TWI426463B - 曲面渲染系統及方法 - Google Patents

Description

曲面渲染系統及方法

本發明涉及一種曲面構建系統及方法，尤其是關於一種曲面渲染系統及方法。

目前較為成熟的模型重建技術是透過構建曲面來實現的，在構建曲面的過程中，根據實物模型的點雲資料構建曲面、對曲面利用幾何圖形，例如三角形進行網格化以逼近實物面在實踐中被廣泛應用。常用的曲面三角網格化方法有迭代法和迪式(Delaunay)演算法，然而這兩種方法都存在不足之處：用迭代法直接算出曲面的控制點，再根據控制點座標擬合三角形的速度非常慢，且擬合出來的三角形大小不一致，速度和精度都不盡人意；用Delaunav演算法所獲得的三角網格比較規則，但Delaunay演算法致力於提高剖分品質，而導致剖分生成的三角面片的數量巨大，所以速度緩慢。

鑒於以上內容，有必要提供一種曲面渲染系統及方法，可以快速三角網格化曲面，並對網格化後的曲面各區域的三角形根據該區域的平滑程度進行多級細分，提高曲面渲染的速度及精度。

一種曲面渲染系統，應用於資料處理裝置。該系統包括：曲面網 格化模組，用於從與資料處理裝置相連接的儲存設備讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網格化；曲面細分模組，用於根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大小對曲面中的三角形進行多級細分；顯示狀態標示模組，用於確定多級細分後的曲面中的表面三角形及內部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏資訊；及曲面顯示模組，用於確定與資料處理裝置相連接的顯示設備的視口顯示範圍，在所述視口顯示範圍內顯示曲面中的表面三角形。

一種曲面渲染方法，應用於資料處理裝置。該方法包括：(A)從與資料處理裝置相連接的儲存設備讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網格化；(B)根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大小對曲面中的三角形進行多級細分；(C)確定多級細分後的曲面中的表面三角形及內部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏資訊；及(D)確定與資料處理裝置相連接的顯示設備的視口顯示範圍，在所述視口顯示範圍內顯示曲面中的表面三角形。

相較於習知技術，本發明提供的曲面渲染系統及方法可以快速三角網格化曲面，對網格化後的曲面各區域的三角形根據該區域的平滑程度進行多級細分，並快速顯示曲面，提高曲面渲染的速度及精度。

100‧‧‧電子裝置

10‧‧‧曲面渲染系統

20‧‧‧儲存設備

30‧‧‧處理器

40‧‧‧顯示設備

11‧‧‧曲面網格化模組

12‧‧‧曲面細分模組

13‧‧‧顯示狀態標示模組

14‧‧‧曲面顯示模組

圖1係本發明曲面渲染系統較佳實施例之應用環境圖。

圖2係本發明曲面渲染方法較佳實施例之總流程圖。

圖3係圖2中步驟S201之細化流程圖。

圖4係圖2中步驟S203之細化流程圖。

圖5係圖2中步驟S205之細化流程圖。

圖6係圖2中步驟S207之細化流程圖。

如圖1所示，係本發明曲面渲染系統10較佳實施例之應用環境圖。該曲面渲染系統10安裝並運行於電子裝置100。該電子裝置100還包括儲存設備20、處理器30及顯示設備40。

儲存設備20用於儲存曲面相關資料及曲面渲染系統10的電腦化程式碼。儲存設備20可以為電子裝置100內置的記憶體，也可以為電子裝置100外接的記憶體。所述曲面相關資料包括曲面控制點及曲面邊界點。

處理器30執行曲面渲染系統10的電腦化程式碼，實現快速三角網格化曲面、對網格化後的曲面各區域的三角形根據實際平滑程度進行多級細分。

顯示設備40用於顯示網格化前、網格化後及多級細分後的曲面。

所述電子裝置100可以為電腦或其他任意適用的具備資料處理功能的裝置。

該曲面渲染系統10包括：曲面網格化模組11、曲面細分模組12、顯示狀態標示模組13及曲面顯示模組14。

曲面網格化模組11用於從儲存設備20讀取曲面控制點及曲面邊界 點，根據曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網格化(具體介紹請參見圖3)。曲面控制點決定曲面的變化趨勢。曲面邊界點決定曲面的形狀。

