專利名稱：曲面渲染系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種曲面構(gòu)建系統(tǒng)及方法，尤其是關(guān)于一種曲面渲染系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
目前較為成熟的模型重建技術(shù)是通過構(gòu)建曲面來實現(xiàn)的，在構(gòu)建曲面的過程中， 根據(jù)實物模型的點云數(shù)據(jù)構(gòu)建曲面、對曲面利用幾何圖形，例如三角形進行網(wǎng)格化以逼近 實物面在實踐中被廣泛應(yīng)用。常用的曲面三角網(wǎng)格化方法有迭代法和迪式(Delaimay)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(jù)控制點坐標 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 Delaimay算法所獲得的三角網(wǎng)格比較規(guī)則，但Delaimay算法致力于提高剖分質(zhì)量，而導(dǎo)致 剖分生成的三角面片的數(shù)量巨大，所以速度緩慢。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上內(nèi)容，有必要提供一種曲面渲染系統(tǒng)，可以快速三角網(wǎng)格化曲面，并對網(wǎng) 格化后的曲面各區(qū)域的三角形根據(jù)該區(qū)域的平滑程度進行多級細分，提高曲面渲染的速度 及精度。此外，還有必要提供一種曲面渲染方法，可以快速三角網(wǎng)格化曲面，并對網(wǎng)格化后 的曲面各區(qū)域的三角形根據(jù)該區(qū)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(tǒng)，應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理裝置。該系統(tǒng)包括曲面網(wǎng)格化模塊，用于從 與數(shù)據(jù)處理裝置相連接的存儲設(shè)備讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據(jù)曲面控制點及曲面 邊界點對曲面進行三角網(wǎng)格化；曲面細分模塊，用于根據(jù)網(wǎng)格化后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(tài)標示模塊，用于確定多級細分 后的曲面中的表面三角形及內(nèi)部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏信息；及曲 面顯示模塊，用于確定與數(shù)據(jù)處理裝置相連接的顯示設(shè)備的視口顯示范圍，在所述視口顯 示范圍內(nèi)顯示曲面中的表面三角形。一種曲面渲染方法，應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理裝置。該方法包括(A)從與數(shù)據(jù)處理裝置相 連接的存儲設(shè)備讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據(jù)曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行 三角網(wǎng)格化；(B)根據(jù)網(wǎng)格化后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)確定多級細分后的曲面中的表面三角形及內(nèi)部三角形，得到曲面中所 有三角形的顯示及隱藏信息；及(D)確定與數(shù)據(jù)處理裝置相連接的顯示設(shè)備的視口顯示范 圍，在所述視口顯示范圍內(nèi)顯示曲面中的表面三角形。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的曲面渲染系統(tǒng)及方法可以快速三角網(wǎng)格化曲面， 對網(wǎng)格化后的曲面各區(qū)域的三角形根據(jù)該區(qū)域的平滑程度進行多級細分，并快速顯示曲 面，提高曲面渲染的速度及精度。


