基于图像的三维模型构成方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于图像的三维模型构成方法，该方法包括：基于图像的三维模型的表示方法：在包围物体的外球面上均匀选择合适数量的顶点，以每个顶点位置为相机的坐标，以球心位置为相机的目标点，获得三维物体在每个相机视角下的彩色图像与深度图像，通过彩色图像与深度图像，以及与之关联的相机参数来表示三维模型；基于图像的三维模型的获取方法：根据实际应用的需求确定三维模型的细节层级(LOD,level?of?details)，根据LOD对包围三维物体的球面进行三角划分，采用三角逼近的方法构造一个以三角形为基本形的球内接多面体，以多面体的每个顶点为相机位置，以球心为相机目标点位置，获得物体在此采样点下的深度图像与彩色图像，由深度图像、彩色图像和相机参数一起构成该物体的三维模型。
【专利说明】基于图像的三维模型构成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维模型的建模的【技术领域】，具体涉及一种基于图像的三维模型构成方法，主要用于复杂物体三维模型的获取与表示。
【背景技术】
[0002]三维模型表示是图形学中的基础性工作，模型的表示方法决定了模型的绘制和处理方法。在图形学中已经开发出多种三维模型表示的方法，针对具体问题而言，这些方法各有优劣。大致可以将这些表示方法分为三类:几何表示、点云表示和混合表示。几何表示即用基本的几何体来表示物体的表面或是物体实体，点云表示即通过对物体表面进行采样得到表示物体表面的点云数据来表示物体，混合表示将这两种方法相结合，在一个模型中既有几何表示的部分，也有点云表示的部分。
[0003]几何表示:
[0004]几何表示是模型表示中最常用的一种方式。包含有多边形、样条、实体几何、过程建模和隐函数曲面等多种方式。现就这些方式的特点描述如下:
[0005]多边形表示即使用一组包围对象内部的表面多边形表示物体，多边形表示能简化并加速对象的表面绘制和显示。样条曲线指由多项式曲线段连接而成的曲线，在每段的边界处满足特定的连续性条件，样条曲线是可控的曲线，在设计中运用点、线段的空间位置不同而得到不同的效果，样条曲面(spline surface)可以使用两组正交样条曲线进行描述。实体建模是使用集合操作来组合两个三维对象，通过两个指定对象间的并、交或差等操作生成一个新对象，在构造实体时，选择两个或多个基本图元，然后制定一个操作(并、交或差)就可创建一个新对象。对于不规则或粗糙的自然景物，通常使用分形几何方法(fractal-geometry method)来描述,这种方式属于过程建模,通过对一个空间区域内各点重复使用指定的变换函数，可以生成一个分形对象。
[0006]点云表不:
[0007]随着三维扫描设备成本的不断降低，对三维物体直接建模也越来越常见。这种建模利用三维扫描仪扫描得到物体表面的数据(如形状和表面颜色等)，用这种数据表示物体，在图形学中称为物体的点云表示。点云绘制概念简单，处理方便，但对图形硬件的像素填充率要求较高，同时需要解决绘制时的空洞和走样等，而且离真实感绘制还有一定距离。在地理信息系统(geographic information system,GIS)中点云是地表数字进化模型的来源之一，点云也被用来产生城市环境的三维模型。
[0008]混合表不:
[0009]混合表不是将基于几何表不和点云表不相结合的一种综合表不方法。这种方法吸取了两者的优点，通常的做法有两种:一是用点云表示模型外部构造，而用几何表示作为模型的内部构造。二是根据视点与模型的距离来选择使用的模型:当视点距离模型较远时选择点云模型以加速模型绘制，当视点与模型距离近时选择几何模型来表达模型的细节。通常以点云构造的模型作为输入数据，在计算机内部转换为几何表示的内部数据(或几何数据库)，同时也保留了点云构造模型的数据。这样，二者的信息互补，并确保几何模型信息的完整性和精确性。