曲面細分模組12用於根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大小對曲面中的三角形進行多級細分(具體介紹請參見圖4)。

顯示狀態標示模組13用於確定多級細分後的曲面中的表面三角形及內部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏資訊(具體介紹請參見圖5)。

曲面顯示模組14用於確定顯示設備40的顯示範圍，在顯示範圍內顯示曲面中的表面三角形(具體介紹請參見圖6)。一個視口(viewport)為一個二維的矩形，是顯示設備40的實際顯示區域。

曲面顯示模組14還用於根據視口的變化顯示曲面上不同區域以及不同細分程度的三角形。由於視口的顯示範圍是有限的，不可能一次顯示曲面的所有部分，曲面顯示模組14根據用戶對視口上旋轉功能表的操作調整視口顯示的曲面區域。當用戶利用視口上的縮放功能表對視口上顯示的曲面區域進行縮小、放大操作時，曲面顯示模組14相對應顯示曲面上不同細分級別的三角形。

如圖2所示，係本發明曲面渲染方法較佳實施例之總流程圖。

步驟S201，曲面網格化模組11從儲存設備20讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網格化(具體介紹請參見圖3)

步驟S203，曲面細分模組12根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大小對曲面中的三角形進行多級細分(具體介紹請參見圖4)。

步驟S205，顯示狀態標示模組13確定多級細分後的曲面中的表面三角形及內部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏資訊(具體介紹請參見圖5)。

步驟S207，曲面顯示模組14確定顯示設備40的顯示範圍，在顯示範圍內顯示曲面中的表面三角形(具體介紹請參見圖6)。

步驟S209，曲面顯示模組14根據視口的變化顯示曲面上不同區域以及不同細分程度的三角形。例如，曲面顯示模組14根據用戶對視口上的旋轉功能表的操作調整視口顯示的曲面區域。當用戶對視口上的縮放功能表對視口上顯示的曲面區域進行縮小、放大操作時，曲面顯示模組14相對應顯示曲面上不同細分級別的三角形。

如圖3所示，係圖2中步驟S201之細化流程圖。

步驟S301，曲面網格化模組11從儲存設備20讀取曲面控制點及曲面邊界點組成的三維(three-dimensional，3D)佇列S。

步驟S303，曲面網格化模組11將所述3D佇列S轉換為參數平面中的二維(two-dimensional，2D)佇列Q。轉換公式為：x=j(u，v)，y=ψ(u，v)，z=c(u，v)，其中u、v為參數，其值在0~1範圍內。曲面上的點可以用三維座標表示，也可以用二維參數表示。

步驟S305，曲面網格化模組11獲取3D佇列S中Z值最大的點N，在2D佇列Q中查找與點N相對應的點P1。Z值最大的點N為曲面上最外層的點。

步驟S307，曲面網格化模組11在2D佇列Q中查找與點P1最近的點P2，點P1、P2構成三角形A的一條邊。

步驟S309，曲面網格化模組11在2D佇列Q中查找第三點P3，查找原則是點P1、P2、P3構成的三角形A的外接圓內沒有2D佇列Q中的其他點，使得點P1、P2、P3構成的三角形A接近於等邊三角形。

步驟S311，曲面網格化模組11根據上述查找原則依次在2D佇列Q中查找構成其他三角形的頂點，得到三角網格化後的曲面。

步驟S313，曲面網格化模組11根據查找順序將曲面上的各三角形資訊依次加入三角形標示陣列T。該三角形標示陣列T儲存曲面上每個三角形三個頂點的座標資訊及每個三角形在該三角形標示陣列T中的標記資訊。

如圖4所示，係圖2中步驟S203之細化流程圖。

步驟S401，曲面細分模組12將用戶設定的角度範圍劃分為若干個細分級別。例如，曲面細分模組12將0~90度的範圍劃分為9個細分級別，分別為：0~10度為第1級，10~20度為第2級，20~30度為第3級，30~40度為第4級，40~50度為第5級，50~60度為第6級，60~70度為第7級，70~80度為第8級，及80~90度為第9級。其中，第1級為最精確的細分級別。

