一種基于三維曲面循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三維曲面循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法，首先獲得浮雕的三維網(wǎng)格模型M，并計(jì)算三維網(wǎng)格模型M中各三角面片的法矢量nj；然后采用循環(huán)引導(dǎo)濾波方法過濾法矢量nj，從而準(zhǔn)確地估計(jì)基曲面的法矢量；接著利用頂點(diǎn)投影和全局混合優(yōu)化策略重構(gòu)出基曲面的空間位置；最后采用數(shù)據(jù)挖掘方法計(jì)算浮雕原始曲面相對(duì)于基曲面的偏移量，并使用聚類技術(shù)提取浮雕細(xì)節(jié)。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，可以用于淺浮雕的數(shù)字化提取，為藝術(shù)品、生活實(shí)用器的設(shè)計(jì)提供了一種快捷手段。
【專利說明】
一種基于三維曲面循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及三維網(wǎng)格模型的曲面分割技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于三維曲面循環(huán)引 導(dǎo)的浮雕提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 浮雕是雕塑與繪畫結(jié)合的產(chǎn)物，具有極高藝術(shù)欣賞性。傳統(tǒng)的浮雕生產(chǎn)是一種純 手工技藝，存在諸多缺陷，例如:制作成本高、精度差、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低、無法實(shí)現(xiàn)批量生 產(chǎn)、手工藝者的主觀因素影響大等，不能滿足人們對(duì)浮雕行業(yè)日益增長(zhǎng)的需求，浮雕數(shù)字化 和浮雕提取技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
[0003] 隨著三維掃描技術(shù)、三維圖形建模方法和圖形硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，可以用三維 掃描儀器獲得高精度三維浮雕模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然而大部分的掃描技術(shù)往往直接得到是一 個(gè)細(xì)節(jié)與背景區(qū)域沒有區(qū)別的網(wǎng)格曲面，這使得分析其細(xì)節(jié)和對(duì)浮雕細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)造成很大的 不便。因此，如何精確提取浮雕細(xì)節(jié)的問題就變得日益迫切。
[0004] 目前，有一批國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于浮雕提取研究取得一些進(jìn)展。其中有Zatzarinni 等人提出的浮雕細(xì)節(jié)是基曲面沿法矢量的凸起或凹陷，該方法粗略估計(jì)基曲面的法矢量， 用共輒梯度法計(jì)算出每點(diǎn)高度后，使用高斯混合模型進(jìn)行聚類分析，最后過濾出浮雕的細(xì) 節(jié)。然而由于其對(duì)法矢量估計(jì)不夠精確，從而影響到提取效果。劉勝蘭等人認(rèn)為浮雕提取是 曲面分割的問題，通過尋找分割邊界方法，達(dá)到提取浮雕的目的。該方法適用于提取連通浮 雕。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于三維曲面循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法，以解決現(xiàn)有技 術(shù)浮雕提取方法有其局限性，對(duì)于具有較多復(fù)雜細(xì)節(jié)的浮雕，幾乎無法提取出浮雕細(xì)節(jié)紋 理的問題。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0007] 一種基于三維曲面循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法，其特征在于:包括以下步驟：
[0008] (1)、采用三維測(cè)量?jī)x器獲得浮雕的三維網(wǎng)格模型M，并計(jì)算三維網(wǎng)格模型M中各三 角面片的法矢量nj;
[0009] (2)基于步驟（1)得到的三維網(wǎng)格模型M中各三角面片的法矢量叫，采用循環(huán)引導(dǎo) 濾波方法過濾法矢量η」，從而準(zhǔn)確地估計(jì)基曲面的法矢量；
[0010] (3)、根據(jù)步驟（2)估計(jì)的基曲面的法矢量，利用頂點(diǎn)投影和全局混合優(yōu)化策略重 構(gòu)出基曲面的空間位置；