[0010]现有的三维模型的建模方法存在如下缺点:在几何表示中，多边形表示是最常见的方法，这种方法需要专业人员在三维建模软件中进行建模，建模方法时间长，随着建模对象复杂度增加建模会变得越来越困难，后期的真实感渲染将会消耗大量时间。样条适合用于设计曲线和曲面的形状，以及图形数字化和指定场景中对象的动画路径或照相机位置，这种方法也仅适合于简单物体的建模。分形方法适合描述树、海岸线等自然景物，但要求形状变化符合一定规律，并对分形的数学过程要有透彻的了解。点云表示可以对复杂模型进行精确的描述，但预处理过程复杂，点云绘制对图形硬件的像素填充率要求较高，绘制效果的逼真性不够好，点云模型表示三维对象常常需要利用原始采样点插值逼近原模型细节，而且对于物体中大的平面表示效率较低。混合方法综合了几何表示和点云表示的优点，能够根据实际情况自动选择模型的表示方式，但是这种方法需要对模型进行预处理，这种处理增加了时间消耗。
【发明内容】
[0011]针对现有技术的缺点，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于图像的三维模型构成方法，其包含以下步骤:
[0012](I)基于图像的三维模型的表示方法:
[0013]具体在包围物体的外球面上均匀选择合适数量的顶点，以每个顶点位置为相机的坐标，以球心位置为相机的目标点，获得三维物体在每个相机视角下的彩色图像与深度图像，通过彩色图像与深度图像，以及与之关联的相机参数来表示三维模型；三维模型M用一个二元组< K, V >表示,其中K是一单纯复形,表示了采样点的连接关系；v表示采样点的集合，V = (Vi I i = I, 2, 3...1 Vl I}, IV表示采样点的个数；Vi = (Ci, di, Pi)表示第i个采样点，Ci和Cli分别表示第i个采样点彩色图像和深度图像，Pi表示了第i个采样点相机参数；
[0014](2)基于图像的三维模型获取方法:
[0015]根据权利要求1，对包围三维物体的球面，采用三角逼近的方法构造一个以三角形为基本形的球内接多面体，以多面体的每个顶点位置为相机坐标位置，以球心为相机的目标点位置，获得三维物体在每个相机视角下的彩色图像与深度图像，由深度图像、彩色图像，以及与之关联的相机参数一起构成该物体的三维模型。
[0016]其中，基于图像的三维模型的表示方法中，采样点图像中的每一个像素根据深度值和相机参数能够映射到三维空间中的一个点，图像信息和相机参数信息相结合实质上等价于物体表面顶点集合的位置信息，不同采样点的图像与相机参数一起描述了物体的三维特征。
[0017]其中，引入LOD(Level of Details)的概念，根据实际应用对于模型细节的要求，确定球面三角逼近的层级，从而获取具有不同层次细节和采样点数量的模型。
[0018]与传统方法相比，此发明所提出的基于图像的复杂三维模型构成方法的优点如下:
[0019]1.在建模的过程中引入了 LOD概念，能够根据应用需求确定模型的细节等级，减少不必要的建模开销。
[0020]2.有两种获取模型的方式，既可以采用实际相机拍摄的方法直接获取模型，又可以通过软件渲染的方式将已有的模型转化为本发明所提出的模型表示形式。
[0021]3.本发明提出了一种稳定的三维模型建模方法，建模的复杂程度与被建模物体的几何外观无关，尤其适合于复杂物体的建模。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明所采用的流程图；
[0023]图2为本发明中三维模型数据的组织结构；
[0024]图3为不同LOD分级采样点的数量与位置；
[0025]图4为物理坐标到像素坐标的映射过程与其逆过程；
[0026]图5为使用实际相机采集到的彩色图像(图中是该彩色图像的灰度图示意图)示意图。
[0027]图6为使用实际相机采集到的深度图像；
[0028]图7为待求视角与最近的三个采样点的位置关系；
[0029]图8为使用三维软件中的虚拟相机采集到的彩色图像(图中是该彩色图像的灰度图不意图)和深度图像不意图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