圖1是本發(fā)明曲面渲染系統(tǒng)較佳實施例的應(yīng)用環(huán)境圖。圖2是本發(fā)明曲面渲染方法較佳實施例的總流程圖。圖3是圖2中步驟S201的細化流程圖。圖4是圖2中步驟S203的細化流程圖。圖5是圖2中步驟S205的細化流程圖。圖6是圖2中步驟S207的細化流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，是本發(fā)明曲面渲染系統(tǒng)10較佳實施例的應(yīng)用環(huán)境圖。該曲面渲染系 統(tǒng)10安裝并運行于電子裝置100。該電子裝置100還包括存儲設(shè)備20、處理器30及顯示 設(shè)備40。存儲設(shè)備20用于存儲曲面相關(guān)資料及曲面渲染系統(tǒng)10的計算機化程序代碼。存 儲設(shè)備20可以為電子裝置100內(nèi)置的存儲器，也可以為電子裝置100外接的存儲器。所述 曲面相關(guān)資料包括曲面控制點及曲面邊界點。處理器30執(zhí)行曲面渲染系統(tǒng)10的計算機化程序代碼，實現(xiàn)快速三角網(wǎng)格化曲面、 對網(wǎng)格化后的曲面各區(qū)域的三角形根據(jù)實際平滑程度進行多級細分。顯示設(shè)備40用于顯示網(wǎng)格化前、網(wǎng)格化后及多級細分后的曲面。所述電子裝置100可以為計算機或其它任意適用的具備數(shù)據(jù)處理功能的裝置。該曲面渲染系統(tǒng)10包括曲面網(wǎng)格化模塊11、曲面細分模塊12、顯示狀態(tài)標示模 塊13及曲面顯示模塊14。曲面網(wǎng)格化模塊11用于從存儲設(shè)備20讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據(jù)曲面 控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網(wǎng)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。曲面細分模塊12用于根據(jù)網(wǎng)格化后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(tài)標示模塊13用于確定多級細分后的曲面中的表面三角形及內(nèi)部三角 形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏信息(具體介紹請參見圖5)。曲面顯示模塊14用于確定顯示設(shè)備40的顯示范圍，在顯示范圍內(nèi)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(shè)備 40的實際顯示區(qū)域。曲面顯示模塊14還用于根據(jù)視口的變化顯示曲面上不同區(qū)域以及不同細分程度 的三角形。由于視口的顯示范圍是有限的，不可能一次顯示曲面的所有部分，曲面顯示模塊 14根據(jù)用戶對視口上旋轉(zhuǎn)菜單的操作調(diào)整視口顯示的曲面區(qū)域。當用戶利用視口上的縮放 菜單對視口上顯示的曲面區(qū)域進行縮小、放大操作時，曲面顯示模塊14相應(yīng)顯示曲面上不 同細分級別的三角形。如圖2所示，是本發(fā)明曲面渲染方法較佳實施例的總流程圖。步驟S201，曲面網(wǎng)格化模塊11從存儲設(shè)備20讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據(jù) 曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網(wǎng)格化(具體介紹請參見圖3)
步驟S203，曲面細分模塊12根據(jù)網(wǎng)格化后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(tài)標示模塊13確定多級細分后的曲面中的表面三角形及內(nèi)部 三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏信息(具體介紹請參見圖5)。步驟S207，曲面顯示模塊14確定顯示設(shè)備40的顯示范圍，在顯示范圍內(nèi)顯示曲面 中的表面三角形(具體介紹請參見圖6)。步驟S209，曲面顯示模塊14根據(jù)視口的變化顯示曲面上不同區(qū)域以及不同細分 程度的三角形。例如，曲面顯示模塊14根據(jù)用戶對視口上的旋轉(zhuǎn)菜單的操作調(diào)整視口顯示 的曲面區(qū)域。當用戶對視口上的縮放菜單對視口上顯示的曲面區(qū)域進行縮小、放大操作時， 曲面顯示模塊14相應(yīng)顯示曲面上不同細分級別的三角形。如圖3所示，是圖2中步驟S201的細化流程圖。步驟S301，曲面網(wǎng)格化模塊11從存儲設(shè)備20讀取曲面控制點及曲面邊界點組成 的三維(three-dimensional, 3D)隊列 S。步驟S303，曲面網(wǎng)格化模塊11將所述3D隊列S轉(zhuǎn)換為參數(shù)平面中的二維 (two-dimensional, 2D)隊列 Q。轉(zhuǎn)換公式為:x = j(u,v),y = V (u，v)，z = c (u，v)，其中 u、v為參數(shù)，其值在0 1范圍內(nèi)。曲面上的點可以用三維坐標表示，也可以用二維參數(shù)表
