專利名稱：一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無網(wǎng)格表面繪制方法，尤其是涉及一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法。
背景技術(shù)：
三維掃描系統(tǒng)輸出的是采樣點(diǎn)元，通過該技術(shù)所得到的點(diǎn)元集合可以準(zhǔn)確地表達(dá)物體的幾何形狀。由于各點(diǎn)元之間沒有連接關(guān)系，也不需要保存拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，因此在處理復(fù)雜的三維物體時(shí)顯得特別靈活和簡單。因此，基于點(diǎn)的無網(wǎng)格幾何建模和繪制在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域內(nèi)受到越來越多的關(guān)注。使用點(diǎn)元作為基本元素進(jìn)行表面繪制最早由Levoy等人提出。之后，出現(xiàn)了各種無網(wǎng)格表面繪制方法，例如，使用圖像空間表面重建技術(shù)的方法、QSplat系統(tǒng)以及利用移動(dòng)最小二乘(MLS,Moving Least Square)的方法等。Splatting算法是一種比較快速也較易實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)算法。在這種方式中，每個(gè)表面點(diǎn)元用一個(gè)小圓盤近似，這一近似的小圓盤被稱為Splat。然而,Splatting算法并不能很好地處理表面模型中的尖銳特征,例如邊或角等。這些尖銳特征在某些應(yīng)用中是非常重要的，例如CSG(構(gòu)造實(shí)體幾何)建模、切割模擬等。Adams等人提出在邊角區(qū)域用非常小的splat進(jìn)行重采樣。然而，這種方法需要非常高的采樣率，并且這也只是一種近似方法，當(dāng)將邊角區(qū)域放大時(shí)，仍能看到失真。Pauly等人提出了一種用特殊的splat來繪制邊緣的方法。這種splat由兩個(gè)相交的圓盤組成，并且這兩個(gè)圓盤擁有公共的圓心。切割的邊緣就是兩個(gè)圓盤的交線。這種方法的一個(gè)重要缺陷是不能繪制角點(diǎn)。Zwicker等提出切割線(clip line)的概念,指出邊緣信息可以通過計(jì)算兩個(gè)相交圓盤所在平面的交線得到。Wicke等提出了如何在CSG模型中繪制尖銳特征。此方法將splat的裁剪轉(zhuǎn)化為內(nèi)外點(diǎn)測(cè)試問題(inside/outside test,判斷空間內(nèi)一點(diǎn)是在模型內(nèi)部還是模型外部)。該方法是目前最準(zhǔn)確的方法，但該方法依賴于CSG模型，限制了它的應(yīng)用。最近，為了去除對(duì)CSG模型的依賴,Ivo等使用了自適應(yīng)的splat裁剪方法。但該方法對(duì)某些復(fù)雜情況仍然無法處理。點(diǎn)邊混合模型是繪制尖銳特征的另一種策略，由Zhang等提出。除了點(diǎn)元集合外，該模型還包括了一個(gè)切割線的集合，用來繪制邊角。但是有三個(gè)限制，因此在繪制前需要對(duì)模型進(jìn)行一次預(yù)處理過程，當(dāng)某個(gè)限制不滿足時(shí)，增加點(diǎn)元集合的采樣率，直到所有限制都被滿足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種穩(wěn)定可靠、實(shí)現(xiàn)方便、非常適合于實(shí)際工程應(yīng)用的帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法，該方法包括以下步驟
第一步，采用點(diǎn)邊混合模型對(duì)待繪制物體的表面進(jìn)行建模；第二步，將模型中的表面點(diǎn)與相應(yīng)的切割邊進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并保存關(guān)聯(lián)結(jié)果；第三步，將模型中所有的切割邊投影到觀察平面上，形成投影切割邊；第四步，將模型中所有的表面點(diǎn)投影到觀察平面上，形成一個(gè)個(gè)相互重疊的橢圓；第五步，利用第三步中投影后的切割邊，通過之字形剪裁算法對(duì)每個(gè)投影在觀察平面上的橢圓進(jìn)行裁剪；第六步，裁剪完畢后，對(duì)整個(gè)觀察平面上的像素點(diǎn)進(jìn)行歸一化，獲得待繪制物體的無網(wǎng)格表面。