步驟S403，曲面細分模組12根據3D佇列S、2D佇列Q計算3D佇列S中每個頂點的向量，每個頂點的向量等於該頂點所在所有三角形的法向量的平均值。

步驟S405，曲面細分模組12讀取2D佇列Q中Z值最大的頂點P1。

步驟S407，曲面細分模組12讀取頂點P1相鄰區域的三角形。例如，曲面細分模組12讀取頂點P1周圍3層的三角形。

步驟S409，曲面細分模組12計算該相鄰區域內(例如頂點P1周圍3層三角形)每個三角形頂點的向量與所有其他三角形頂點的向量的夾角，得到最大夾角，例如最大夾角MaxA。

步驟S411，曲面細分模組12確定最大夾角MaxA所在的細分級別。例如，若MaxA=8度，則屬於細分級別中的第1級；若MaxA=35度，則屬於細分級別中的第4級。

步驟S413，曲面細分模組12獲取所述相鄰區域內相鄰三角形的法向量夾角在該細分級別內的三角形佇列G。

步驟S415，曲面細分模組12判斷該最大夾角(例如MaxA)是否在最精確的細分級別，也就是上述細分級別中的第1級。

如果曲面細分模組12判斷該最大夾角在最精確的細分級別，例如MaxA=8度，也就是說所述相鄰區域內相鄰三角形的法向量夾角都落入最精確的細分級別(即第1級)，則表明該相鄰區域內的三角形平滑程度較好，不需要進一步細分，則流程轉入步驟S421。如果曲面細分模組12判斷該最大夾角不在最精確的細分級別，例 如MaxA=35度，則流程進入步驟S417。

步驟S417，曲面細分模組12得到三角形佇列G中各三角形任意兩邊中線的交點，根據各三角形頂點及所述交點將各三角形分為三個小三角形。需要指出的是，曲面上的三角形是曲面的切平面，一個三角形兩邊中線的交點可能不在曲面上。若一個三角形兩邊中線的交點不在曲面上，則需要先將該交點調整到曲面上，再對該三角形進行細分。

步驟S419，曲面細分模組12計算各相鄰小三角形法向量夾角的最大值Maxa，確定最大值Maxa所在的級別。之後，針對三角形佇列G中每個三角形細分後的小三角形子區域，流程返回步驟S415，直到各小三角形子區域的細分程度滿足所述最精確的細分級別。

步驟S421，曲面細分模組12依據對頂點P1相鄰區域細分的方法繼續對曲面上的其他區域進行細分。

步驟S423，曲面細分模組12輸出細分後的3D佇列S、2D佇列Q及三角形標示陣列T。

如圖5所示，係圖2中步驟S205之細化流程圖。

步驟S501，顯示狀態標示模組13建立3D佇列S的空間包圍盒，使得曲面上所有三角形的每個頂點落入一個小包圍盒。

步驟S503，顯示狀態標示模組13讀取3D佇列S中一點，沿該點所在三角形的正反法線方向分別作兩條射線。例如，顯示狀態標示模組13讀取3D佇列S中的第一點P1，沿點P1所在三角形的正反法 線方向分別作兩條射線U1、U2。

步驟S505，顯示狀態標示模組13將該點所在小包圍盒向周圍擴展若干層(例如在3D空間中擴展3*3*3層)，得到該若干層包圍盒內所有頂點周圍的若干個三角形。

步驟S507，顯示狀態標示模組13求取該兩條射線中任意一條射線與所述若干個三角形的交點。例如，顯示狀態標示模組13求取射線U1、U2與點P1周圍3*3*3層包圍盒內所有頂點周圍的三角形的交點。