7J\ o步驟S305，曲面網(wǎng)格化模塊11獲取3D隊列S中Z值最大的點N，在對2D隊列Q 中查找與點N對應(yīng)的點PI。Z值最大的點N為曲面上最外層的點。步驟S307,曲面網(wǎng)格化模塊11在2D隊列Q中查找與點P1最近的點P2，點P1、P2 構(gòu)成三角形A的一條邊。步驟S309，曲面網(wǎng)格化模塊11在2D隊列Q中查找第三點P3，查找原則是點P1、 P2、P3構(gòu)成的三角形A的外接圓內(nèi)沒有2D隊列Q中的其它點，使得點PI、P2、P3構(gòu)成的三 角形A接近于等邊三角形。步驟S311，曲面網(wǎng)格化模塊11根據(jù)上述查找原則依次在2D隊列Q中查找構(gòu)成其 它三角形的頂點，得到三角網(wǎng)格化后的曲面。步驟S313，曲面網(wǎng)格化模塊11根據(jù)查找順序?qū)⑶嫔系母魅切涡畔⒁来渭尤?三角形標示數(shù)組T。該三角形標示數(shù)組T存儲曲面上每個三角形三個頂點的坐標信息及每 個三角形在該三角形標示數(shù)組T中的標記信息。如圖4所示，是圖2中步驟S203的細化流程圖。步驟S401，曲面細分模塊12將用戶設(shè)定的角度范圍劃分為若干個細分級別。例 如，曲面細分模塊12將0 90度的范圍劃分為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，曲面細分模塊12根據(jù)3D隊列S、2D隊列Q計算3D隊列S中每個頂點 的向量，每個頂點的向量等于該頂點所在所有三角形的法向量的平均值。步驟S405，曲面細分模塊12讀取2D隊列Q中Z值最大的頂點P1。步驟S407，曲面細分模塊12讀取頂點P1相鄰區(qū)域的三角形。例如，曲面細分模塊12讀取頂點P1周圍3層的三角形。步驟S409，曲面細分模塊12計算該相鄰區(qū)域內(nèi)(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它三角形頂點的向量的夾角，得到最大夾角，例如最大夾 角 MaxAo步驟S411，曲面細分模塊12確定最大夾角MaxA所在的細分級別。例如，若MaxA =8度，則屬于細分級別中的第1級；若MaxA = 35度，則屬于細分級別中的第4級。步驟S413，曲面細分模塊12獲取所述相鄰區(qū)域內(nèi)相鄰三角形的法向量夾角在該 細分級別內(nèi)的三角形隊列G。步驟S415，曲面細分模塊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。如果曲面細分模塊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(qū)域內(nèi)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(qū)域內(nèi)的三角形平滑程度較好，不需要進一步細分，則流程轉(zhuǎn)入步驟S421。如果 曲面細分模塊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，曲面細分模塊12得到三角形隊列G中各三角形任意兩邊中線的交點， 根據(jù)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(diào)整到曲面上，再對該三角形進行細分。步驟S419，曲面細分模塊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。之后，針對三角形隊列G中每個三角形細分后的小三角形子區(qū)域， 流程返回步驟S415，直到各小三角形子區(qū)域的細分程度滿足所述最精確的細分級別。步驟S421，曲面細分模塊12依據(jù)對頂點P1相鄰區(qū)域細分的方法繼續(xù)對曲面上的 其它區(qū)域進行細分。步驟S423，曲面細分模塊12輸出細分后的3D隊列S、2D隊列Q及三角形標示數(shù)組T。如圖5所示，是圖2中步驟S205的細化流程圖。步驟S501，顯示狀態(tài)標示模塊13建立3D隊列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(tài)標示模塊13讀取3D隊列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(tài)標示模塊13讀取3D隊列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(tài)標示模塊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(nèi)所有頂點周圍的若干個三角形。步驟S507，顯示狀態(tài)標示模塊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(tài)標示模塊13求取射線Ul、U2與點P1周圍3*3*3層包圍盒 內(nèi)所有頂點周圍的三角形的交點。步驟S509，顯示狀態(tài)標示模塊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(nèi)部三