所述的無網(wǎng)格表面由若干個(gè)光滑表面s組成，所述的尖銳特征僅出現(xiàn)在兩個(gè)或多個(gè)相鄰的光滑表面之間，對(duì)于每個(gè)光滑表面S，有S= {Pn, LJ 其中，Pn為η個(gè)表面點(diǎn)的集合,η > 0，每個(gè)表面點(diǎn)中包含該點(diǎn)的屬性，Lt為t個(gè)切割環(huán)的集合，t ^ 0，每個(gè)切割環(huán)包含一個(gè)邊點(diǎn)的序列，在每個(gè)切割環(huán)中，連接任意兩個(gè)的邊點(diǎn)的線段稱為切割邊。所述的點(diǎn)的屬性包括點(diǎn)的位置、法向量、顏色值和該點(diǎn)所代表的splat的半徑。所述的點(diǎn)邊混合模型PEM定義如下PEM = {SK, VJ其中，Sk表不包含K個(gè)光滑表面的集合，Vm為m個(gè)邊點(diǎn)的集合。所述的邊點(diǎn)為尖銳特征中的邊上的點(diǎn)。所述的表面點(diǎn)與切割邊進(jìn)行關(guān)聯(lián)是指在每個(gè)光滑表面中，計(jì)算表面點(diǎn)與切割邊間的距離，實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，具體描述為以表面點(diǎn)的位置為球心,表面點(diǎn)所表示的splat的半徑為半徑作每個(gè)表面點(diǎn)的包圍球，同時(shí)將切割邊用包圍球包起來，然后作包圍球間的碰撞檢測(cè)，若某一包圍球與某一切害I]邊相交，則表明它們之間有關(guān)聯(lián)關(guān)系。所述的之字型裁剪算法是指根據(jù)觀察平面上有離散點(diǎn)的射線與切割邊判斷該離散點(diǎn)是否需被裁剪，并舍棄需被裁剪的離散點(diǎn)，具體為I)針對(duì)觀察平面上的某一離散點(diǎn)D，從該點(diǎn)畫一條射線，使這條射線經(jīng)過第一條切割邊的中心c ；2)計(jì)算該射線與所有投影切割邊的交點(diǎn)，并記錄距離點(diǎn)D最近的交點(diǎn)，該交點(diǎn)所在的切割邊定義為關(guān)鍵切割邊e ；3)判斷點(diǎn)D是否滿足志*；^<0，若是，則點(diǎn)D為需被裁剪的離散點(diǎn)，舍棄點(diǎn)D，若否，則保留點(diǎn)D。當(dāng)距離點(diǎn)D最近的交點(diǎn)為兩條投影切割邊的公共點(diǎn)時(shí)，另取一條射線，使其通過其中一條切割邊的中點(diǎn)，并計(jì)算其與另一條邊的交點(diǎn)，根據(jù)交點(diǎn)與點(diǎn)D的距離選取關(guān)鍵切割邊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)省去了增加采樣點(diǎn)這一復(fù)雜的預(yù)處理過程，簡化了整個(gè)建模過程；(2)繪制過程是在經(jīng)典的Splatting算法中做的部分改進(jìn)，整個(gè)繪制過程非常易于實(shí)現(xiàn)；(3)本發(fā)明對(duì)于處理各種尖銳邊緣效果非常好。


圖1為本發(fā)明的流程示意圖；圖2為采用本發(fā)明方法繪制的齒輪模型效果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例如圖1所示，一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法，該方法包括以下步驟第一步，在繪制前，采用點(diǎn)邊混合模型對(duì)待繪制物體的表面進(jìn)行建模，；在點(diǎn)邊混合模型中，用P來表示表面點(diǎn)；而用V來表示尖銳特征中的邊上的點(diǎn)，并稱其為邊點(diǎn)。所述的無網(wǎng)格表面由若干個(gè)光滑表面s組成，規(guī)定尖銳特征僅出現(xiàn)在兩個(gè)或多個(gè)相鄰的光滑表面之間，對(duì)于每個(gè)光滑表面S，有s = {Pn, LJ其中，Pn為η個(gè)表面點(diǎn)的集合,η > O,每個(gè)表面點(diǎn)中包含該點(diǎn)的屬性,包括點(diǎn)的位置、法向量、顏色值和該點(diǎn)所代`表的splat的半徑；Lt為t個(gè)切割環(huán)的集合，t ^ O。每個(gè)切割環(huán)包含一個(gè)邊點(diǎn)的序列，將這些邊點(diǎn)按該序列連接起來，并連上其頭尾，就可以組成一個(gè)環(huán)狀的切割環(huán)。由于我們之前規(guī)定了尖銳特征只能出現(xiàn)在兩個(gè)或多個(gè)相鄰的光滑表面之間，因此這些特征只能以環(huán)狀形式存在于模型中。切割環(huán)中的邊點(diǎn)是按逆時(shí)針的順序排列的，即當(dāng)視線沿著表面點(diǎn)的法向量的反方向看過去，邊點(diǎn)的排列順序是逆時(shí)針的。另外需要指出的是，每個(gè)光滑表面可以沒有切割環(huán)，例如一個(gè)光滑的球面；也可以有多于一個(gè)的切割環(huán)，這種情況發(fā)生在表面中有洞的情況。在每個(gè)切割環(huán)中，連接任意兩個(gè)的邊點(diǎn)的線段稱為切割線段或切割邊。所述的點(diǎn)邊混合模型PEM定義如下PEM = {SK，VJ其中，3￡表示包含K個(gè)光滑表面的集合，Sk = {Si|i = 1，…，K}，VmSm個(gè)邊點(diǎn)的