[0011] (4)、采用數(shù)據(jù)挖掘方法計(jì)算浮雕原始曲面相對(duì)于基曲面的偏移量，然后使用聚類 技術(shù)提取浮雕細(xì)節(jié)。
[0012] 所述的一種基于三維曲面循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法，其特征在于:所述步驟（2) 中，采用循環(huán)引導(dǎo)濾波方法過濾各三角面片的法矢量叫，既可避免基曲面過光順，又能避免 具有豐富細(xì)節(jié)曲面區(qū)域過濾不足的問題。
[0013] 所述的一種基于三維曲面循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法，其特征在于:所述步驟（3) 中，利用頂點(diǎn)投影和全局混合優(yōu)化策略重構(gòu)基曲面的空間位置，實(shí)質(zhì)就是由過濾后的基曲 面的法矢量引導(dǎo)網(wǎng)格頂點(diǎn)從初始位置還原至基曲面位置，對(duì)于一個(gè)三角面片f( Vl，W，vk)來 說，該三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)應(yīng)分別投影到基曲面上的新位置廣（^'^、，，1〇，由于每個(gè)三 角網(wǎng)格頂點(diǎn)能夠投影到多個(gè)三角面片，導(dǎo)致每個(gè)頂點(diǎn)有多個(gè)新的位置，因而，采用全局混合 優(yōu)化策略進(jìn)一步優(yōu)化各個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)，最終獲取理想的網(wǎng)格頂點(diǎn)位置。
[0014] 所述的一種基于三維曲面循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法，其特征在于:所述步驟(4) 中，采用數(shù)據(jù)挖掘方法中的高斯混合模型分析原始曲面位置與基曲面位置的偏移量，即對(duì) 每個(gè)原始網(wǎng)格點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)基曲面上最近點(diǎn)的偏移量分析，對(duì)于浮雕該偏移量變化應(yīng)該較 大，而基曲面應(yīng)較小，從而確定浮雕點(diǎn)集和基曲面點(diǎn)集的分割閥值，最終提取出浮雕細(xì)節(jié)點(diǎn) 集，同時(shí)保留浮雕點(diǎn)集在原始點(diǎn)集上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0015] 本發(fā)明將浮雕網(wǎng)格分割為基曲面點(diǎn)集和浮雕點(diǎn)集，利用循環(huán)引導(dǎo)濾波的手段較為 準(zhǔn)確地估計(jì)基曲面點(diǎn)集，即基曲面的位置，從而能夠準(zhǔn)確將浮雕點(diǎn)集相對(duì)于基曲面的偏移 量計(jì)算出來，最后使用聚類的手段提取出最終浮雕紋飾。這種方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，可以用于淺 浮雕的數(shù)字化提取，為藝術(shù)品、生活實(shí)用器的設(shè)計(jì)提供了一種快捷手段。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明三角網(wǎng)格循環(huán)引導(dǎo)浮雕提取的步驟。
[0017] 圖2為本發(fā)明中頂點(diǎn)投影和全局混合優(yōu)化迭代過程。
[0018] 圖3為本發(fā)明方法中面片頂點(diǎn)投影圖。
[0019] 圖4為本發(fā)明方法中優(yōu)化頂點(diǎn)的全局混合圖。
[0020] 圖5為本發(fā)明方法中使用的高斯混合模型。
[0021 ]圖6為本發(fā)明方法對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單模型提取星星的實(shí)際計(jì)算結(jié)果圖。
[0022] 圖7為本發(fā)明方法對(duì)一個(gè)魚戲水模型提取魚的實(shí)際計(jì)算結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明的基于三角網(wǎng)格循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法，包括以下步驟： [0024]步驟1:輸入三角網(wǎng)格模型M，計(jì)算各個(gè)三角網(wǎng)格面片的法矢量n j;
[0025] 步驟2:基于循環(huán)引導(dǎo)濾波方法過濾法線，準(zhǔn)確地估計(jì)基曲面地法矢量nk+1;
[0026] 步驟3:利用頂點(diǎn)投影和全局混合優(yōu)化策略重構(gòu)出基曲面；
[0027] 步驟4:利用高斯混合模型技術(shù)獲得浮雕點(diǎn)集和基曲面點(diǎn)集的分割閥值，最終提取 浮雕紋飾。
[0028] 下面參考圖1并結(jié)合圖2-6所示，詳細(xì)說明本實(shí)施例基于三角網(wǎng)格循環(huán)引導(dǎo)的浮雕 提取方法，如圖1所示，包含以下步驟：