7角形。例如，顯示狀態(tài)標示模塊13設(shè)置點Pl周圍3*3*3層包圍盒內(nèi)所有頂點周圍的三角 形中與射線Ul及U2無交點的三角形的標志為“flag = 1”，設(shè)置點Pl周圍3*3*3層包圍盒 內(nèi)所有頂點周圍的三角形中與射線Ul或U2有交點的三角形的標志為“flag = O”。則若一 個三角形的標志為“flag = 1”，表示該三角形為曲面的表面三角形；若標志為“flag = 0”， 表示該三角形為曲面的內(nèi)部三角形。步驟S511，顯示狀態(tài)標示模塊13對3D隊列S中其它點重復(fù)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志“flag = 1”或“flag = 0”)，得到3D隊列S對應(yīng)的顯示及隱藏隊列I。若圖6所示，是圖 2中步驟S207的細化流程圖。步驟S601，曲面顯示模塊14讀取用戶輸入的視口的最小頂點及最大頂點的坐標 確定顯示設(shè)備40上視口的顯示范圍。步驟S603，曲面顯示模塊14讀取3D隊列S的顯示及隱藏隊列I。步驟S605，曲面顯示模塊14在視口的顯示范圍內(nèi)顯示曲面的表面三角形。由于曲 面的內(nèi)部三角形及超出視口顯示范圍的表面三角形都不顯示，所以可以實現(xiàn)曲面的快速顯
7J\ ο最后應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照 較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的 技術(shù)方案進行修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。例如，將此方法應(yīng) 用于在清晰的邊界線上尋找邊界點。
權(quán)利要求
一種曲面渲染方法，應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理裝置，其特征在于，該方法包括曲面網(wǎng)格化步驟從與數(shù)據(jù)處理裝置相連接的存儲設(shè)備讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據(jù)曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網(wǎng)格化；曲面細分步驟根據(jù)網(wǎng)格化后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；曲面顯示及隱藏信息確定步驟確定多級細分后的曲面中的表面三角形及內(nèi)部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏信息；及曲面顯示步驟確定與數(shù)據(jù)處理裝置相連接的顯示設(shè)備的視口顯示范圍，在所述視口顯示范圍內(nèi)顯示曲面中的表面三角形。
2.如權(quán)利要求1所述的曲面渲染方法，其特征在于，該方法還包括曲面顯示變化步驟 根據(jù)視口的變化顯示曲面上不同區(qū)域以及不同細分程度的三角形。
3.如權(quán)利要求1所述的曲面渲染方法，其特征在于，所述曲面網(wǎng)格化步驟包括 從所述存儲設(shè)備讀取曲面控制點及曲面邊界點組成的三維隊列；將所述三維隊列轉(zhuǎn)換為參數(shù)平面中的二維隊列；獲取所述三維隊列中表示曲面上最外層的點，在所述二維隊列中查找該最外層的點的 對應(yīng)點，視該對應(yīng)點為二維隊列中的第一點；在所述二維隊列中查找與第一點最近的第二點，該第一點、第二點構(gòu)成三角形的一條邊；在所述二維隊列中查找第三點，查找原則是第一點、第二點、第三點構(gòu)成的三角形的外 接圓內(nèi)沒有所述二維隊列中的其它點，使得第一點、第二點、第三點構(gòu)成的三角形接近于等 邊三角形；根據(jù)上述原則依次在所述二維隊列中查找構(gòu)成其它三角形的頂點，得到三角網(wǎng)格化后 的曲面；及根據(jù)查找順序?qū)⑶嫔系母魅切涡畔⒁来渭尤肴切螛耸緮?shù)組。
4.如權(quán)利要求3所述的曲面渲染方法，其特征在于，所述三角形標示數(shù)組存儲曲面上 每個三角形三個頂點的坐標信息及每個三角形在該三角形標示數(shù)組中的標記信息。
