專利名稱：利用蜂巢式單元構造實體圖形的方法
技術領域：
本發(fā)明總地涉及一種構造兩維實體圖形的方法，特別是涉及這樣一種圖形形成方法，即在計算機中利用蜂巢式單元結構來重新分塊構造所輸入的圖象，然后按照上述重新構造的圖象形成可實際使用的實體圖形。
在古今建筑的外部，利用大小基本相同的方形建筑材料(例如瓷磚、玻璃等等)構成的大型壁畫已屢見不鮮。例如，用一塊一塊的小方瓷磚或天然石塊組成的壁畫早在公元前就有了。近現(xiàn)代，在公共場所和大型建筑物的外壁上更流行用瓷磚、天然石塊甚至金屬拼接成繪畫的建筑藝術形式。除此之外，在建筑內(nèi)部的諸如地板、衛(wèi)生間墻壁等處也經(jīng)?？梢姼鞣N以裝飾材料拼接的彩色圖形(以下稱為“實體圖形”)。這種建筑和藝術的有機結合，給人們帶來了豐富的美的視覺感受。而且這種實體圖形耐久而不易損壞，有著很大的實用價值。
但是，常規(guī)的實體圖形所采用的拼接單元都是正方形或接近于正方形，大小一致或近似的。有時在兩種顏色交界的地方將一個拼接單元沿對角線切開以使交界線較為平滑。雖然采用這種修補的方法，其四方格的結構形式仍舊使整個畫面顯得死板。
為了在這種死板的畫面中追求一些變化，有時在實體圖形中的大量小方塊拼接單元以外還使用少量大方塊拼接單元。有時為了構圖需要，還得將方形的拼接單元排列成曲線形狀，而這不可避免地造成了許多無法補救的三角形或梯形空隙。用方形拼接單元完成藝術家多變的藝術構思無疑陷入了窘境。當然，仍有一些接縫非常精細的實體圖形的精品(例如古代壁畫)，但是它們所采用的每一小塊的拼接單元都經(jīng)過大量人工花費大量時間一點點地完成。而這顯然已無法適應現(xiàn)代建筑或室內(nèi)裝飾等等大規(guī)模、高效率，甚至機械化、自動化的需求。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠合理地將一幅原始圖象劃分為若干易于快速、高效地拼接的單元，從而既保持所使用圖象的藝術完整性，又適于大規(guī)模、工業(yè)化操作的實體圖形形成方法。
為了完成上述目的，本發(fā)明采用一種獨特的蜂巢式拼接單元，借助于計算機強大的計算和存儲能力，并利用本發(fā)明人開發(fā)的程序，將圖象首先分解為六角形象素，然后合成大量各種形狀的蜂巢式單元，再使用蜂巢式單元拼接還原出完整的所需圖象。在所需的以蜂巢式單元構成的圖象形成以后，可以采用機械化或手工方式在已事先制備好的各種顏色的蜂巢式實體單元(如瓷磚或玻璃等等)中選擇對應的單元在基板上完成實體圖形的拼接，或直接在基板上依蜂巢式單元繪制顏色。
根據(jù)本發(fā)明上述構思的以蜂巢式單元構造二維實體圖形的方法包括以下步驟在計算機中輸入所需的圖象；將圖象的方格式象素分組而形成含有多個方格式象素的新的六角形象素；利用至少一個六角形象素組合出多個各種不同形狀、不同顏色的蜂巢式單元，其中六角形象素的顏色為其所包含的多個方格式象素顏色的平均值；將所組合出的多個蜂巢式單元存儲備用；根據(jù)輸入圖象的顏色進行分塊操作，然后按所需形狀調(diào)用存儲的形狀的蜂巢式單元；形成一幅以蜂巢式單元構成的新的圖象并輸出；按照輸出的圖象，在實體基板上以一定的比例拼接或繪制出彩色實體圖形。
采用根據(jù)本發(fā)明的蜂巢式單元拼接的實體圖形既快速又能夠保留原輸入圖象的藝術性，還能給人以一種不規(guī)則的感受，而且可以以現(xiàn)代化機械做到緊密接縫。


