、鼠标、监视器、屏幕、打印机、调制解调器、触摸屏、按钮接口和其它设备。用于实现网格面元简化实现的一个或多个网格面元简化应用程序530很可能被存储在存储设备512和存储器504中并且如应用程序通常被处理那样被处理。在图5中示出的更多或更少的组件能够被包括在计算设备500中。在一些实施例中，网格面元简化硬件520被包括。虽然图5中的计算设备500包括用于网格面元简化实现的应用程序530和硬件520，但是网格面元简化方法能够在计算设备上以硬件、固件、软件或其任何组合来实现。例如，在一些实施例中，网格面元简化应用程序530被编程在存储器中并使用处理器来执行。在另一示例中，在一些实施例中，网格面元简化硬件520是包括专门设计用于实现网格面元简化方法的门的编程硬件逻辑。
在一些实施例中，一个或多个网格面元简化应用程序530包括几个应用程序和/或模块。在一些实施例中，模块也包括一个或多个子模块。在一些实施例中，能够包括更少的或附加的模块。
合适的计算设备的示例包括个人计算机、膝上型计算机、计算机工作站、服务器、大型计算机、手持计算机、个人数字助理、蜂窝/移动电话、智能器具、游戏机、数码相机、数字摄像机、相机电话、智能电话、便携式音乐播放器、平板计算机、移动设备、视频播放器、视频光盘写入器/播放器(例如，DVD写入器/播放器、高清晰度光盘写入器/播放器、超高清晰度光盘写入器/播放器)、电视机、家庭娱乐系统、增强现实设备、虚拟现实设备、智能珠宝(例如，智能手表)、车辆(例如，自动驾驶车辆)或任何其他合适的计算设备。
为了利用网格面元简化方法，设备获取或接收3D内容(例如，点云内容)。网格面元简化方法能够在用户协助下实现或在没有用户参与的情况下自动实现。
在操作中，网格面元简化方法实现了与先前实现相比更高效和更精确的3D内容编码。
网格面元简化的一些实施例
1.一种编程在设备的非暂态存储器中的方法，包括：
生成面元；以及
执行二维面元网格简化以生成新的面列表和新的顶点列表。
2.如条款1所述的方法，其中，执行二维面元网格简化包括二次误差边折叠实现。
3.如条款2所述的方法，其中，所述二次误差边折叠实现包括基于二次误差度量的半边折叠。
4.如条款1所述的方法，其中，执行二维面元网格简化包括边界距离边折叠实现。
5.如条款4所述的方法，其中，所述边界距离边折叠实现包括根据到面元边界的最小距离对顶点列表进行排序，以及将顶点与距离边界最远的邻居顶点折叠。
6.如条款1所述的方法，其中，执行二维面元网格简化包括仅边界三角形实现。
7.如条款6所述的方法，其中，所述仅边界三角形实现包括旋转三角形，使得该三角形的第一边在边界处。
8.如条款6所述的方法，还包括在解码器处实现网格重构，这包括使用边界三角形和解码后的几何视频的行进立方体。
9.一种装置，包括：
用于存储应用程序的非暂态存储器，所述应用程序用于：
生成面元；以及
执行二维面元网格简化以生成新的面列表和新的顶点列表；以及
耦合到所述存储器的处理器，所述处理器被配置用于处理所述应用程序。
10.如条款9所述的装置，其中，执行二维面元网格简化包括二次误差边折叠实现。
11.如条款10所述的装置，其中，所述二次误差边折叠实现包括基于二次误差度量的半边折叠。
12.如条款9所述的装置，其中，执行二维面元网格简化包括边界距离边折叠实现。
13.如条款12所述的装置，其中，所述边界距离边折叠实现包括根据到面元边界的最小距离对顶点列表进行排序，以及将顶点与距离边界最远的邻居顶点折叠。
14.如条款9所述的装置，其中，执行二维面元网格简化包括仅边界三角形实现。
15.如条款14所述的装置，其中，所述仅边界三角形实现包括旋转三角形，使得该三角形的第一边在边界处。
16.如条款14所述的装置，其中，所述应用程序还被配置用于在解码器处实现网格重构，这包括使用边界三角形和解码后的几何视频的行进立方体。
17.一种系统，包括：
编码器，被配置用于：
生成面元；以及
执行二维面元网格简化以生成新的面列表和新的顶点列表；以及
解码器，被配置用于：
实现网格重构，这包括使用边界三角形和解码后的几何视频的行进立方体。
18.如条款17所述的系统，其中，执行二维面元网格简化包括二次误差边折叠实现。
19.如条款18所述的系统，其中，所述二次误差边折叠实现包括基于二次误差度量的半边折叠。
20.如条款17所述的系统，其中，执行二维面元网格简化包括边界距离边折叠实现。
