专利名称：立体卡片自动设计方法
技术领域：
本发明涉及计算机艺术与数字几何处理技术领域，特别涉及一种立体卡片自动设 计方法。
背景技术：
使用计算机以定性和定量的方法对艺术进行分析研究，以及利用计算机辅助艺术 创作，统称为计算机艺术(Computer Arts)。立体卡片作为一种独特的艺术形式，广泛出现 在人们的日常生活中。设计一张精致的立体卡片，往往需要丰富的经验、高超的技艺、丰富 的想象力和艺术细胞，还需要花费大量的时间。立体卡片的手工设计是一个如此复杂的过 程，因此，使用计算机辅助立体卡片的设计，具有非常重要的意义。使用计算机辅助立体卡片设计方面的研究，从2002年开始受到关注。Glassner 等人于2002年发明了一个可交互进行弹出式立体卡片设计的系统。在这个系统的基础上， Mitani和Suzuki，Hendrix分别于2004年、2006年进行了改进。但是，这些方法虽然有计 算机进行辅助，但还需要用户逐面对立体卡片进行手工设计，工作量仍然较大。现有技术的另一种方法使用数字三维模型作为输入，利用模型中包含的大量信 息，自动设计立体卡片，这种方法能够有效降低用户工作量。Mitani等人采用这种方法，发 明了一种基于数字三维模型的立体造型自动设计方法，然而这个方法所设计的立体造型有 较大局限，还不能称之为立体卡片，因为它们缺乏立体卡片的稳定性和自我弹出特性。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何设计具有连通性和稳定性、与作为输入的数字三 维模型相似度高、效果美观逼真的立体卡片。( 二 )技术方案为此，本发明提供了一种立体卡片自动设计方法，包括步骤1、定义平行于屏幕竖直指向屏幕上沿的方向为Z方向，平行于屏幕水平指向 左方的方向为X方向，垂直于屏幕指向屏幕外的方向为Y方向；立体卡片的数字三维模型位 于XY平面的一面为底面，所述数字三维模型位于XZ平面的一面为背面；将所述三维数字模 型表示为N个同等大小的正方体；其中N为大于1的自然数；步骤2、所述正方体具有6N个正方形面，舍弃YZ平面方向的正方形面，在剩下4N 个正方形面中，以位于所述背面和底面的正方形面的中心点为原点，沿YZ平面上Y轴与Z 轴的45度夹角指向屏幕外的方向做射线，得到数个平行的射线，保留中心点位于所述射线 上且位于所述射线正方向最外面的正方形面；保留的正方形面的集合构成所述立体卡片的 立体造型；步骤3、使用渐进和贪心算法，逐个或逐批对步骤2保留的正方形面沿其中心点所 在的所述射线移动，使得移动后的正方形面与移动前的正方形面垂直或平行，移动后的正方形面的中心点仍在所述射线上，且各个正方形面之间具有连通性和稳定性；步骤4、将步骤3得到的立体造型沿所述射线方向投影到所述底面所在的平面上， 得到的象即所述立体卡片的设计图。所述步骤4之后还包括对所述设计图的边界节点序列使用拉普拉斯方法进行平滑以消除锯齿。所述步骤3具体包括步骤301、将所述步骤2保留下来的正方形面沿各自所在的射线方向投影到底面 所在的平面上，得到一个象，将位于该象最外圈的正方形面固定；步骤302、判断是否存在没有被固定的正方形面，是则执行步骤303 ；否则结束；步骤303、对于还没有被固定的正方形面，以X轴坐标相同作为划分标准，将没有 被固定的正方形面划分为多批正方形面；依次计算每批正方形面移动到连通和稳定状态所 需的平均移动距离；步骤304、选取平均移动距离最小的一批正方形面，对于每一个正方形面，沿其中 心点所在的所述射线移动，使得移动后的正方形面与移动前的正方形面垂直或平行，移动 后的正方形面的中心点仍在所述射线上，且移动后的正方形面和已固定的正方形面之间具 有连通性和稳定性，然后将移动后的正方形面固定下来；执行步骤302。其中所述移动距离表示正方形面沿其中心点所在的所述射线移动，使得移动后 的正方形面与移动前的正方形面垂直或平行，移动后的正方形面的中心点仍在所述射线 上；移动到连通和稳定状态所需的欧几里得距离，每个正方形面最多只能移动一次。所述连通和稳定状态表示被移动的正方形面和已固定的正方形面之间具有连通 性，且所述被移动的正方形面和已固定的正方形面整体具有自动弹出特性。(三)有益效果本发明的技术方案具有如下有益效果通过输入数字三维模型并定义坐标，能够 自动设计出与数字三维模型相似度极高的立体卡片，节省了人力物力，且得到的立体卡片 具有很好的连通性和稳定性，精致美观。