圖1示出常規(guī)的方格形式的象素和本發(fā)明的六角形形式的象素；圖2-4示出根據(jù)本發(fā)明利用六角形象素構成的各種結構的蜂巢式單元；圖5-7示出平滑后的圖2-4所示的蜂巢式單元；圖8示出同一蜂巢式單元六個不同擺放位置的示意圖；圖9是采用常規(guī)方格式象素構成的一幅圖象；圖10是采用本發(fā)明六角形象素構成的同一幅圖象，其中每一個凸字形代表一個六角形；圖11是根據(jù)本發(fā)明利用六角形象素形成各種蜂巢式單元后，采用蜂巢式單元組成的用于輸出的圖象。
以下將根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例來詳細說明本發(fā)明的原理和本發(fā)明方法的細節(jié)。
把一幅例如圖9所示的圖象輸入到計算機中的方法是公知的技術。比較常用的有(a)數(shù)字化卡(DIGITIZER CARD)，用于把攝錄影機輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號以便由計算機處理，并利用所存儲的軟件存儲圖象文件；(b)掃描機，用于掃描相片、圖畫或正負底片并利用計算機存儲圖象文件；(c)數(shù)碼照相機，在攝取相片之后將圖象存儲在磁盤上，然后可通過計算機訪問存儲在磁盤上的圖象文件。
常規(guī)的象素是以方格形式構成的。具體地說，象素一行對著一行排列，第一行的象素與第二行的象素依次上下相對地排列，形成一個方格陣。假定一幅圖象的寬度是640，那么每一行就有640個象素，而第641個象素即是第二行的第一個象素。
根據(jù)本發(fā)明，要將方格式的象素轉換為六角形的象素。以下根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例來說明這種轉換過程。
如圖1所示，從方格陣式象素結構的第一行至第四行取出對稱的4、4、4、2共14個方格式象素組合成本發(fā)明蜂巢式結構第一行的一個六角形象素；從方格陣式象素結構的第四行至第七行適當?shù)奈恢萌〕鰧ΨQ的2、4、4、4共14個方格式象素組合成本發(fā)明蜂巢式結構第二行的一個六角形象素，其余依此類推。很明顯，對于一幅每行有640個象素的圖象來說，本發(fā)明蜂巢式結構構成的圖象的第一行的第一個六角形象素是從方格陣式象素圖象的第1、2、3、4、641、642、643、644、1281、1282、1283、1284、1922、1923共14個象素轉換而來。類似地，蜂巢式結構圖象的第二行的第一個六角形象素是從方格陣式象素圖象的第1924、1925、2563、2564、2565、2566、3203、3204、3205、3206、3843、3844、3845、3846共14個方格式象素轉換而來。
在圖1中，上半部的每一個小方格代表一個方格式象素，而下半部的每一個六角形即是從14個方格式象素轉換而來的一個六角形象素，這些六角形象素構成了本發(fā)明蜂巢式結構的基本單元。
另外，六角形象素的顏色采用14個方格象素顏色的平均值，即分別采用紅、綠、藍的平均值。舉例來說，例如掃描的一幅圖象一般有256乘256乘256種顏色(或者更多)。但是如下所述的實體單元不可能提供這么多顏色，而且人眼也分辨不出這么多顏色，故而實際上并不需要這么多顏色。因此，只需就效果的需要和所能提供的實體單元的資源預先設定一個范圍。由于顏色是一個三維空間的立方體，紅、綠、藍三基色各占一維空間。將整個立方體切割為許多小的立方體，14個方格象素的平均值凡是在某一個小立方體內(nèi)的都用同一種顏色代替，凡是沒有14個方格象素平均值在內(nèi)的小立方體就視為不存在(即視為沒有這一顏色)。因此，當整個切割過程完成后就知道共用了多少種顏色。如果所用的顏色與事先設定的范圍相比太少，就將立方體再切割得細小些，重新歸納。如果所用的顏色太多，就將小立方體切割得大一些，重新再歸納。重復上述步驟，直到達到預定的范圍為止。
