專利名稱：一種基于骨架草圖繪制的三維建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖形學(xué)領(lǐng)域，特別涉及到一種基于骨架草圖繪制的三
維(3D)建模方法。
背景技術(shù)：
自由形態(tài)建模是是三維建模系統(tǒng)中的重要組成部分，這種建模方 式無論從使用人群、設(shè)計要求，到應(yīng)用領(lǐng)域，都有著與其它的三維草 圖技術(shù)明顯不同之處。自由形態(tài)模型的使用者不是專業(yè)設(shè)計師，而是 所有對此感興趣的用戶，甚至是低齡的小孩，這就需要自由形態(tài)建模 系統(tǒng)從設(shè)計上更加容易上手，沒過于繁瑣的提示過程和控件按鈕。而 由于自由形態(tài)建模系統(tǒng)的簡易性和曲線的隨意性，其應(yīng)用領(lǐng)域主要在 玩具設(shè)計巿場和簡筆畫繪圖軟件方面。
1999年，日本東京大學(xué)的TakeoIgarashi第一次設(shè)計出了基于草繪 的三維自由形態(tài)設(shè)計系統(tǒng)一一Teddy，這種交互系統(tǒng)放棄了其它三維 建模系統(tǒng)"精確制圖"的思想，允許用戶繪制的自由曲線，并采用了 一種曲面膨脹算法，將用戶輸入的草繪輪廓線進(jìn)行膨脹處理，然后通 過切割、光順等手勢操作對模型進(jìn)行編輯修改，使之逐步達(dá)到設(shè)計者 的初始意圖。從此，基于自由曲線的輪廓建模已經(jīng)被越來越多的學(xué)者 所重視，也成為了如今圖形學(xué)領(lǐng)域中一個熱點(diǎn)研究方向。當(dāng)前自由形 態(tài)設(shè)計方法的草圖設(shè)計都是待生成模型的輪廓曲線，而勾勒輪廓的過 程本身不僅難于控制，也容易增加用戶的負(fù)擔(dān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在繪制線條的時候更簡單方便，生成的 模型更加規(guī)則、光滑的基于骨架草圖的3D建模方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種基于骨架草圖繪制
4的三維建模方法，所述方法包括以下步驟
Sl，繪制一條基礎(chǔ)曲線，即為主骨架線，作為將來生成網(wǎng)格模型
的基礎(chǔ)路徑；
S2，在所述主骨架線的基礎(chǔ)上，根據(jù)想要生成模型的形狀，沿著該主骨架線的方向，垂直地繪制一條或多條支撐線，用于控制網(wǎng)格模型的膨脹細(xì)節(jié)；
S3，根據(jù)想要生成模型的形狀，繪制封閉的截曲線；
S4,根據(jù)所述主骨架線、支撐線和截曲線創(chuàng)建三維模型。
其中，在步驟S4之后還包括
S5，根據(jù)想要生成模型的形狀對步驟S4創(chuàng)建的三維模型進(jìn)行修改。
其中，在步驟S5之后還包括
S6,重復(fù)步驟S1 S5的搡作，得封一系列三維模型，并進(jìn)行組合，融合或粘貼。
其中，步驟S4中，利用掃描曲面的方法創(chuàng)建三維模型。其中，創(chuàng)建三維模型具體包括以下步驟
對主骨架線進(jìn)行映射處理，沿著曲線方向，以曲線的長度為變量，將二維的主骨架曲線映射到新二維坐標(biāo)系的x軸上，再將每一條支撐線映射到新二維坐標(biāo)系的一個點(diǎn)中，該點(diǎn)的x坐標(biāo)為二維骨架曲線對應(yīng)的x值，y坐標(biāo)為支撐線長度；
以所有支撐線映射的坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)，釆用樣條插值的方法算出主骨架線上每一點(diǎn)的支撐長度；
按照一定的步長，沿著主骨架線的方向，根據(jù)之前算出的每一節(jié)點(diǎn)的支撐長度，以所述截曲線為膨脹形狀進(jìn)行網(wǎng)格膨脹。
上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明在繪制線條的時候更簡單方便，生成的模型更加規(guī)則、光滑。


圖1是本發(fā)明實施例的一種一種基于骨架草圖繪制的3D建模方
法的流程示意圖2是本發(fā)明實施例的一種基于骨架草圖繪制的3D建模方法流程示意圖3是本發(fā)明實施例的另一種基于骨架草圖繪制的3D建模方法流程示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
結(jié)合 圖l，本實施例的基于骨架草圖繪制的3D建模方法包含如下步驟
a、 主骨架線的繪制用戶繪制一條基礎(chǔ)曲線，即為主骨架線，作為將來生成網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)路徑。
b、 支撐線的繪制在a中主骨架線的基礎(chǔ)上，用戶根據(jù)想要生成模型的形狀，沿著該主骨架線的方向，垂直地繪制支撐線，對于每條主骨架線，用戶可以繪制多條支撐線控制網(wǎng)格模型的膨脹細(xì)節(jié)。
