专利名称：从三维柔性物体图片中获取皱褶三维几何特性的计算方法
技术领域：
本发明涉及一种从三维柔性物体图片中获取皱褶三维几何特性的计算方法。
技术背景从三维柔性物体图片中获取铍褶三维几何特性在众多领域有着广泛的应用，其涉及多门 学科的交叉。其研究的核心是如何快速从多幅二维图像的灰度值中提取三维柔性物体的几何 特征、光照属性、物体材料表面性质、物体的颜色等特征。目前很难有一种方法能较好地实 现这些功能，主要原因是 一方面提取三维柔性物体诸多特征的求解过程与人类视觉系统的 认知过程有很大差距。人类视觉系统的认知过程是主动寻找求解的方式，而提取三维运动物 体诸多特征则是一种被动求解方式。另一方面，这些函数大多是非线性的，解不是唯一的。 这增加了问题的复杂性。发明内容为了克服现有柔性材料三维特征提取存在计算速度慢，模拟效果不理想等的困难，本发 明提出了一种从三维柔性物体图片中获取皱褶三维几何特性的计算方法，通过遗传算法与人 工干预相结合，从图片中模拟三维柔性物体的皱褶属性。通过分析皱褶边界的形状获取皱褶 几何形状所需的基本数据。通过遗传算法与人工干预相结合来完善铍褶的形状，最终模拟出 用户满意的皱褶形状。本发明采用如下技术方案一种从三维柔性物体图片中获取皱褶三维几何特性的计算方法，包括以下步骤-步骤一、几何模型建立-A) 皱褶边界的划分用于表示皱褶的长度与宽度，第一代的折皱用一个椭圆来表示，给 定一个定值的长度与宽度，产生第一代的铍褶，通过一个适应度函数和用户的干涉来进化铍 褶边界的划分，把模拟出的结果与需要模拟图片中皱褶的边界相比较，比较的内容包括图片 皱褶两端的宽度、皱褶的变化趋势与皱褶的对称情况，该适应度函数以此三个量为基础；B) 皱褶区域内的高度根据皱褶及其附近的阴影来判断皱褶区域内的高度；分析平行光源产生的阴影，找出需要分析的皱褶区域内光亮度最亮的像素，假设此像素的光亮度是/'， 再找出光亮度最暗的像素；假设此点的光亮度是/"，如果此点处于对称轴上，则表示此平行光源垂直于物体所处的 平面，那么皱褶的高度与光亮度的关系是-<formula>formula see original document page 6</formula> (2) 公式中，h为所求点的高度；I为所求点的光亮度；a为最宽处的宽度； 步骤二、遗传算法的设计选取皱褶边界中的2M个点，表示织物的皱褶边界；在这2M个点中，以皱褶较长的一边中部作为对称轴，左右各M个点。用一B样条曲线来表示y坐标值相等的一对中间皱褶的形 状，这一对点间再用三个控制节点来控制此B样条曲线的形状，其中的一点在此B样条曲线 上z坐标值最大的那一点，其他的两个点平均分布在这个最高点两侧与此曲线边界点之间； 这样， 一个皱褶可以用IOM个点来表示，即由5M个个体组成一个鮍褶的第一代种群；每个体 所表示的基因值有该点的三个坐标值、该点的RGB颜色值， 一共6个值；迭代时与原始照片 中皱褶的边界相比较，加入人工参与，修改表示边界点的坐标值，使得模拟皱褶的边界与原 始照片中的边界形状越来越相似；通过遗传算法与人工干预相结合的方法来完善皱褶的形状，每一次迭代后，参加适应度 函数进化的个体将发生改变，这样我们适应度函数的形式不变，但适应度函数进行选择的个 体发生变化，每迭代一次就发生一个个体位置的改变，这样个体位置循环变化，直到用户满 意为止。本发明采用了从三维柔性物体图片中获取皱褶三维几何特性的计算方法，其优点在于-1、 仿真效果有较大的提高；2、 仿真速度快；3、 具有较好的用户交互性；4、 适合于多种皱褶的仿真。
图1是级褶边界示意图；图2是适应度函数选择个体变化图。
具体实施方式