步驟S509，顯示狀態標示模組13標示所述若干個三角形中與該兩條射線無交點的三角形為表面三角形，標示所述若干個三角形中與該兩條射線有交點的三角形為內部三角形。例如，顯示狀態標示模組13設置點P1周圍3*3*3層包圍盒內所有頂點周圍的三角形中與射線U1及U2無交點的三角形的標誌為“flag=1”，設置點P1周圍3*3*3層包圍盒內所有頂點周圍的三角形中與射線U1或U2有交點的三角形的標誌為“flag=0”。則若一個三角形的標誌為“flag=1”，表示該三角形為曲面的表面三角形；若標誌為“flag=0”，表示該三角形為曲面的內部三角形。

步驟S511，顯示狀態標示模組13對3D佇列S中其他點重複步驟S503至步驟S509，直到曲面上的所有三角形都標示完畢(例如曲面上的所有三角形都有標誌“flag=1”或“flag=0”)，得到3D佇列S相對應的顯示及隱藏佇列I。

若圖6所示，係圖2中步驟S207之細化流程圖。

步驟S601，曲面顯示模組14讀取用戶輸入的視口的最小頂點及最大頂點的座標確定顯示設備40上視口的顯示範圍。

步驟S603，曲面顯示模組14讀取3D佇列S的顯示及隱藏佇列I。

步驟S605，曲面顯示模組14在視口的顯示範圍內顯示曲面的表面三角形。由於曲面的內部三角形及超出視口顯示範圍的表面三角形都不顯示，所以可以實現曲面的快速顯示。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，且已達廣泛之使用功效，凡其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成之均等變化或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

S201‧‧‧根據曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網格化

S203‧‧‧根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大小對曲面中的三角形進行多級細分

S205‧‧‧確定多級細分後曲面中的表面三角形及內部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏資訊

S207‧‧‧確定視口顯示範圍，在視口顯示範圍內顯示曲面中的表面三角形

S209‧‧‧根據視口的變化顯示曲面上不同區域以及不同細分程度的三角形

Claims (9)

