專利名稱：一種基于圖像空間的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)壓縮和平滑方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于圖像空間的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)壓縮和平滑方法。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，遠(yuǎn)程可視化成為可視化技術(shù)發(fā)展的新趨勢，使網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)資源得到合理有效的利用。由于觀測和模擬所獲取數(shù)據(jù)量的增長速度遠(yuǎn)大于網(wǎng)絡(luò)帶寬傳輸速度的增長，同時(shí)隨著移動(dòng)計(jì)算平臺，如筆記本電腦、平板電腦和智能手機(jī)的計(jì)算能力的提升，遠(yuǎn)程可視化技術(shù)將變得越來越重要，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，服務(wù)器端一般都配備具有強(qiáng)大的圖形處能力的超級計(jì)算機(jī)或工作站，客戶端個(gè)人計(jì)算機(jī)的性能也在逐步提升，具有一定的計(jì)算能力，因而網(wǎng)絡(luò)帶寬成為制約遠(yuǎn)程可視化重要瓶頸。在給定網(wǎng)絡(luò)帶寬條件下，要提高數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，關(guān)鍵是尋求一種高效的數(shù)據(jù)壓縮方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的快速壓縮，并達(dá)到較高的壓縮比。且在獲得較高壓縮比數(shù)據(jù)以后，能夠保證客戶端重繪場景的質(zhì)量。I)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的壓縮在傳統(tǒng)遠(yuǎn)程可視化方法中，網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制會(huì)降低傳輸?shù)臄?shù)據(jù)質(zhì)量。為了能快快速獲取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程可視化最重要的工作之一就是在服務(wù)器端對大量可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行快速緊密壓縮，并保證在客戶端重構(gòu)時(shí)沒有圖像的扭曲。目前有少量的方法可實(shí)現(xiàn)考慮時(shí)間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的簡單壓縮。Sattler等和Shlafman等提出的自動(dòng)網(wǎng)格分割以及Alexa等用于剛體和Karni等用于柔性物體的主成分分析，可有效實(shí)現(xiàn)包含時(shí)間的動(dòng)畫序列的壓縮。許多非網(wǎng)格分割方法，如=Guskov等提出的小波和Woodring等提出的傅里葉壓縮，通過頂點(diǎn)周圍點(diǎn)在上一幀和當(dāng)前幀的空間位置預(yù)測頂點(diǎn)的新空間位置，從而實(shí)現(xiàn)對隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)的壓縮，但壓縮比有待提高。Liao等和Rosen等可實(shí)現(xiàn)對采樣點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的簡單壓縮，但壓縮效率較慢。為了實(shí)現(xiàn)考慮時(shí)空連續(xù)性的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的快速緊密壓縮，本發(fā)明提出一種基于屏幕空間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的壓縮方法，同時(shí)考慮壓縮時(shí)的壓縮效率和壓縮比。2)三維網(wǎng)格的平滑處理方法現(xiàn)階段，用多邊形網(wǎng)格來描述場景中幾何形體的技術(shù)己日漸成熟。并且隨著多媒體技術(shù)的日益進(jìn)步，人們能夠方便地獲得上百萬的海量數(shù)據(jù)點(diǎn)，但同時(shí)人們對于三維圖形可視化質(zhì)量的要求也越來越高。通過這些海量數(shù)據(jù)點(diǎn)得到的三角網(wǎng)格模型不可避免的存在各種噪音和擾動(dòng)，這些噪音和擾動(dòng)可能來源于原始模型的一些尖銳特征，小洞或是高曲率等因素。這種不規(guī)則的網(wǎng)格模型十分不利于顯示，傳輸?shù)群罄m(xù)操作。為了能夠更加準(zhǔn)確和有效地處理三維離散采樣數(shù)據(jù)，必須對其進(jìn)行平滑處理。