一种从三维柔性物体图片中获取皱褶三维几何特性的计算方法，依次包括以下步骤A) 皱褶边界的划分边界的划分一般用于表示皱褶的长度与宽度，第一代的折皱用一个 椭圆来表示，给定一个定值的长度与宽度，产生第一代的皱褶。通过一个适应度函数来进化 皱褶边界的划分，并介入用户的干涉，使得皱褶的边界越来越逼真。把模拟出的结果与需要 模拟图片中皱褶的边界相比较，比较的内容包括图片敏褶两端的宽度、皱褶的变化趋势与皱 褶的对称情况等，该适应度函数以此三个量为基础。如果模拟出皱褶的某一段比原始图片中相应部分小，则下一代模拟的皱褶就加大这一段 的宽度。但这将与原来形状出现曲线不平滑，需进行平滑处理，在进行平滑处理时，为了加 快速度，采用三阶B样条曲线作为平滑处理方式，如公式(1)所示20= S尸,JV,.,3(") (1)上式是B样条曲线的表达公式，B(X)是B样条曲线的参数方程形式，S是每个控制节点 的参数形式，iV"(M)是三阶B样条基函数。这里取的是三阶B样条曲线，故ATy，每段有5个控制节点，例如a段的控制节点有a， al, a2， a3， a4。故i=l至i=5。本发明模拟两种变化趋势的皱褶， 一种是与椭圆一样变化，即"小一大一小"，这种变化 趋势的皱褶因它与椭圆的变化趋势一致，不需要处理。另外一种变化趋势是需要处理的，如 椭圆时两头小，中间大，而实际需要则是皱褶从一端到中间再到另外一端的变化趋势是"大 一小一最小"，这时只需要椭圆的一半部分就可以满足需要。在处理时，先把椭圆截取一半， 拉长剩下的一半椭圆，使得椭圆达到皱褶需要的长度，不光滑的部分则用三阶B样条曲线进 行平滑处理。处理边界的对称情况时，采用坐标轴的放缩来处理，分别找出对称轴，两边的 最宽像素点，作放缩处理，来模拟两边不对称的边界；B) 皱褶区域内的高度主要根据皱褶及其附近的阴影来判断铍褶区域内的高度。首先分 析光源的情况，本发明只分析平行光源产生的阴影，找出需要分析的皱褶区域内光亮度最亮的像素，假设此像素的光亮度是,，再找出光亮度最暗的像素。假设此点的光亮度是/"，如果此点处于对称轴上，则表示此平行光源垂直于物体所处的平面，那么皱褶的高度与光亮度的关系是<formula>formula see original document page 8</formula> (2)公式中，h为所求点的高度；I为所求点的光亮度；a为最宽处的宽度。 如果光亮度最亮的像素不处在对称轴上，则表示平行光源与物体所处的平面不垂直，有一个角度的偏移值"，表示为<formula>formula see original document page 8</formula> (3)公式中，V是最亮的像素点与对称轴之间的距离。需要考虑两种情况， 一种情况是所求点处于最亮像素点靠对称轴的一边，贝iJ:<formula>formula see original document page 8</formula> (4)另外一种情况为所求点处于最亮像素点靠边界的一侧，贝IJ:<formula>formula see original document page 8</formula> (5)根据不同情况将公式(4)或(5)中的值带入公式(2)中，即可得到铍褶的高度；C) 编码皱褶的编码为该个体所处位置的坐标值与光亮度，即一个个体的基因值有六个，xyz坐标 值和RGB值。表示一个皱褶的个体有50个，每个个体是6个基因值，共300个值，组成一个皱褶的全部编码；D) 第一代种群的定义将有柔性物体皱褶图像的图片显示在电脑或者打印出来，并定好敏褶的中线以确定xy坐 标；用户根据目测皱褶的形状定出其大致边界，选取铍褶边界中的20个点，表示织物的鮍褶 边界。用户确定皱褶的形状是属于"小一大一小"还是属于"大一小一最小"变化模式。在 这20个点中，以皱褶较长的一边中部作为对称轴，左右各10个点。用一B样条曲线来表示y 坐标值相等的一对中间皱褶的形状，这一对点间再用三个控制节点来控制此B样条曲线的形 状。其中的一点在此B样条曲线上z坐标值最大的那一点，其他的两个点平均分布在这个最 高点两侧与此曲线边界点之间。这样， 一个铍褶可以用100个点来表示，即由50个个体组成 一个皱褶的第一代种群。每个体所表示的基因值有该点的三个坐标值、该点的RGB颜色值，