[0029]步驟1:計(jì)算各個(gè)三角網(wǎng)格面片的法矢量，包含以下內(nèi)容：
[0030]輸入三角網(wǎng)格模型M，其中包括頂點(diǎn)集合?邊集合五=-， 以及面集合…J；v>Nver、Nedge、Nface分別表示頂點(diǎn)數(shù)、邊數(shù)、面片數(shù)?；谙蛄糠e 計(jì)算三維網(wǎng)格模型中各個(gè)三角面片的法矢量如，計(jì)算如下：
[0031]
[0032] 其中0<i, j，k<Nver。
[0033] 步驟2:基于輸入三角網(wǎng)格面片法矢量，通過循環(huán)引導(dǎo)濾波方法過濾該法線，準(zhǔn) 確地估計(jì)基曲面地法矢量：
[0034]首先，利用基曲面光滑這一特性，對(duì)原始輸入網(wǎng)格各個(gè)面片法矢量進(jìn)行光順處理， 得到新的法矢量。具體地，本發(fā)明使用循環(huán)引導(dǎo)濾波器對(duì)原始法矢量進(jìn)行濾波。計(jì)算如下：
[0035]
[0036] 其中標(biāo)準(zhǔn)偏差〇r取值范圍為0.1~0.6,0<k，n,(> =0(/ = (),1,...,A/,:經(jīng)過步驟 2-S1的k+Ι次迭代后，能夠獲得較為準(zhǔn)確的基曲面的法矢量《廣1。
[0037] 步驟3:基于基曲面法矢量Mf+1，利用頂點(diǎn)投影和全局混合優(yōu)化策略重構(gòu)出基曲面， 如圖2所示，主要包括步驟：
[0038] SI.網(wǎng)格頂點(diǎn)在濾波后的法矢量》f+1 (即基曲面的法矢量）引導(dǎo)下，沿初始頂點(diǎn)位置 逐步移動(dòng)到基曲面。如圖3所示，設(shè)三角面片f(Vi,Vj,vk) (Vi，Vj，Vk為原始三角網(wǎng)格一個(gè)三角 面片的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo))通過該面片重心cu,k沿與該面片對(duì)應(yīng)基曲面上法矢量ΓΗ,」, k投影到 新位置 f'（Vl'，vYv'k):
[0039]
[0040]
[0041 ]其中{X，y，z}表示三角面片的一個(gè)頂點(diǎn)或該面片的法矢量分別在X，y，z軸坐標(biāo)值。 理論上投影得到的新位置應(yīng)該在基曲面上，但每個(gè)原始頂點(diǎn)相連多個(gè)附屬三角面片，從而 每個(gè)頂點(diǎn)投影后有多個(gè)新位置，因而下一步采取全局混合優(yōu)化方法來優(yōu)化網(wǎng)格頂點(diǎn)的新位 置。
[0042] S2.如圖4所示，設(shè)每個(gè)三角面片的基曲面？(^，^，八），求解基曲面?全局混合模型 可以定義為：
[0043]
[0044] 通過最小化公式能夠獲得較為準(zhǔn)確的基曲面的頂點(diǎn)集，同時(shí)，獲得的三角面片法 矢量最接近于步驟2計(jì)算出法矢量；
[0045] S3 .通過推導(dǎo)，步驟3-S2的公式可轉(zhuǎn)化為求解一個(gè)線性稀疏方程組問題，例如 ΘΦ / (3v = 公式可轉(zhuǎn)化為：
[0046]
[0047] 其中A表示3Nface X Nver矩陣，在三角面片Ps中三個(gè)頂點(diǎn)(Vi，Vj，vk) e Ps，則六(s，i)= l，A(s+l，j) = l，A(s+2，k) = l，其中s={0，l. · ·，Nface}，i，j，k={0，l，· · ·，Nver}。bx 表示 3Nface X 1矩陣，bx的每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)三角面片投影后一個(gè)頂點(diǎn)的X軸分量。Xx表不Nver X 1矩 陣，Xx的每一行對(duì)應(yīng)三角面片中一個(gè)頂點(diǎn)在X軸的未知值。實(shí)質(zhì)求解過程就是最小二乘問 題：
[0048] AXx=bx
[0049] 轉(zhuǎn)化方程為六1乂1 =六\，其中六1是一個(gè)3階_\3他_對(duì)角矩陣，秩為31?3，所以這 線性系統(tǒng)有唯一解。求解該線性系統(tǒng)，就可以計(jì)算出Χχ，根據(jù)同理，可求出x y，xz，得到新三角 面片的頂點(diǎn)位置。
[0050] 這樣，在經(jīng)過步驟3若干次迭代之后，重構(gòu)出一個(gè)較為準(zhǔn)確的基曲面。
[0051] 步驟4:基于上述基曲面，計(jì)算浮雕點(diǎn)集與基曲面點(diǎn)集的偏移量，然后利用高斯混 合模型技術(shù)進(jìn)行聚類，最終能提取出浮雕點(diǎn)集，主要包括步驟：
[0052] Sl .首先，計(jì)算各個(gè)原始網(wǎng)格上頂點(diǎn)Vi與其在基曲面上最近點(diǎn)Ui偏移量，記為d (Vi)0
[0053] S2.由于浮雕點(diǎn)集的距離變化較大，基曲面點(diǎn)集距離變化較小，接下來利用這一特 性，對(duì)偏移量(Kv1)進(jìn)行聚類。通常使用一種概率統(tǒng)計(jì)模型高斯混合模型對(duì)d(Vl)進(jìn)行聚類。 如圖5所示，高斯混合樟型可以衷示為：