21.如条款20所述的系统，其中，所述边界距离边折叠实现包括根据到面元边界的最小距离对顶点列表进行排序，以及将顶点与距离边界最远的邻居顶点折叠。
22.如条款17所述的系统，其中，执行二维面元网格简化包括仅边界三角形实现。
23.如条款22所述的系统，其中，所述仅边界三角形实现包括旋转三角形，使得该三角形的第一边在边界处。
本发明已经在结合细节的具体实施例方面进行了描述，以便于理解本发明的构造和操作的原理。本文中对特定实施例及其细节的此类引用并不旨在限制所附权利要求的范围。对于本领域技术人员将容易清楚的是，可以在为了说明而选择的实施例中进行其他各种修改，而不背离由权利要求限定的本发明的精神和范围。
Claims (23)
1.一种编程在设备的非暂态存储器中的方法，包括：
生成面元；以及
执行二维面元网格简化以生成新的面列表和新的顶点列表。
2.如权利要求1所述的方法，其中，执行二维面元网格简化包括二次误差边折叠实现。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述二次误差边折叠实现包括基于二次误差度量的半边折叠。
4.如权利要求1所述的方法，其中，执行二维面元网格简化包括边界距离边折叠实现。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述边界距离边折叠实现包括根据到面元边界的最小距离对顶点列表进行排序，以及将顶点与距离边界最远的邻居顶点折叠。
6.如权利要求1所述的方法，其中，执行二维面元网格简化包括仅边界三角形实现。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述仅边界三角形实现包括旋转三角形，使得该三角形的第一边在边界处。
8.如权利要求6所述的方法，还包括在解码器处实现网格重构，这包括使用边界三角形和解码后的几何视频的行进立方体。
9.一种装置，包括：
用于存储应用程序的非暂态存储器，所述应用程序用于：
生成面元；以及
执行二维面元网格简化以生成新的面列表和新的顶点列表；以及
耦合到所述存储器的处理器，所述处理器被配置用于处理所述应用程序。
10.如权利要求9所述的装置，其中，执行二维面元网格简化包括二次误差边折叠实现。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述二次误差边折叠实现包括基于二次误差度量的半边折叠。
12.如权利要求9所述的装置，其中，执行二维面元网格简化包括边界距离边折叠实现。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述边界距离边折叠实现包括根据到面元边界的最小距离对顶点列表进行排序，以及将顶点与距离边界最远的邻居顶点折叠。
14.如权利要求9所述的装置，其中，执行二维面元网格简化包括仅边界三角形实现。
15.如权利要求14所述的装置，其中，所述仅边界三角形实现包括旋转三角形，使得该三角形的第一边在边界处。
16.如权利要求14所述的装置，其中，所述应用程序还被配置用于在解码器处实现网格重构，这包括使用边界三角形和解码后的几何视频的行进立方体。
17.一种系统，包括：
编码器，被配置用于：
生成面元；以及
执行二维面元网格简化以生成新的面列表和新的顶点列表；以及
解码器，被配置用于：
实现网格重构，这包括使用边界三角形和解码后的几何视频的行进立方体。
18.如权利要求17所述的系统，其中，执行二维面元网格简化包括二次误差边折叠实现。
19.如权利要求18所述的系统，其中，所述二次误差边折叠实现包括基于二次误差度量的半边折叠。
20.如权利要求17所述的系统，其中，执行二维面元网格简化包括边界距离边折叠实现。
21.如权利要求20所述的系统，其中，所述边界距离边折叠实现包括根据到面元边界的最小距离对顶点列表进行排序，以及将顶点与距离边界最远的邻居顶点折叠。
22.如权利要求17所述的系统，其中，执行二维面元网格简化包括仅边界三角形实现。
23.如权利要求22所述的系统，其中，所述仅边界三角形实现包括旋转三角形，使得该三角形的第一边在边界处。
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Legal Events
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