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口 O第二步，將模型中的表面點(diǎn)與相應(yīng)的切割邊進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并保存關(guān)聯(lián)結(jié)果。所述的表面點(diǎn)與切割邊進(jìn)行關(guān)聯(lián)是指在每個(gè)光滑表面中，計(jì)算表面點(diǎn)與切割邊間的距離，實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，具體描述為以表面點(diǎn)的位置為球心,表面點(diǎn)所表示的splat的半徑為半徑作每個(gè)表面點(diǎn)的包圍球，同時(shí)將切割邊用包圍球包起來，然后作包圍球間的碰撞檢測(cè)，若某一包圍球與某一切害I]邊相交，則表明它們之間有關(guān)聯(lián)關(guān)系。第三步，繪制過程從這步開始，將模型中所有切割邊投影到觀察平面上，形成投影切割邊。
第四步，將模型中所有的表面點(diǎn)投影到觀察平面上，形成一個(gè)個(gè)相互重疊的橢圓。第五步，利用第三步中投影后的切割邊，通過之字形剪裁算法對(duì)每個(gè)投影在觀察平面上的橢圓進(jìn)行裁剪。所述的之字型裁剪算法如下所述的之字型裁剪算法是指根據(jù)觀察平面上有離散點(diǎn)的射線與切割邊判斷該離散點(diǎn)是否需被裁剪，并舍棄需被裁剪的離散點(diǎn)，具體為I)針對(duì)觀察平面上的某一離散點(diǎn)D，從該點(diǎn)畫一條射線,使這條射線經(jīng)過第一條切割邊的中心c ；2)計(jì)算該射線與所有投影切割邊的交點(diǎn)，并記錄距離點(diǎn)D最近的交點(diǎn)，該交點(diǎn)所在的切割邊定義為關(guān)鍵 切割邊e ；3)判斷點(diǎn)D是否 兩足cD*ne<0 ι右是，則點(diǎn)D為需被裁到的尚散點(diǎn)，舍棄點(diǎn)D，右否，則保留點(diǎn)D。另外需要指出的是，當(dāng)射線正好通過兩條切割邊的公共點(diǎn)時(shí)，則可能會(huì)無法判斷這兩個(gè)切割邊哪個(gè)是關(guān)鍵切割邊。解決辦法是另畫一條射線，使其通過其中一條切割邊的中點(diǎn)，并計(jì)算其與另一條邊的交點(diǎn)，看哪個(gè)交點(diǎn)最近哪個(gè)就是關(guān)鍵切割邊。該裁剪算法的偽代碼如下所示
權(quán)利要求
1.一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 第一步，采用點(diǎn)邊混合模型對(duì)待繪制物體的表面進(jìn)行建模； 第二步，將模型中的表面點(diǎn)與相應(yīng)的切割邊進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并保存關(guān)聯(lián)結(jié)果； 第三步，將模型中所有的切割邊投影到觀察平面上，形成投影切割邊； 第四步，將模型中所有的表面點(diǎn)投影到觀察平面上，形成一個(gè)個(gè)相互重疊的橢圓； 第五步，利用第三步中投影后的切割邊，通過之字形剪裁算法對(duì)每個(gè)投影在觀察平面上的橢圓進(jìn)行裁剪； 第六步，裁剪完畢后，對(duì)整個(gè)觀察平面上的像素點(diǎn)進(jìn)行歸一化，獲得待繪制物體的無網(wǎng)格表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法，其特征在于，所述的無網(wǎng)格表面由若干個(gè)光滑表面s組成，所述的尖銳特征僅出現(xiàn)在兩個(gè)或多個(gè)相鄰的光滑表面之間，對(duì)于每個(gè)光滑表面S，有S = {Pn, LJ 其中，PnS η個(gè)表面點(diǎn)的集合，η > O，每個(gè)表面點(diǎn)中包含該點(diǎn)的屬性，Lt為t個(gè)切割環(huán)的集合，t ^ O，每個(gè)切割環(huán)包含一個(gè)邊點(diǎn)的序列，在每個(gè)切割環(huán)中，連接任意兩個(gè)的邊點(diǎn)的線段稱為切割邊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法，其特征在于，所述的點(diǎn)的屬性包括點(diǎn)的位置、法向量、顏色值和該點(diǎn)所代表的splat的半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法，其特征在于，所述的點(diǎn)邊混合模型PEM定義如下PEM = {SK，VJ 其中，Sk表不包含K個(gè)光滑表面的集合，Vm為m個(gè)邊點(diǎn)的集合。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法，其特征在于，所述的邊點(diǎn)為尖銳特征中的邊上的點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法，其特征在于，所述的表面點(diǎn)與切割邊進(jìn)行關(guān)聯(lián)是指在每個(gè)光滑表面中，計(jì)算表面點(diǎn)與切割邊間的距離，實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，具體描述為 以表面點(diǎn)的位置為球心，表面點(diǎn)所表示的splat的半徑為半徑作每個(gè)表面點(diǎn)的包圍球，同時(shí)將切割邊用包圍球包起來，然后作包圍球間的碰撞檢測(cè)，若某一包圍球與某一切割邊相交，則表明它們之間有關(guān)聯(lián)關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法，其特征在于，所述的之字型裁剪算法是指根據(jù)觀察平面上有離散點(diǎn)的射線與切割邊判斷該離散點(diǎn)是否需被裁剪，并舍棄需被裁剪的離散點(diǎn)，具體為 1)針對(duì)觀察平面上的某一離散點(diǎn)D，從該點(diǎn)畫一條射線，使這條射線經(jīng)過第一條切割邊的中心c ； 2)計(jì)算該射線與所有投影切割邊的交點(diǎn)，并記錄距離點(diǎn)D最近的交點(diǎn)，該交點(diǎn)所在的切割邊定義為關(guān)鍵切割邊e ； 3)判斷點(diǎn)D是否滿足疋*&<0,若是，則點(diǎn)D為需被裁剪的離散點(diǎn)，舍棄點(diǎn)D，若否，則保留點(diǎn)D。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法，其特征在于，當(dāng)距離點(diǎn)D最近的交點(diǎn)為兩條投影切割邊的公共點(diǎn)時(shí)，另取一條射線，使其通過其中一條切割邊的中點(diǎn)，并計(jì)算其與另一條邊的交點(diǎn)，根據(jù)交點(diǎn)與點(diǎn)D的距離選取關(guān)鍵切割邊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶尖銳特征的無網(wǎng)格表面繪制方法，該方法包括以下步驟第一步，采用點(diǎn)邊混合模型對(duì)待繪制物體的表面進(jìn)行建模；第二步，將模型中的表面點(diǎn)與相應(yīng)的切割邊進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并保存關(guān)聯(lián)結(jié)果；第三步，將模型中所有的切割邊投影到觀察平面上，形成投影切割邊；第四步，將模型中所有的表面點(diǎn)投影到觀察平面上，形成一個(gè)個(gè)相互重疊的橢圓；第五步，利用第三步中投影后的切割邊，通過之字形剪裁算法對(duì)每個(gè)投影在觀察平面上的橢圓進(jìn)行裁剪；第六步，裁剪完畢后，對(duì)整個(gè)觀察平面上的像素點(diǎn)進(jìn)行歸一化，獲得待繪制物體的無網(wǎng)格表面。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有穩(wěn)定可靠、實(shí)現(xiàn)方便、非常適合于實(shí)際工程應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06T17/30GK103065362SQ201210571768
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者顧力栩, 戴春鋒 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)