5.如權(quán)利要求1所述的曲面渲染方法，其特征在于，所述曲面細分步驟包括 將用戶設(shè)定的角度范圍劃分為若干個細分級別；根據(jù)所述三維隊列、二維隊列計算所述三維隊列中每個頂點的向量，每個頂點的向量 等于該頂點所在所有三角形的法向量的平均值； 讀取二維隊列中的第一點； 讀取該第一點相鄰區(qū)域的三角形；計算該相鄰區(qū)域內(nèi)每個頂點的向量與所有其它頂點的向量的夾角，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(qū)域內(nèi)相鄰三角形的法向量夾角在該細分級別內(nèi)的三角形隊列； 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，得到所述三角形隊列中各三角形任意兩邊中 線的交點，根據(jù)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，針對三角形隊列中每個三角形細分后的小三角形子區(qū)域，流程自所述判斷步驟開始重復(fù)，直到各小三角 形子區(qū)域的細分程度滿足所述最精確的細分級別；及依據(jù)對二維隊列中第一點相鄰區(qū)域細分的方法對曲面上的其它區(qū)域進行多級細分。
6.如權(quán)利要求5所述的曲面渲染方法，其特征在于，若一個三角形兩邊中線的交點不 在曲面上，先將該交點調(diào)整到曲面上，再對該三角形進行細分。
7.如權(quán)利要求1所述的曲面渲染方法，其特征在于，所述曲面顯示及隱藏信息確定步 驟包括建立所述三維隊列的空間包圍盒，使得曲面上三角形的每個頂點落入一個小包圍盒； 讀取所述三維隊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(nèi)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(nèi)部三角形； 及對所述三維隊列中的其它點自所述讀取步驟開始重復(fù)，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(nèi)部三角形，得到所述三維隊列的顯示及隱藏隊列。
8.如權(quán)利要求1所述的曲面渲染方法，其特征在于，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坐標確定與所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備相連接的顯示設(shè)備的視口顯示范圍；讀取所述三維隊列的顯示及隱藏隊列；及 在所述視口顯示范圍內(nèi)顯示曲面的表面三角形。
9.一種曲面渲染系統(tǒng)，應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理裝置，其特征在于，該系統(tǒng)包括曲面網(wǎng)格化模塊，用于從與數(shù)據(jù)處理裝置相連接的存儲設(shè)備讀取曲面控制點及曲面邊 界點，根據(jù)曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網(wǎng)格化；曲面細分模塊，用于根據(jù)網(wǎng)格化后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(tài)標示模塊，用于確定多級細分后的曲面中的表面三角形及內(nèi)部三角形，得到 曲面中所有三角形的顯示及隱藏信息；及曲面顯示模塊，用于確定與數(shù)據(jù)處理裝置相連接的顯示設(shè)備的視口顯示范圍，在所述 視口顯示范圍內(nèi)顯示曲面中的表面三角形。
10.如權(quán)利要求9所述的曲面渲染系統(tǒng)，其特征在于，所述曲面顯示模塊還用于根據(jù)視 口的變化顯示曲面上不同區(qū)域以及不同細分程度的三角形。
全文摘要
本發(fā)明提供一種曲面渲染方法，應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理裝置。該方法包括從與數(shù)據(jù)處理裝置相連接的存儲設(shè)備讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據(jù)曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網(wǎng)格化；根據(jù)網(wǎng)格化后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；確定多級細分后的曲面中的表面三角形及內(nèi)部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏信息；及確定與數(shù)據(jù)處理裝置相連接的顯示設(shè)備的顯示范圍，在所述顯示范圍內(nèi)顯示曲面中的表面三角形。本發(fā)明還提供一種曲面渲染系統(tǒng)。
文檔編號G06T15/00GK101872488SQ20091030188
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月27日
發(fā)明者吳新元, 孫小超, 張旨光 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司;鴻海精密工業(yè)股份有限公司