1. 一種曲面渲染方法，應用於資料處理裝置，該方法包括：曲面網格化步驟：從與資料處理裝置相連接的儲存設備讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網格化；曲面細分步驟：根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大小對曲面中的三角形進行多級細分，包括：將用戶設定的角度範圍劃分為若干個細分級別；根據所述三維佇列、二維佇列計算所述三維佇列中每個頂點的向量，每個頂點的向量等於該頂點所在所有三角形的法向量的平均值；讀取二維佇列中的第一點；讀取該第一點相鄰區域的三角形；計算該相鄰區域內每個頂點的向量與所有其他頂點的向量的夾角，得到最大夾角；確定該最大夾角所在的細分級別；讀取所述相鄰區域內相鄰三角形的法向量夾角在該細分級別內的三角形佇列；判斷所述最大夾角是否在最精確的細分級別；當該最大夾角不在最精確的細分級別時，得到所述三角形佇列中各三角形任意兩邊中線的交點，根據各三角形頂點及所述交點將各三角形分為三個小三角形； 計算各相鄰小三角形法向量夾角的最大值，確定該最大值所在的級別，針對三角形佇列中每個三角形細分後的小三角形子區域，流程自所述判斷步驟開始重複，直到各小三角形子區域的細分程度滿足所述最精確的細分級別；及依據對二維佇列中第一點相鄰區域細分的方法對曲面上的其他區域進行多級細分；曲面顯示及隱藏資訊確定步驟：確定多級細分後的曲面中的表面三角形及內部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏資訊；及曲面顯示步驟：確定與資料處理裝置相連接的顯示設備的視口顯示範圍，在所述視口顯示範圍內顯示曲面中的表面三角形。
2. 如申請專利範圍第1項所述之曲面渲染方法，還包括曲面顯示變化步驟：根據視口的變化顯示曲面上不同區域以及不同細分程度的三角形。
3. 如申請專利範圍第1項所述之曲面渲染方法，其中，所述曲面網格化步驟包括：從所述儲存設備讀取曲面控制點及曲面邊界點組成的三維佇列；將所述三維佇列轉換為參數平面中的二維佇列；獲取所述三維佇列中表示曲面上最外層的點，在所述二維佇列中查找該最外層的點的相對應的點，視該相對應的點為二維佇列中的第一點；在所述二維佇列中查找與第一點最近的第二點，該第一點、第二點構成三角形的一條邊；在所述二維佇列中查找第三點，查找原則是第一點、第二點、第 三點構成的三角形的外接圓內沒有所述二維佇列中的其他點，使得第一點、第二點、第三點構成的三角形接近於等邊三角形；根據上述原則依次在所述二維佇列中查找構成其他三角形的頂點，得到三角網格化後的曲面；及根據查找順序將曲面上的各三角形資訊依次加入三角形標示陣列。
4. 如申請專利範圍第3項所述之曲面渲染方法，其中，所述三角形標示陣列儲存曲面上每個三角形三個頂點的座標資訊及每個三角形在該三角形標示陣列中的標記資訊。
5. 如申請專利範圍第1項所述之曲面渲染方法，其中，若一個三角形兩邊中線的交點不在曲面上，先將該交點調整到曲面上，再對該三角形進行細分。
6. 如申請專利範圍第1項所述之曲面渲染方法，其中，所述曲面顯示及隱藏資訊確定步驟包括：建立所述三維佇列的空間包圍盒，使得曲面上三角形的每個頂點落入一個小包圍盒；讀取所述三維佇列中表示曲面最外層的點，沿該點所在三角形的正反法線方向分別作兩條射線；將該點所在小包圍盒向周圍擴展若干層，得到該若干層包圍盒內所有頂點周圍的若干個三角形；求取該兩條射線與所述若干個三角形的交點；標示所述若干個三角形中與該兩條射線均無交點的三角形為曲面的表面三角形，標示所述若干個三角形中與該兩條射線中任意一條射線有交點的三角形為曲面的內部三角形；及 對所述三維佇列中的其他點自所述讀取步驟開始重複，直到曲面上的所有三角形都標示為曲面的表面三角形或內部三角形，得到所述三維佇列的顯示及隱藏佇列。
7. 如申請專利範圍第1項所述之曲面渲染方法，其中，所述曲面顯示步驟包括：讀取用戶輸入的視口的最小頂點及最大頂點的座標確定與所述資料處理設備相連接的顯示設備的視口顯示範圍；讀取所述三維佇列的顯示及隱藏佇列；及在所述視口顯示範圍內顯示曲面的表面三角形。
8. 一種曲面渲染系統，應用於資料處理裝置，該系統包括：曲面網格化模組，用於從與資料處理裝置相連接的儲存設備讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網格化；曲面細分模組，用於根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大小對曲面中的三角形進行多級細分，包括：將用戶設定的角度範圍劃分為若干個細分級別；根據所述三維佇列、二維佇列計算所述三維佇列中每個頂點的向量，每個頂點的向量等於該頂點所在所有三角形的法向量的平均值；讀取二維佇列中的第一點；讀取該第一點相鄰區域的三角形；計算該相鄰區域內每個頂點的向量與所有其他頂點的向量的夾角，得到最大夾角；確定該最大夾角所在的細分級別； 讀取所述相鄰區域內相鄰三角形的法向量夾角在該細分級別內的三角形佇列；判斷所述最大夾角是否在最精確的細分級別；當該最大夾角不在最精確的細分級別時，得到所述三角形佇列中各三角形任意兩邊中線的交點，根據各三角形頂點及所述交點將各三角形分為三個小三角形；計算各相鄰小三角形法向量夾角的最大值，確定該最大值所在的級別，針對三角形佇列中每個三角形細分後的小三角形子區域，流程自所述判斷步驟開始重複，直到各小三角形子區域的細分程度滿足所述最精確的細分級別；及依據對二維佇列中第一點相鄰區域細分的方法對曲面上的其他區域進行多級細分；顯示狀態標示模組，用於確定多級細分後的曲面中的表面三角形及內部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏資訊；及曲面顯示模組，用於確定與資料處理裝置相連接的顯示設備的視口顯示範圍，在所述視口顯示範圍內顯示曲面中的表面三角形。
9. 如申請專利範圍第8項所述之曲面渲染系統，其中，所述曲面顯示模組還用於根據視口的變化顯示曲面上不同區域以及不同細分程度的三角形。