c、 截曲線的繪制用戶可以選擇特定的曲線形狀，例如橢圓等，或者手工繪制曲線，該曲線即為將生成網(wǎng)格模型的截曲線形狀，截曲線為封閉曲線。
d、 模型建立根據(jù)用戶在a繪制的主骨架線、b繪制的支撐線，以及c繪制的截曲面形狀創(chuàng)建三維模型。創(chuàng)建出的模型具有良好的光滑性，在這個部分中，a中繪制的主骨架線和b中繪制的支撐線構(gòu)成了待生成模型的側(cè)面輪廓，而c中繪制的截曲面形狀構(gòu)成了待生成模型的截面輪廓，方法釆用sweep surface (掃描曲面)的方法，沿著主骨架線的方向膨脹出網(wǎng)格模型。
e、 模型修改用戶可以利用兩種方式修改模型， 一種是傳統(tǒng)的操作方法，例如剪切。另一種是調(diào)整主骨架線的形狀修改模型。f、融合與粘貼用戶可以重復(fù)a e的操作，得到一系列網(wǎng)格模型單元，這些單元可以被任意組合，融合或粘貼。
概括地說，為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明首先允許用戶輸入三類信息，即a中描述的主骨架線，b中描述的支撐線以及c中描述的截曲面。主骨架線與支撐線是生成模型側(cè)面輪廓的主要依據(jù)，而截曲面形狀是生成模型截面輪廓的主要依據(jù)。在模型建立過程中，方法首先對主骨架線進(jìn)行映射處理，沿著曲線方向，以曲線的長度為變量，將二維的主骨架曲線映射到新二維坐標(biāo)系的x軸上，新二維坐標(biāo)系是把曲線拉成直線當(dāng)作坐標(biāo)軸x，坐標(biāo)x值表示的是某點(diǎn)到端點(diǎn)的曲線長度。y坐標(biāo)就是按照該點(diǎn)的截曲面長度來確定。再將每一條支撐線映射到新二維坐標(biāo)系的一個點(diǎn)中，該點(diǎn)的x坐標(biāo)為二維骨架曲線對應(yīng)的x值，y坐標(biāo)為支撐線長度。接著以所有支撐線映射的坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)，采用樣條插值的方法算出主骨架線上每一點(diǎn)的支撐長度。最后，按照一定的步長，沿著主骨架線的方向，根據(jù)之前算出的每一節(jié)點(diǎn)的支撐長度，進(jìn)行網(wǎng)格膨脹，膨脹形狀為c中輸入的截曲面。實驗結(jié)果表明本方法可以方便快捷的進(jìn)行三維模型創(chuàng)建工作，生成的模型具有很好的光滑性和規(guī)則性。
下面以具體實例進(jìn)行詳細(xì)說明。
參照圖2，表示基于骨架草圖繪制的3D建模方法流程步驟a e的例子，圖中表示的步驟為
a、 主骨架線的繪制如圖2的步驟1，用戶想要生成飾品的模型，需要先根據(jù)飾品的形狀，繪制一條基礎(chǔ)曲線，即為主骨架線，作為將來生成網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)路徑。如圖所示這條主骨架線與飾品的大體形態(tài)相一致。
b、 支撐線的繪制在a中主骨架線的基礎(chǔ)上，用戶根據(jù)想要生成模型的形狀，沿著該主骨架線的方向，垂直地繪制支撐線，對于每條主骨架線，用戶可以繪制多條支撐線控制網(wǎng)格模型的膨脹細(xì)節(jié)，參考
7圖2的步驟2，用戶根據(jù)將要生成飾品模型的形狀，在垂直主骨架線的方向畫出幾條支撐線，對比最終的結(jié)果我們可以看到，支撐線所在的位置是飾品模型寬度變化的極值點(diǎn)，而支撐線的長度為該點(diǎn)飾品模型的寬度。
c、 截曲線的繪制用戶可以選擇特定的曲線形狀，例如橢圓等，或者手工繪制曲線，該曲線即為將生成網(wǎng)格模型的截曲線形狀，截曲線為封閉曲線。參考圖2的步驟3，飾品的模型選定為橢圓形，用戶調(diào)整橢圓長寬比，控制橢圓的比率。
d、 模型建立'.根據(jù)用戶在a繪制的主骨架線、b繪制的支撐線，以及c繪制的截曲面形狀創(chuàng)建三維模型。創(chuàng)建出的模型具有良好的光滑性，在這個部分中，a中繪制的主骨架線和b中繪制的支撐線構(gòu)成了待生成模型的側(cè)面輪廓，而c中繪制的截曲面形狀構(gòu)成了待生成模型的截面輪廓，方法釆用sweep surface的方法，沿著主骨架線的方向膨脹出網(wǎng)格模型，如圖2的步驟4，生成的模型都是根據(jù)用戶輸入的主骨架線、支撐線和截曲面形狀，在模型建立過程中，方法首先對主骨架線進(jìn)行映射處理，沿著曲線方向，以曲線的長度為變量，將二維的主骨架曲線映射到新二維坐標(biāo)系的x軸上，再將每一條支撐線映射到新二維坐標(biāo)系的一個點(diǎn)中，該點(diǎn)的x坐標(biāo)為二維骨架曲線對應(yīng)的x值，y坐標(biāo)為支撐線長度。方法接著以所有支撐線映射的坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)，采用樣條插值的方法算出主骨架線上每一點(diǎn)的支撐長度。最后，方法按照一定的步長，沿著主骨架線的方向，根據(jù)之前算出的每一節(jié)點(diǎn)的支撐長度，進(jìn)行網(wǎng)格膨脹，膨脹形狀為c中輸入的截曲面。