一共6个值。迭代时与原始照片中皱褶的边界相比较，加入人工参与，修改表示边界点的坐 标值，使得模拟皱褶的边界与原始照片中的边界形状越来越相似。对于第一代种群，把一个皱褶用50个个体来表示，也就是说在该遗传算法中， 一个皱褶 的种群的规模是50，用于表示铍褶的边界。第一代的种群是用户根据照片中铍褶的长度与宽 度，产生一个椭圆，此椭圆是对称的。在迭代的过程中，用户根据照片中皱褶的形状，人工 参与以改进皱褶的形状，每次迭代根据用户所提意见，经过算法进化，多次迭代，产生与原 始图片相似的三维皱褶几何形状。E)适应度函数按照附图1的顺序把这20个点排列，分成4段与原始图片中相应部位比较，把用于表示 皱褶边界的点分成4个部分，即即把用于表示皱褶边界的点分成a、 ai、 a2、 a3、 34与b、 b,、 b2、 b3、 b,与c、 Cl、 c2、 c3、 C4和d、山、d2、 d3、山四个部分，如附图l所示。这样需要分别进行四次适应度函数的选择，形成下一代个体的基因值。本发明以其中的一部分(a-ai-a4)为例，说明适应度函数的定义。适应度函数采用如下的方式表示- 1 4/(x)-V， 7(2X,+x")>c/(x) + V, 沾x。,+^)" (6) /(x)， 其它公式中，M分别取a、 b、 c、 d， XMi分别指当前模拟段与中线之间的距离，例如当前模拟 段为a段，如图1所示，以a电开始，有a、 al、 a2、 a3、 a4表示该段的形状，a、 al、 a2、33、 a4点到中线的距离分别用Xal、 Xa2、 Xa3、 Xa4表示。/(X)是遗传算法的适应读函数；emin与c^是用户目测值，表示模拟出的距离与原始照片对比后用户的评价，用于比较该部分铍褶 模拟出边界与原始图片中皱褶边界的大小，属于人工参与定义适应度函数部分，模拟出的距离比原始照片大用5"1 表示，模拟出的距离比原始照片小用1 4 — 7(2X,+^)"mh!表示。F)交叉每一次迭代后，选择参加适应度函数选择基因的个体要发生改变，策略如附图2所示， 每迭代一代，各段的控制节点顺时针向前移动一位。通过遗传算法与人工干预相结合的方法 来完善皱褶的形状，每一次迭代后，参加适应度函数进化的个体将发生改变，这样适应度函 数的形式不变，但适应度函数进行选择的个体发生变化，每迭代一次就发生一个个体位置的 改变，这样个体位置循环变化，直到用户满意为止。
权利要求
1、从三维柔性物体图片中获取皱褶三维几何特性的计算方法，包括以下步骤步骤一、几何模型建立A)皱褶边界的划分用于表示皱褶的长度与宽度，第一代的折皱用一个椭圆来表示，给定一个定值的长度与宽度，产生第一代的皱褶，通过一个适应度函数和用户的干涉来进化皱褶边界的划分，把模拟出的结果与需要模拟图片中皱褶的边界相比较，比较的内容包括图片皱褶两端的宽度、皱褶的变化趋势与皱褶的对称情况，该适应度函数以此三个量为基础；B)皱褶区域内的高度根据皱褶及其附近的阴影来判断皱褶区域内的高度；分析平行光源产生的阴影，找出需要分析的皱褶区域内光亮度最亮的像素，假设此像素的光亮度是I′，再找出光亮度最暗的像素；假设此点的光亮度是I＂，如果此点处于对称轴上，则表示此平行光源垂直于物体所处的平面，那么皱褶的高度与光亮度的关系是公式中，h为所求点的高度；I为所求点的光亮度；a为最宽处的宽度；步骤二、遗传算法的设计选取皱褶边界中的2M个点，表示织物的皱褶边界；在这2M个点中，以皱褶较长的一边中部作为对称轴，左右各M个点；用一B样条曲线来表示y坐标值相等的一对中间皱褶的形状，这一对点间再用三个控制节点来控制此B样条曲线的形状，其中的一点在此B样条曲线上z坐标值最大的那一点，其他的两个点平均分布在这个最高点两侧与此曲线边界点之间；这样，一个皱褶可以用10M个点来表示，即由5M个个体组成一个皱褶的第一代种群；每个体所表示的基因值有该点的三个坐标值、该点的RGB颜色值，一共6个值；迭代时与原始照片中皱褶的边界相比较，加入人工参与，修改表示边界点的坐标值，使得模拟皱褶的边界与原始照片中的边界形状越来越相似；通过遗传算法与人工干预相结合的方法来完善皱褶的形状，每一次迭代后，参加适应度函数进化的个体将发生改变，这样我们适应度函数的形式不变，但适应度函数进行选择的个体发生变化，每迭代一次就发生一个个体位置的改变，这样个体位置循环变化，直到用户满意为止。