如上所述形成的每個六角形象素都具有六條邊，因而由這些六角形象素構成的本發(fā)明蜂巢式結構圖象上的每一個象素(圖象的四角及四邊除外)都與其它六個象素相鄰接。因此，由若干個這種六角形象素構成的蜂巢式單元就具有比方格單元多得多的變化，打破了方格陣式的沉悶局面，開拓了無盡的變化空間。唯有這種六角形象素能在六個方向上同周圍的象素密貼地相連接，從而形成許多不同大小、不同形狀的蜂巢式單元。
換句話說，一個蜂巢式單元即是至少一個同種顏色的六角形象素的集合，蜂巢式單元內(nèi)的六角形象素依照蜂巢結構的特性而相互結合，單元內(nèi)的每一個六角形象素至少與一個其它的六角形象素相鄰接，即在同一單元之內(nèi)每個象素與其它象素有至少一個公共邊。這樣看來，每個蜂巢式單元就是一個小的蜂巢式結構，或者說，每個蜂巢式單元即是蜂巢式結構的一部分。每個蜂巢式單元是相互獨立的、分割的個體，如圖2-4所示。
當然，各個蜂巢式單元也可以如圖5-7所示的那樣被平滑曲線所修飾。
與在計算機處理過程中產(chǎn)生的蜂巢式單元相對應，按照所產(chǎn)生的以蜂巢式單元拼接而成的輸出圖象，計算機可以驅動諸如繪圖儀或機械手之類的機構以顏料或油漆在實體基板(例如紙張、布、塑膠片等等)上一個一個地繪制出具有相應的顏色和形狀的實體單元。當然也可以驅動機械設備對應于計算機內(nèi)所產(chǎn)生的蜂巢式單元而制成各個固體物質(zhì)(例如金屬、玻璃、陶、瓷、布料、毛織品、塑料等等)的實體單元并依次擺放固定在實體基板上從而拼接出實體圖形。在上述繪制或拼接的過程中，每個蜂巢式單元在基板上可以有六個放置方向。例如如圖8所示，同一單元可以有0、60、120、180、240和300度的轉角。以上每個蜂巢式單元都是單一種顏色的。
為了更清楚地說明本發(fā)明，以下將詳細說明從蜂巢式單元結構的圖象分解出單色的蜂巢式單元的過程。
A、設定一套各種形狀的單元，把每一個單元的六個方位作為六種不同的狀態(tài)，用這些六倍單元數(shù)量的形狀建立一個資料庫，并且按照所含的象素數(shù)量進行分組，即所有含四個象素的為一組，所有含六個象素的為一組，依此類推。
B、在整個蜂巢式結構圖象中分離出一個單色的獨立的片段，一個片段就是一群象素。群內(nèi)的每一個象素至少與同群的另一個象素鄰接，即在同群內(nèi)的每個象素與其它象素至少有一個公共邊。也就是，除了片段里本身的象素外再沒有其它的象素與片段內(nèi)的任何一個象素鄰接。一個片段可能包含很少的象素，也可能包含幾千個象素或更多。
C、如果片段內(nèi)有30個象素以上，就先用一些象素數(shù)最多的單元去嘗試分解。如果分解不出來，就減少象素數(shù)，再去嘗試分解，直到可以分解出一個單元為止。然后又利用象素數(shù)最多的單元繼續(xù)下去。如果剩下的象素數(shù)還在30個以上，就重復本段的操作。如果減至30個象素以下時，就按如下一段D所述的過程進行。原則就是當象素數(shù)多時就盡可能用象素數(shù)大的單元，以便節(jié)省制造、處理、放置和鑲嵌的工作。