[0031]一种基于图像的复杂三维模型的构成方法，将物体三维模型由三维空间映射到由相机视角参数和相机视角下的深度图、彩色图组成的高维空间，用高维空间中的若干个采样点的组合来表示物体。首先，根据实际应用对于模型细节的要求进行LOD分级，根据LOD确定用于物体建模的采样点数量；其次，每个采样点对应一个相机视角及通过该视角获取的物体的深度图像和彩色图像，相机视角由相机位置、相机目标位置、相机焦距等相机参数组成；再者，根据每个采样点相机视角的参数和深度信息，可将每个彩色图像中的像素映射到三维空间中，在给定相机位置、目标位置和参数的情况下，通过将采样点图像中的像素从三维空间映射到这个相机视角下的方法，即可得到在这个相机视角下的图像，这样实现了由相机视角参数和彩色图像、深度图像表示物体的三维模型的目的。具体实施如下:
[0032]1.基于图像的三维模型获取方法
[0033]1.1进行LOD分级
[0034]不同的实际应用对于模型的细节有着不同的要求。在本发明中引入了 LOD的概念。根据采样点的个数分为5个层级，从Levell (层级I)到Level5(层级5)分别有12、42、92,162,252个采样点，考虑到物体几何外观的复杂性，采样点越多，物体的细节被采集到的可能性越大，最终的模型精细程度越高，但是建模的空间复杂度与时间复杂度越大。Levell到Leve15采样点的分布如图2所示。
[0035]I.2确定采样点坐标
[0036]在采样点数量一定的情况下，为了保证尽可能的不遗漏细节信息，本发明将采样点均匀的分布在包围物体的球体的表面上，在采样点上架设相机并获得深度图像与彩色图像。设球面上有η个均匀分布的釆样点V，球心坐标为坐标系原点，第i个釆样点Vi的球面坐标为Pci = (r，θ-- Φ》，则有以下关系:
[0037]
【权利要求】
1.一种基于图像的三维模型构成方法，其特征是包含以下步骤: (1)基于图像的三维模型的表示方法: 在包围物体的外球面上均匀选择合适数量的顶点，以每个顶点位置为相机的坐标，以球心位置为相机的目标点，获得三维物体在每个相机视角下的彩色图像与深度图像，通过彩色图像与深度图像，以及与之关联的相机参数来表示三维模型；三维模型M用一个二元组< K, V >表示,其中K是一单纯复形,表示了采样点的连接关系；V表示采样点的集合，V=(Vi I i = I, 2...1 Vl I}, IV表示采样点的个数；Vi = (Ci, di, Pi)表示第i个采样点，Ci和Cli分别表示第i个采样点彩色图像和深度图像，Pi表示了第i个采样点相机参数； (2)基于图像的三维模型获取方法: 对包围三维物体的球面，采用三角逼近的方法构造一个以三角形为基本形的球内接多面体，以多面体的每个顶点位置为相机坐标位置，以球心为相机的目标点位置，获得三维物体在每个相机视角下的彩色图像与深度图像，由深度图像、彩色图像，以及与之关联的相机参数一起构成该物体的三维模型。
2.根据权利要求1所述的基于图像的三维模型构成方法，其特征是:所述的基于图像的三维模型的表示方法中，采样点图像中的每一个像素根据深度值和相机参数能够映射到三维空间中的一个点，图像信息和相机参数信息相结合实质上等价于物体表面顶点集合的位置信息，不同采样点的图像与相机参数一起描述了物体的三维特征。
3.根据权利要求1所述的基于图像的三维模型构成方法，其特征是:所述的基于图像的三维模型的获取方法中，引入LOD(Level of Details)的概念，根据实际应用对于模型细节的要求，确定球面三角逼近的层级，从而获取具有不同层次细节和采样点数量的模型。
【文档编号】G06T17/00GK103500467SQ201310497267
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】向开兵, 郝爱民, 吴伟和, 李帅, 王德志 申请人:深圳市易尚展示股份有限公司, 北京航空航天大学