e、 模型修改用戶可以利用兩種方式修改模型， 一種是傳統(tǒng)的操作方法，例如剪切。另一種是調(diào)整主骨架線的形狀修改模型，如圖2的步驟5所示，這種方法修改了主骨架線的走勢，由此改變了生成三維模型的形狀。
參照圖3，表示基于骨架草圖繪制的3D建模方法流程步驟f的例子。在融合與粘貼部分，用戶可以重復(fù)a e的操作，得到一系列網(wǎng)格模型單元，這些單元可以被任意組合，融合或粘貼，正如圖3所示，在已有的空瓶的基礎(chǔ)上，用戶想要設(shè)計一個瓶蓋，只需在原有瓶子的基礎(chǔ)上，按照上述a e的方法設(shè)計，獨(dú)立生成一個瓶蓋，最后將這兩部分進(jìn)行簡單的組合操作即可。
從自由形態(tài)設(shè)計方法的內(nèi)容和設(shè)計過程來看，二維骨骼能夠很好的刻畫模型的輪廓信息，獨(dú)立的作為交互的輸入后，充分的利用骨骼信息，就可以獲得與輪廓草圖類似或更好的結(jié)果。本方法用骨骼繪制替代輪廓線繪制，不僅極大地降低了用戶交互的復(fù)雜性，生成的模型也更具光滑性。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種基于骨架草圖繪制的三維建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟S1，繪制一條基礎(chǔ)曲線，即為主骨架線，作為將來生成網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)路徑；S2，在所述主骨架線的基礎(chǔ)上，根據(jù)想要生成模型的形狀，沿著該主骨架線的方向，垂直地繪制一條或多條支撐線，用于控制網(wǎng)格模型的膨脹細(xì)節(jié)；S3，根據(jù)想要生成模型的形狀，繪制封閉的截曲線；S4，根據(jù)所述主骨架線、支撐線和截曲線創(chuàng)建三維模型。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于骨架草圖繪制的三維建模方法，其 特征在于，在步驟S4之后還包括S5，根據(jù)想要生成模型的形狀對步驟S4創(chuàng)建的三維模型進(jìn)行修改。
3、 如權(quán)利要求2所述的基于骨架草圖繪制的三維建模方法，其 特征在于，在步驟S5之后還包括S6,重復(fù)步驟S1 S5的操作，得到一系列三維模型，并進(jìn)行組 合，融合或粘貼。
4、 如權(quán)利要求1所述的基于骨架草圖繪制的三維建模方法，其 特征在于，步驟S4中，利用掃描曲面的方法創(chuàng)建三維模型。
5、 如權(quán)利要求5所述的基于骨架草圖繪制的三維建模方法，其 特征在于，創(chuàng)建三維模型具體包括以下步驟對主骨架線進(jìn)行映射處理，沿著曲線方向，以曲線的長度為變量， 將二維的主骨架曲線映射到新二維坐標(biāo)系的x軸上，再將每一條支撐 線映射到新二維坐標(biāo)系的一個點(diǎn)中，該點(diǎn)的x坐標(biāo)為二維骨架曲線對 應(yīng)的x值，y坐標(biāo)為支撐線長度；以所有支撐線映射的坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)，采用樣條插值的方法算出主骨架線上每一點(diǎn)的支撐長度；按照一定的步長，沿著主骨架線的方向，根據(jù)之前算出的每一節(jié) 點(diǎn)的支撐長度，以所述截曲線為膨脹形狀進(jìn)行網(wǎng)格膨脹。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于骨架草圖繪制的三維建模方法，所述方法包括以下步驟S1，繪制一條基礎(chǔ)曲線，即為主骨架線，作為將來生成網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)路徑；S2，在所述主骨架線的基礎(chǔ)上，根據(jù)想要生成模型的形狀，沿著該主骨架線的方向，垂直地繪制一條或多條支撐線，用于控制網(wǎng)格模型的膨脹細(xì)節(jié)；S3，根據(jù)想要生成模型的形狀，繪制封閉的截曲線；S4，根據(jù)所述主骨架線、支撐線和截曲線創(chuàng)建三維模型。本發(fā)明在繪制線條的時候更簡單方便，生成的模型更加規(guī)則、光滑。
文檔編號G06T17/00GK101493954SQ20091007857
公開日2009年7月29日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月26日
發(fā)明者鵬 欒, 胡事民 申請人:清華大學(xué)