D、如果片段內(nèi)一開始就只有30個象素或以下，或者當剩下的象素數(shù)降至30個象素或以下時，就要按特定的計劃去分解出單元，例如用于18個象素的方案有以下幾種三個6象素單元；或兩個5象素單元加兩個4象素單元；或一個6象素單元加三個4象素單元；或三個4象素單元加兩個3象素單元。
如果第一個方案行不通，就進行下一個方案。這是因為片段里的象素分布無規(guī)律可言。而且蜂巢式單元的形狀雖多，但也不可能包括所有的形狀，因而利用為數(shù)較少的包含較多象素的單元不一定行得通，而用多一些包含較少象素的單元可能按計劃完成的機會要大些。所以，基本原則就是當象素數(shù)少時，就按如上所述的方案，以達到均勻的目的。
E、蜂巢式單元的放置采用嘗試的辦法。假定C、D兩段提供的蜂巢式單元所包含的象素數(shù)為N，從A段所提到的資料庫中，在N個象素數(shù)的這一組中提取一個蜂巢式單元的資料，將所提供的資料與片段的資料相比較以判斷是否達到以下兩個要求a、整個蜂巢式單元都在片段內(nèi)；b、片段內(nèi)的蜂巢式單元的大小的均勻性不受影響，例如放置了一個7象素的蜂巢式單元，而要使其中的一兩個象素獨立出來而自成一個小蜂巢式單元，這是不可以的。
一個一個地取出包含N個象素的蜂巢式單元來嘗試。如果有一個蜂巢式單元既符合a又符合b的話，就立即按C、D兩段所述取下一個蜂巢式單元的象素數(shù)，然后再進行本段的操作過程。如果N個象素數(shù)的這一組中的全部蜂巢式單元經(jīng)過逐個嘗試而沒有一個能夠既符合a又符合b的話，則按照C、D兩段所述取下一個蜂巢式單元所包含的象素數(shù)，再進行本段的操作過程。
當每分解出一個蜂巢式單元后，則將該蜂巢式單元的位置、方位、顏色、形狀等信息存儲在存儲器中備用。
F、按照B所述分離出另一個單色的片段，重復C至F的操作過程，直到所有的單色片段均被處理完畢。
如上A到F所述，一個二維空間的圖象可被分解為多個上述的單色蜂巢式單元，結果如圖9和11所示。圖9是一個方格陣式圖象，可以說圖11的圖象是圖9的圖象經(jīng)各個上述階段處理的結果。應該注意的是有許多同顏色(由于無法采用彩色附圖，顏色只能以黑白圖上的灰度級來區(qū)別)的蜂巢式單元相互連接在一起，這是因為在實用上應該單元所包含的象素數(shù)的最大值通常都不大，而且一整套不同蜂巢式單元的數(shù)目也應該限制在應該適當?shù)臄?shù)目內(nèi)，并且是預先設定的。如前所述，顏色的多少也設定在應該范圍之內(nèi)。
作為一個例子，如果選用95種形狀80種顏色即共有7600種限制顏色單元，每個蜂巢式單元有六個方位，在視覺上便有45000多種不同的形狀顏色。假定資源不足的話，只能使用50種形狀60種顏色共3000種形狀顏色的蜂巢式單元，加上每個單元有六個方位，在視覺上也能提供17000多種形狀顏色，變化之多令人眼花繚亂。即使到近處觀賞也別有風味，再不是傳統(tǒng)的瓷磚圖象那樣只宜遠觀不宜近看。
制造7600種不同的實體蜂巢式單元看起來好象是一個大數(shù)目，實際上如果一個鑄造的模具上有95個不同的形狀，每鑄一次就生產(chǎn)了95個同顏色不同形狀的單元，只要鑄造80次就每一種單元都有一個。比起絲花制造廠的幾十種顏色、數(shù)不清的花瓣形狀、數(shù)不清的葉的形狀紋理，還有花芯、枝桿、各種絲布、塑料、鐵絲等等，7000多種同一質(zhì)料的單元可以說是簡單的。此外，以所需的貯藏空間來看，假定每個單元占用25mm乘20mm乘3mm的空間，那么每立方米就可以貯藏六十六萬多個單元，可以組成33個每個具有二萬個蜂巢式單元的圖象，每個圖象面積約1平方米。當然，加上使各單元容易取用的其它設備，實際上占用的空間可能加大至3立方米或三倍。因而所占用的空間即使對于一個很小型的廠房來說也是相對很小的。