图1是本发明实施例的立体卡片自动设计方法流程图；图2是本发明实施例的立体卡片结构示意图；图3是图1中步骤3的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1所示，为本发明实施例的立体卡片自动设计方法流程图；该方法包括以下 步骤步骤1、将立体卡片的数字三维模型体数据化，具体包括定义平行于屏幕竖直指向屏幕上沿的方向为Z方向，平行于屏幕水平指向左方的 方向为X方向，垂直于屏幕指向屏幕外的方向为Y方向；立体卡片的数字三维模型位于XY平面的一面为底面，立体卡片的数字三维模型位于XZ平面的一面为背面；将立体卡片的数字三维模型离散化，将数字三维模型表示成N个同等大小的正方 体；正方体的大小和个数可以设置，比如可以设置体数据化后的三维模型的分辨率为 128X128X128，则生成不超过128X128X128个正方体；步骤2、生成立体卡片立体造型；具体包括离散化后的数字三维模型由N个正方体组成，N个正方体有6N个正方形面；将YZ 平面方向的正方形面舍弃，保留XZ平面方向和XY平面方向的4N个正方形面；在保留下的 4N个正方形面中，以位于背面和底面的正方形面的中心点为原点，沿YZ平面上Y轴和Z轴 的45度夹角指向屏幕外的方向做射线，可以得到数个平行的射线；以下提到的射线均指此 处定义的射线；保留中心点位于该射线上且位于该射线正方向最外面的正方形面；这些正 方形面的集合构成立体贺卡的立体造型；步骤3、立体卡片的生成步骤，具体包括在步骤2得到的立体造型的基础上，使用渐进和贪心算法，逐个或逐批对步骤2保 留的正方形面沿其中心点所在的射线移动，使得移动后的正方形面与移动前的正方形面垂 直或平行，移动后的正方形面的中心点仍在所述射线上，且各个正方形面之间具有连通性 和稳定性；调整后的正方形面的集合构成近似于原三维模型的立体卡片；本实施例的连通性是指，各个正方形面都不是独立的，而是能够连接为一个整体。 本实施例的稳定性即自动弹出特性，即各个正方形面的组合具有自动弹出的特性。如果满 足立体卡片的各个面能够被命名为P” P2，. . . Pn，其中Pi和P2分别是背面和底面，所有的 面都是一个一组或者两个一组地由下标更小的面连接并支撑起来。若立体卡片的各个面能 够满足上述条件，则认为该立体卡片是连通和稳定的。下面通过一个例子来说明立体卡片 的连通性和稳定性；如图2所示，为本发明实施例的立体卡片结构示意图；图中的立体造型 由若干方形面组成，其中，P3和P4 一起被Pi和P2支撑起来，P5由Pi和P4支撑起来，P6由Pi 和P4支撑起来，P7和P8 —起被Pi和P5支撑起来，则该立体造型是稳定的。该条件是充分条件，而非必要条件，也就是说，不是所有的立体卡片都具有这种性 质，但是具有这种性质的卡片一定具有连通性和稳定性。步骤4、将各个正方形面沿各自所在的射线方向投影到底面所在的平面上，得到的 象即立体卡片的设计图；步骤4得到的设计图，就可以用来做立体卡片了，而且做出的立体卡片具有连通 性和稳定性；得到的立体卡片与设定的数字三维模型相似；为了进一步得到与数字三维模 型相似度更高，更加美观的立体卡片，还可以执行步骤5 ；步骤5、反锯齿与美化的步骤，具体包括对步骤4得到的设计图的边界节点序列使用拉普拉斯方法进行平滑以消除锯齿， 从而使最终得到的立体卡片更加美观和逼真。参照图2，为图1中的步骤3具体流程图；包括步骤301、将步骤2保留下来的正方形面沿各自所在的射线方向投影到底面所在 的平面上，得到一个立体卡片的象，将位于该象最外圈的正方形面固定；步骤302、判断是否还有其它正方形面没有被固定，否则结束；是则执行步骤303 ；
其中没有被固定是指与其它正方形面不相连接，即不满足连通性；也不满足卡片 的稳定性，即自动弹出特性；步骤303、对于还没有被固定的正方形面，以X轴坐标相同作为划分标准，将没有 被固定的正方形面划分为多批正方形面，若有些正方形面的X轴坐标不与其它任何正方形 面的X轴坐标相同，则该正方形面单独作为一批；每批正方形面沿其所在的射线投影到底 面所在的平面上的象，都能够组成一个连接的条带；依次计算每批正方形面移动到连通和 稳定状态所需的平均移动距离；连通和稳定状态即指满足连通性和稳定性的条件，被移动的正方形面和已固定的 正方形面之间具有连通性，且所述被移动的正方形面和已固定的正方形面整体具有自动弹 出特性。