[0054]
[0055] 其中N(x I uk，〇k)表示單高斯分布，k表示高斯核的個(gè)數(shù)，即分類的個(gè)數(shù)，Uk表示均 值，〇k表示標(biāo)準(zhǔn)差，nk表示權(quán)重，i
因最終是將網(wǎng)格分為浮雕點(diǎn)集和基曲面點(diǎn)集 兩類，因此令k = 2。使用最大期望算法擬合高斯混合模型。
[0056] 由以上聚類技術(shù)確定基曲面和浮雕紋飾的分割閥值：
[0057] 0 = {d I Ni(d) =N2(d)}
[0058] 若頂點(diǎn)V^d(Vl)>0，則認(rèn)為Vl為浮雕點(diǎn)集，否則認(rèn)為 Vl為基曲面點(diǎn)集。在提取出浮 雕點(diǎn)集的同時(shí)，保持原始點(diǎn)集在該浮雕點(diǎn)集上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獲取最終的浮雕紋飾部分的網(wǎng) 格。
[0059] 以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等 同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于三維曲面循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法，其特征在于:包括以下步驟： (1 )、采用三維測(cè)量?jī)x器獲得浮雕的三維網(wǎng)格模型M，并計(jì)算三維網(wǎng)格模型Μ中各三角面 片的法矢量nJ; (2) 基于步驟(1)得到的三維網(wǎng)格模型Μ中各三角面片的法矢量如，采用循環(huán)引導(dǎo)濾波方 法過濾法矢量nj，從而準(zhǔn)確地估計(jì)基曲面的法矢量； (3) 、根據(jù)步驟（2)估計(jì)的基曲面的法矢量，利用頂點(diǎn)投影和全局混合優(yōu)化策略重構(gòu)出 基曲面的空間位置； (4) 、采用數(shù)據(jù)挖掘方法計(jì)算浮雕原始曲面相對(duì)于基曲面的偏移量，然后使用聚類技術(shù) 提取浮雕細(xì)節(jié)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維曲面循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法，其特征在于:所 述步驟（2)中，采用循環(huán)引導(dǎo)濾波方法過濾各三角面片的法矢量r^，既可避免基曲面過光 順，又能避免具有豐富細(xì)節(jié)曲面區(qū)域過濾不足的問題。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維曲面循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法，其特征在于:所 述步驟(3)中，利用頂點(diǎn)投影和全局混合優(yōu)化策略重構(gòu)基曲面的空間位置，實(shí)質(zhì)就是由過濾 后的基曲面的法矢量引導(dǎo)網(wǎng)格頂點(diǎn)從初始位置還原至基曲面位置，對(duì)于一個(gè)三角面片f (Vl，W，Vk)來說，該三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)應(yīng)分別投影到基曲面上的新位置 由于每個(gè)三角網(wǎng)格頂點(diǎn)能夠投影到多個(gè)三角面片，導(dǎo)致每個(gè)頂點(diǎn)有多個(gè)新的位置，因而，采 用全局混合優(yōu)化策略進(jìn)一步優(yōu)化各個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)，最終獲取理想的網(wǎng)格頂點(diǎn)位置。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維曲面循環(huán)引導(dǎo)的浮雕提取方法，其特征在于:所 述步驟(4)中，采用數(shù)據(jù)挖掘方法中的高斯混合模型分析原始曲面位置與基曲面位置的偏 移量，即對(duì)每個(gè)原始網(wǎng)格點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)基曲面上最近點(diǎn)的偏移量分析，對(duì)于浮雕該偏移量變 化應(yīng)該較大，而基曲面應(yīng)較小，從而確定浮雕點(diǎn)集和基曲面點(diǎn)集的分割閥值，最終提取出浮 雕細(xì)節(jié)點(diǎn)集，同時(shí)保留浮雕點(diǎn)集在原始點(diǎn)集上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G06K9/62GK106056124SQ201610380387
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】魏明強(qiáng), 陳海妹, 李維詩, 于連棟
【申請(qǐng)人】佛山市天目工業(yè)測(cè)量科技有限公司