不僅貯藏上沒有困難，利用本發(fā)明的方法制造一幅實體圖形所需的時間也大大縮短。不必再將所需的圖象事先繪制在固體單元上，然后再經(jīng)過燒制，既花費大量時間又花費大量金錢。而使用本發(fā)明的方法，只要短短幾天，就既可以完成拼接實體單元，也可以完成直接繪制的全部過程。
所花費的大部分時間在于制造實體單元并進行拼接或繪制，而利用計算機進行如上所述的處理的時間相對來說是很短的。以下分別說明手工制造和機械化制造的過程。
作為家庭作坊，可以利用手工放置、鑲嵌實體蜂巢式單元從而獲得一幅實體圖形。如果已在計算機上獲得如圖11所示的一幅蜂巢式結構圖象，而且圖的四邊標有比例尺，則只要在X和Y方向各放一把直尺就可以知道圖象上各點的位置。與此同時，你已置備了全部所需的如上所述的實體蜂巢式單元和一張列有各單元的形狀、位置、方位、顏色等資料的清單(這些數(shù)據(jù)存儲在上述E段所述的資料庫中)。你只要按照所列的單元編號和顏色編號逐個取出實體蜂巢式單元并按照所列的位置放置在實體基板上，直到完成整個圖象為止。應該注意，在放置時先使用不易干透且透明的黏合劑，待全部實體單元放置完成后再用永久性黏合劑固定。
當然利用由計算機控制的機械手之類的自動化設備直接來進行實體蜂巢式單元的放置、鑲嵌工作就更方便了。例如，某些類型設有工作平臺的制圖機、商標切割機等，略經(jīng)改裝即可勝任。由于一個實體單元的重量一般不會超過2克，再加上一些其它的設備，重量負荷是可以的。實體單元的放置和固定的詳細過程與前述類似，不再贅述。
以上所述的本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例只是示例性地描述本發(fā)明，應該理解，本領域的普通技術人員可以在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)作出各種變化。
權利要求
1．一種以蜂巢式單元構造二維實體圖形的方法，其特征在于包括以下步驟在計算機中輸入所需的圖象；將所述圖象的方格式象素分組而形成含有多個所述方格式象素的新的六角形象素；利用至少一個所述六角形象素組合出多個各種不同形狀、不同顏色的蜂巢式單元，其中所述六角形象素的顏色為其所包含的所述多個方格式象素顏色的平均值；將所組合出的所述多個蜂巢式單元存儲備用；根據(jù)所述輸入圖象的顏色進行分塊操作，然后按所需形狀調(diào)用所述存儲的形狀的蜂巢式單元；形成一幅以所述蜂巢式單元構成的新的圖象并輸出；按照所述輸出的圖象，在實體基板上以一定的比例拼接或繪制出實體圖形。
2.根據(jù)權利要求1所述的構造二維實體圖形的方法，其特征在于所述單元為蜂巢式結構形式。
3.根據(jù)權利要求1所述的構造二維實體圖形的方法，其特征在于所述六角形象素由14個所述方格式象素對稱地構成。
4.根據(jù)權利要求1所述的構造二維實體圖形的方法，其特征在于所述蜂巢式單元為單色。
5.根據(jù)權利要求1所述的構造二維實體圖形的方法，其特征在于所述的方格式象素分組操作進一步包括以下步驟將紅、綠、藍三基色各占一維空間的三維空間立方體切割為許多小的立方體，14個方格象素的平均值凡是在某一個小立方體內(nèi)的都用同一種顏色代替，凡是沒有14個方格象素平均值在內(nèi)的小立方體就視為不存在，當整個切割過程完成后就知道共用了多少種顏色。6、根據(jù)權利要求4所述的構造二維實體圖形的方法，其特征在于如果所用的顏色與事先設定的范圍相比太少，就將立方體再切割得細小些，重新歸納；如果所用的顏色太多，就將小立方體切割得大一些，重新再歸納；重復上述步驟，直到達到預定的范圍為止。