因此，如何在既保持模型本身的幾何結(jié)構(gòu)特征又滿足一定的去噪要求的條件下，對三維網(wǎng)格模型進(jìn)行平滑己成為目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)重要問題。目前，網(wǎng)格模型平滑算法主要分為兩大類:Field等和Li Guangming等提出的拉普拉斯平滑法和Desbrun等提出的平均曲率平滑法。Field等和Li Guangming等提出拉普拉斯平滑算法通過將網(wǎng)格頂點(diǎn)移動(dòng)到其鄰域頂點(diǎn)的平均處進(jìn)行平滑操作，能夠有效地調(diào)整所有的網(wǎng)格至規(guī)則形狀，但對于網(wǎng)格分布不均勻和含有大量不規(guī)則三角片的模型，這種均一化的調(diào)整往往會(huì)導(dǎo)致原始模型的大范圍變形。Desbrun等提出的平均曲率平滑法將網(wǎng)格上每點(diǎn)的法矢方向按照該點(diǎn)平均曲率大小移動(dòng)來調(diào)整網(wǎng)格頂點(diǎn)，取得了較好的平滑效果，但是調(diào)整后的模型卻無法控制網(wǎng)格形狀，極易產(chǎn)生大量的不規(guī)則三角片。二維圖像中的去噪技術(shù)，如Yagou等提出的均值濾波、Fleishman等提出的雙向?yàn)V波和Zhang等提出的基于偏微分方程的思想也被應(yīng)用到三維網(wǎng)格平滑方法中，取得了不錯(cuò)效果。以上方法均是對靜態(tài)模型的平滑處理方法，本發(fā)明提出一種對相鄰剛體過渡區(qū)域的平滑處理方法，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的平滑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:基于圖像空間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的快速緊密壓縮，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，提高大量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。對相鄰剛體過渡區(qū)域的平滑處理方法，消除壓縮比過大時(shí)相鄰剛體之間的裂縫，保證客戶端重構(gòu)場景的繪制質(zhì)量，使得服務(wù)器端可以傳輸較大壓縮比時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為:一種基于圖像空間的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)壓縮和平滑方法，該方法包括如下步驟:步驟(I)、基于圖像空間的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)壓縮:計(jì)算圖像中采樣點(diǎn)在一定時(shí)間間隔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡的空間位置，然后對采樣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行聚類壓縮，將具體有相似運(yùn)動(dòng)軌跡的采樣點(diǎn)聚為一類；首先計(jì)算當(dāng)前視點(diǎn)下采樣點(diǎn)在N幀不同時(shí)刻的空間位置，然后以四個(gè)像素點(diǎn)為一組構(gòu)造小剛體，采用并查集方法對構(gòu)造好的小剛體進(jìn)行合并，并將不能構(gòu)造成剛體的采樣點(diǎn)向合并后的剛體中合并，對不能合并的散點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行壓縮；步驟(2)、對相鄰剛體的過渡區(qū)域進(jìn)行平滑處理:首先查找剛體的邊界，并確定剛體的過渡區(qū)域，然后通過對剛體過渡區(qū)域采樣點(diǎn)取其周圍一定范圍內(nèi)采樣點(diǎn)空間位置平均值，實(shí)現(xiàn)對剛體過渡區(qū)域采樣點(diǎn)的平滑處理；消除壓縮比過大時(shí)相鄰剛體之間的裂縫，保證客戶端重構(gòu)場景的繪制質(zhì)量。所述的步驟(2)在圖像空間構(gòu)造小剛體以及進(jìn)行剛體合并時(shí)，設(shè)置的誤差閾值ε越大，則最終合并得到的剛體數(shù)量越少，即能夠合并到一個(gè)剛體中的采樣點(diǎn)數(shù)目越多，得到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的壓縮比越大；但壓縮比過大時(shí)，相鄰剛體之間會(huì)出現(xiàn)視覺上的裂縫；提出對相鄰剛體過渡區(qū)域的平滑處理方法，消除傳輸數(shù)據(jù)壓縮比過大時(shí)相鄰剛體之間的裂縫，保證客戶端重構(gòu)場景的繪制質(zhì)量，使得服務(wù)器端可以傳輸較大壓縮比時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)、由于傳統(tǒng)交互式三維圖形可視化方法中，每當(dāng)客戶端視點(diǎn)參數(shù)改變，服務(wù)器端需要重新繪制和傳輸一幅新視點(diǎn)下的圖像，客戶端視點(diǎn)變化頻繁導(dǎo)致過大的數(shù)據(jù)傳輸量成為瓶頸，本發(fā)明在服務(wù)器端基于圖像空間對投影后的采樣點(diǎn)進(jìn)行壓縮:首先計(jì)算圖像中采樣點(diǎn)在一定時(shí)間間隔內(nèi)的空間位置(運(yùn)動(dòng)軌跡)，然后對運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行聚類壓縮，從而極大提高數(shù)據(jù)壓縮比。