其中移动距离表示正方形面沿其中心点所在的射线移动，使得移动后的正方形 面与移动前的正方形面垂直或平行，移动后的正方形面的中心点仍在射线上；移动到连通 和稳定状态所需的欧几里得距离，每个正方形面最多只能移动一次。步骤304、选取平均移动距离最小的一批正方形面，对于每一个正方形面，沿其中 心点所在的所述射线移动，使得移动后的正方形面与移动前的正方形面垂直或平行，移动 后的正方形面的中心点仍在所述射线上，且移动后的正方形面和已固定的正方形面之间具 有连通性和稳定性，然后将移动后的正方形面固定下来；执行步骤302。本发明提供的立体卡片自动设计方法，通过输入的数字三维模型和定义的坐标， 能够设计出与数字三维模型相似度极高的立体卡片，节省了人力物力，且得到的立体卡片 具有很好的连通性和稳定性，精致美观。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型 也应视为本发明的保护范围。
权利要求
一种立体卡片自动设计方法，其特征在于，包括步骤1、定义平行于屏幕竖直指向屏幕上沿的方向为Z方向，平行于屏幕水平指向左方的方向为X方向，垂直于屏幕指向屏幕外的方向为Y方向；立体卡片的数字三维模型位于XY平面的一面为底面，所述数字三维模型位于XZ平面的一面为背面；将所述三维数字模型表示为N个同等大小的正方体；其中N为大于1的自然数；步骤2、所述正方体具有6N个正方形面，舍弃YZ平面方向的正方形面，在剩下4N个正方形面中，以位于所述背面和底面的正方形面的中心点为原点，沿YZ平面上Y轴与Z轴的45度夹角指向屏幕外的方向做射线，得到数个平行的射线，保留中心点位于所述射线上且位于所述射线正方向最外面的正方形面；保留的正方形面的集合构成所述立体卡片的立体造型；步骤3、使用渐进和贪心算法，逐个或逐批对步骤2保留的正方形面沿其中心点所在的所述射线移动，使得移动后的正方形面与移动前的正方形面垂直或平行，移动后的正方形面的中心点仍在所述射线上，且各个正方形面之间具有连通性和稳定性；步骤4、将步骤3得到的立体造型沿所述射线方向投影到所述底面所在的平面上，得到的象即所述立体卡片的设计图。
2.如权利要求1所述的立体卡片自动设计方法，其特征在于，所述步骤4之后还包括对所述设计图的边界节点序列使用拉普拉斯方法进行平滑以消除锯齿。
3.如权利要求1所述的立体卡片自动设计方法，其特征在于，所述步骤3具体包括步骤301、将所述步骤2保留下来的正方形面沿各自所在的射线方向投影到底面所在的平面上，得到一个象，将位于该象最外圈的正方形面固定；步骤302、判断是否存在没有被固定的正方形面，是则执行步骤303，否则结束；步骤303、对于还没有被固定的正方形面，以X轴坐标相同作为划分标准，将没有被固 定的正方形面划分为多批正方形面；依次计算每批正方形面移动到连通和稳定状态所需的 平均移动距离；步骤304、选取平均移动距离最小的一批正方形面，对于每一个正方形面，沿其中心点 所在的所述射线移动，使得移动后的正方形面与移动前的正方形面垂直或平行，移动后的 正方形面的中心点仍在所述射线上，且移动后的正方形面和已固定的正方形面之间具有连 通性和稳定性，然后将移动后的正方形面固定下来；执行步骤302。
4.如权利要求3所述的立体卡片自动设计方法，其特征在于，所述移动距离表示正方 形面沿其中心点所在的所述射线移动，使得移动后的正方形面与移动前的正方形面垂直或 平行，移动后的正方形面的中心点仍在所述射线上；移动到连通和稳定状态所需的欧几里 得距离，每个正方形面最多只能移动一次。
5.如权利要求3或4所述的立体卡片自动设计方法，其特征在于，所述连通和稳定状态 表示被移动的正方形面和已固定的正方形面之间具有连通性，且所述被移动的正方形面和 已固定的正方形面整体具有自动弹出特性。
全文摘要
本发明公开了一种立体卡片自动设计方法，包括将输入的数字三维模型体数据化的步骤；生成立体卡片的立体造型的步骤；生成立体卡片的步骤。本发明提供的立体卡片自动设计方法，通过输入的数字三维模型和定义坐标，能够自动设计出与数字三维模型相似度极高的立体卡片，节省了人力物力，且得到的立体卡片具有很好的连通性和稳定性，精致美观。
文档编号B42D15/04GK101853321SQ201010194608
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者李先颖, 沈超慧, 胡事民 申请人:清华大学