7.根據(jù)權利要求1所述的構造二維實體圖形的方法，其特征在于所述的分塊操作包括以下步驟A、設定一套各種形狀的單元，把每一個單元的六個方位作為六種不同的狀態(tài)，用這些六倍單元數(shù)量的形狀建立一個資料庫，并且按照所含的象素數(shù)量進行分組，即每一種象素數(shù)量分為一組；B、在整個蜂巢式結構圖象中分離出一個單色的獨立的片段，一個片段就是一群象素；群內(nèi)的每一個象素至少與同群的另一個象素鄰接，即在同群內(nèi)的每個象素與其它象素至少有一個公共邊；C、如果片段內(nèi)有30個象素以上，就先用一些象素數(shù)最多的單元去嘗試分解，如果分解不出來，就減少象素數(shù)，再去嘗試分解，直到可以分解出一個單元為止；然后又利用象素數(shù)最多的單元繼續(xù)下去，如果剩下的象素數(shù)還在30個以上，就重復本段的操作，如果減至30個象素以下時，就按如下一段D所述的過程進行；D、如果片段內(nèi)一開始就只有30個象素或以下，或者當剩下的象素數(shù)降至30個象素或以下時，就要按特定的方案去分解出單元，如果第一個方案行不通，就進行下一個方案；E、假定C、D兩段提供的蜂巢式單元所包含的象素數(shù)為N，從A段所提到的所述資料庫中，在N個象素數(shù)的這一組中提取一個蜂巢式單元的資料，將所提供的資料與片段的資料相比較以判斷是否達到以下兩個要求a、整個蜂巢式單元都在片段內(nèi)，b、片段內(nèi)的蜂巢式單元的大小的均勻性不受影響，如果有一個蜂巢式單元既符合a又符合b的話，就立即按C、D兩段所述取下一個蜂巢式單元的象素數(shù)，然后再進行本段的操作過程；如果N個象素數(shù)的這一組中的全部蜂巢式單元經(jīng)過逐個嘗試而沒有一個能夠既符合a又符合b的話，則按照C、D兩段所述取下一個蜂巢式單元所包含的象素數(shù)，再進行本段的操作過程；當每分解出一個蜂巢式單元后，則將該蜂巢式單元的位置、方位、顏色、形狀等信息存儲在存儲器中備用；F、按照B所述分離出另一個單色的片段，重復C至F的操作過程，直到所有的單色片段均被處理完畢。
8.根據(jù)權利要求1所述的構造二維實體圖形的方法，其特征在于用于輸出所述蜂巢式單元構成的所述輸出圖象的計算機與用于自動化地放置和固定實體蜂巢式單元的自動化設備相連接。
9.根據(jù)權利要求8所述的構造二維實體圖形的方法，其特征在于所述自動化設備為機械手。
10.根據(jù)權利要求1所述的構造二維實體圖形的方法，其特征在于所述拼接和繪制所述實體圖形的步驟可由手工完成。
全文摘要
本發(fā)明采用一種獨特的蜂巢式拼接單元,借助于計算機強大的計算和存儲能力,并利用本發(fā)明人開發(fā)的程序,將圖象首先分解為六角形象素,然后合成大量各種形狀的蜂巢式單元,再使用蜂巢式單元拼接還原出完整的所需圖象。在所需的以蜂巢式單元構成的圖象形成以后,可以采用機械化或手工方式在已事先制備好的各種顏色的蜂巢式實體單元(如瓷磚或玻璃等等)中選擇對應的單元在基板上完成實體圖形的拼接,或直接在基板上依蜂巢式單元繪制顏色。
文檔編號G06T3/00GK1209615SQ97117780
公開日1999年3月3日 申請日期1997年8月25日 優(yōu)先權日1997年8月25日
發(fā)明者顏嘉涵 申請人:顏嘉涵