在客戶端對相鄰剛體過渡區(qū)域進(jìn)行平滑處理，消除壓縮比過大時(shí)相鄰剛體之間的裂縫，保證客戶端重構(gòu)場景的繪制質(zhì)量，從而使得服務(wù)器端可以傳輸較大壓縮比時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。(2)、本發(fā)明采樣點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的壓縮在圖像空間完成，較好的利用了 GPU并行計(jì)算特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)場景數(shù)據(jù)的快速緊密壓縮，降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制。


圖1為算法整體流程圖；圖2為計(jì)算采樣點(diǎn)3D空間位置示意圖；圖3為小剛體構(gòu)造示意圖；圖4為求剛體運(yùn)動(dòng)矩陣步驟示意圖；圖5為基于并查集的小剛體合并算法示意圖；圖6為散點(diǎn)壓縮過程不意圖；圖7為不同誤差閾值下的壓縮效果圖，圖7(a)中ε =IOmm,圖7 (b)中ε =50mm,圖7(c)中 ε =IOOmm,圖 7 (d)中 ε =200mm ；圖8為第45巾貞誤差閾值為200mm時(shí)平滑前后效果對比圖，圖8 (a)為平滑前效果，圖8(b)為平滑后效果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的圖像空間的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)壓縮方法具體如下:( I)計(jì)算采樣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡由于傳輸?shù)氖侨S動(dòng)態(tài)模擬場景，因此原始場景中所有模型頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是已知的。而本發(fā)明算法是對在不同視點(diǎn)下模型像素點(diǎn)(采樣點(diǎn))的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行壓縮傳輸，在客戶端依據(jù)采樣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡及連接信息重構(gòu)三維動(dòng)態(tài)場景，因此首先要計(jì)算出采樣點(diǎn)(模型像素點(diǎn))的運(yùn)動(dòng)軌跡。假如傳輸N幀的運(yùn)動(dòng)場景，已知場景中某模型三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)Atl, A1, A2,如圖2所示，采樣點(diǎn)S為此三角形在某視點(diǎn)投影后所包含的一個(gè)像素點(diǎn)，無論此三角形如何變化，S相對于這三角形三個(gè)頂點(diǎn)的α，β，Y是始終不會(huì)發(fā)生變化的，在t時(shí)刻存在下面的關(guān)系:
1-V(Z) = A^(J).a 十 A1(J)./] + A1(I)V^O1(I)
[α + β + γ = I由于場景中所有模型頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是已知，因此只要求得采樣點(diǎn)S相對于其所在三角面片三個(gè)頂點(diǎn)的α，β，Y，即可求得其在所傳輸N幀時(shí)間范圍內(nèi)的每一幀的空間位置。采樣點(diǎn)S在t時(shí)刻的空間位置，依據(jù)其依據(jù)紋理坐標(biāo)和深度值即可求得S(t)。而AQ(t)、AJt) A2 (t)已知，因此依據(jù)公式(I)即可求出S相對于其所在三角面片三個(gè)頂點(diǎn)的α，β，Y，從而求得采樣點(diǎn)S在N幀不同時(shí)刻的空間位置，即在N幀內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。(2)構(gòu)造小剛體如圖3左圖所示，對采樣得到圖片中的像素點(diǎn)(采樣點(diǎn))，按照從左到右、從上到下的順序，每四個(gè)像素點(diǎn)為一組，如果其中某三個(gè)像素經(jīng)過判定可以構(gòu)成剛體，則進(jìn)行剛體的構(gòu)造，并判斷剩余點(diǎn)是否合一合并到該剛體內(nèi)。如圖3右圖所示，假定有采樣組M(i, j，k，w),依次判斷％(;[，j，w)，M2(i, j，k)，M3(i，k，w)和 M4(j，k，w)是否能構(gòu)成剛體。假如判斷到M2時(shí)能構(gòu)成剛體，則停止判斷，求剛體M2在N幀內(nèi)每一幀的運(yùn)動(dòng)矩陣，然后判斷剩余的采樣點(diǎn)w是否能合并到剛體M2中。選取M(i，j,k, w)中的M2(i，j，k)為例，給出剛體判定和構(gòu)造剛體的偽代碼:
權(quán)利要求
1.一種基于圖像空間的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)壓縮和平滑方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 步驟(I)、基于圖像空間的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)壓縮: 計(jì)算圖像中采樣點(diǎn)在一定時(shí)間間隔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡的空間位置，然后對采樣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行聚類壓縮，將具體有相似運(yùn)動(dòng)軌跡的采樣點(diǎn)聚為一類； 首先計(jì)算當(dāng)前視點(diǎn)下采樣點(diǎn)在N幀不同時(shí)刻的空間位置，然后以四個(gè)像素點(diǎn)為一組構(gòu)造小剛體，采用并查集方法對構(gòu)造好的小剛體進(jìn)行合并，并將不能構(gòu)造成剛體的采樣點(diǎn)向合并后的剛體中合并，對不能合并的散點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行壓縮； 步驟(2)、對相鄰剛體的過渡區(qū)域進(jìn)行平滑處理: 首先查找剛體的邊界，并確定剛體的過渡區(qū)域，然后通過對剛體過渡區(qū)域采樣點(diǎn)取其周圍一定范圍內(nèi)采樣點(diǎn)空間位置平均值，實(shí)現(xiàn)對剛體過渡區(qū)域采樣點(diǎn)的平滑處理；消除壓縮比過大時(shí)相鄰剛體之間的裂縫，保證客戶端重構(gòu)場景的繪制質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像空間的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)壓縮和平滑方法，其特征在于，步驟(2)在圖像空間構(gòu)造小剛體以及進(jìn)行剛體合并時(shí)，設(shè)置的誤差閾值ε越大，則最終合并得到的剛體數(shù)量越少，即能夠合并到一個(gè)剛體中的采樣點(diǎn)數(shù)目越多，得到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的壓縮比越大；但壓縮比過大時(shí)，相鄰剛體之間會(huì)出現(xiàn)視覺上的裂縫；提出對相鄰剛體過渡區(qū)域的平滑處理方法，消除傳輸數(shù)據(jù)壓縮比過大時(shí)相鄰剛體之間的裂縫，保證客戶端重構(gòu)場景的繪制質(zhì)量，使得服務(wù)器端可以傳輸較大壓縮比時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于圖像空間的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)壓縮和平滑方法，在服務(wù)器端基于圖像空間對投影后的采樣點(diǎn)進(jìn)行壓縮首先計(jì)算圖像中采樣點(diǎn)在一定時(shí)間間隔內(nèi)的空間位置，然后對運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行聚類壓縮，極大提高數(shù)據(jù)壓縮比。在客戶端對相鄰剛體過渡區(qū)域進(jìn)行平滑處理，消除壓縮比過大時(shí)相鄰剛體之間的裂縫，從而使得服務(wù)器端可以傳輸較大壓縮比時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)交互式三維圖形可視化方法中，每當(dāng)客戶端視點(diǎn)參數(shù)改變，服務(wù)器端需要重新繪制和傳輸一幅新視點(diǎn)下的圖像，客戶端視點(diǎn)變化頻繁導(dǎo)致過大的數(shù)據(jù)傳輸量，本發(fā)明采樣點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的壓縮在圖像空間完成，較好的利用了GPU并行計(jì)算特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)場景數(shù)據(jù)的快速緊密壓縮，降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制。
文檔編號H04N7/26GK103116897SQ20131002376
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者趙沁平, 馬志強(qiáng), 王莉莉, 張鑫維 申請人:北京航空航天大學(xué)