2、 根据权利要求l所述的从三维柔性物体图片中获取皱褶三维几何特性的计算方法，其 特征在于选取皱褶边界中的点的个数为20，按照顺序把这20个点排列，并分成4段与原始 图片中相应部位比较，即把用于表示皱褶边界的点分成a、 a,、 a2、 a3、 ^与b、 b、 b2、 b3、 b4 与c、 Cl、 c2、 c3、"和d、 d。 d2、 d3、山四个部分，并分别进行四次适应度函数的选择，形成 下一代个体的基因值；适应度函数采用如下的方式表示-<formula>formula see original document page 3</formula>/w， 其它公式中，M分别取a、 b、 c、 d， XMi分别指当前模拟段与中线之间的距离，/t力是遗传算法的适应读函数，e^与c^是用户目测值，他表示模拟出的距离与原始照片对比后用户的 评价，用于比较该部分皱褶模拟出边界与原始图片中皱褶边界的大小，属于人工参与定义适1 4应度函数部分，模拟出的距离比原始照片大用5 w 表示，模拟出的距离比原始照片小用4(i>M+xM)<Cmi^5。
3、 根据权利要求2所述的从三维柔性物体图片中获取皱褶三维几何特性的计算方法，其 特征在于所述步骤A)中，如果模拟出皱褶的某一段比原始图片中相应部分小，则下一代模拟的皱 褶就加大这一段的宽度，并进行平滑处理。
4、 根据权利要求3所述的从三维柔性物体图片中获取皱褶三维几何特性的计算方法，其特征在于所述平滑处理的方式采用如下三阶B样条曲线作为平滑处理方式<formula>formula see original document page 3</formula>(i)其中，万(")是B样条曲线的参数方程形式，S是每个控制节点的参数形式，A^(w)是三 阶B样条基函数，这里取的是三阶B样条曲线，故^，3。
5、 根据权利要求4所述的从三维柔性物体图片中获取铍褶三维几何特性的计算方法，其 特征在于如果皱褶的变化趋势与椭圆一样变化，则不需要处理；如果铍褶从一端到中间再 到另外一端的变化趋势是由大至小再到最小，则先把椭圆截取一半，拉长剩下的一半椭圆， 使得椭圆达到皱褶需要的长度，不光滑的部分采用三阶B样条曲线进行平滑处理，处理边界 的对称情况时，采用坐标轴的放縮来处理。
6、根据权利要求5所述的从三维柔性物体图片中获取皱褶三维几何特性的计算方法，其 特征在于所述步骤B)中，如果光亮度最亮的像素不处在对称轴上，则表示平行光源与物体所处的平面不垂直，有一个角度的偏移值"，表示为<formula>formula see original document page 4</formula>公式中，▽是最亮的像素点与对称轴之间的距离； 如果所求点处于最亮像素点靠对称轴的一边，贝U:<formula>formula see original document page 4</formula> (4)如果所求点处于最亮像素点靠边界的一侧，贝IJ:<formula>formula see original document page 4</formula> (5) 根据不同情况将公式(4)或(5)中的值带入公式(2)中，得到皱褶的高度。
全文摘要
从三维柔性物体图片中获取皱褶三维几何特性的计算方法，包括步骤一、几何模型建立皱褶边界的划分根据皱褶及其附近的阴影来判断皱褶区域内的高度；分析平行光源产生的阴影，找出需要分析的皱褶区域内光亮度最亮的像素，再找出光亮度最暗的像素；步骤二、通过遗传算法与人工干预相结合的方法来完善皱褶的形状，每一次迭代后，参加适应度函数进化的个体将发生改变，这样我们适应度函数的形式不变，但适应度函数进行选择的个体发生变化，每迭代一次就发生一个个体位置的改变，这样个体位置循环变化，直到用户满意为止。本发明优点在于仿真效果有较大的提高；仿真速度快；具有较好的用户交互性；适合于多种皱褶的仿真。
文档编号G06N3/12GK101398941SQ20081020191
公开日2009年4月1日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者李蓓蓓 申请人:上海第二工业大学