基于单幅图像的三维自由形体生成方法
【专利摘要】基于单幅图像的三维自由形体生成方法，包括：用户根据输入的单幅二维图像，在图像平面上以交互手绘方式临摹描绘出图像中物体表示的线画图，这些线条基本能准确反映物体各部分在垂直方向上的轮廓；首先确定物体各子部分构造曲线并计算它们的三维坐标信息，生成的三维对称曲线将根据曲线间的连接关系重新匹配到其对应的物体子部分以保证每个部分中的一般曲线可以由同一部分的对称曲线计算得到；为了生成具有高度真实感的三维自由形体，利用输入图像中物体可见部分的纹理信息，系统为表示自由形体的网格模型对应部分利用纹理坐标确定相应纹理信息，并利用物体的对称信息获取具有完整纹理的三维真实模型。
【专利说明】基于单幅图像的三维自由形体生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利设计针对输入的单幅图像，借助于用户的交互临摹，提供了一种能够 方便快捷地生成具有真实感效果的三维自由形体的方法。
【背景技术】
[0002] 在计算机图形学和计算机辅助设计领域，从单幅二维输入图像重建生成三维物体 过程中，由于三维物体的深度信息难以恢复而成为一个难点，然而借助于用户交互往往能 够降低其难度，从而可以有效地解决该问题。在基于图像的三维模型创建和生成中，希望能 够提供一种较为简便实用的人机交互描绘方式供用户使用，以方便高效地生成三维形体。 针对卡通动画，目前有一种特殊的绘制方法，主要是将所有的物体分解为一些更为简单的 几何形状，每个分解得到的物体子部分都由几条构造曲线生成，该方法被许多卡通艺术家 所接受并在一些三维建模系统中得到了应用。
[0003] 基于交互手绘的三维建模系统被许多研究者相继提出，部分基于手绘建模系统的 形状建模操作往往是在三维空间中完成。系统首先创建一个粗糙模型，然后通过一些特殊 的操作，例如剪切、旋转、合并、变形等为模型逐渐地添加更多细节。然而，这些特殊操作往 往不是很直观，而要求用户必须具备相应的专业知识。相反，从单幅输入图像中直接构造 三维模型则提供了一种适用于一般用户的操作简单、高效快捷生成三维自由形体的方法。 根据单幅输入图像，利用人类特有的感知能力为系统提供三维物体轮廓在二维平面上的投 影，而由系统自动地计算用于生成模型的物体轮廓的深度信息并提取输入图像中物体表面 的纹理并映射到三维模型上，从而生成具有输入图像中物体真实感的三维自由形体模型。 同时，由于大量现实生活中的三维物体都展现出了一定程度的对称性，例如动物、建筑、家 具以及其它有机结构等。在正交或者透视投影下，只要能够确定对称元素之间的匹配关系 就能完全重建出对称形状的三维结构，在我们的三维自由形体生成中充分利用了该对称性 特点。
【发明内容】
[0004] 为了克服三维自由形体设计和生成中操作复杂、交互工作量大、真实感较差的不 足，本发明提供了一种操作简单、高效快捷、真实感强的利用单幅图像生成三维自由形体的 方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 基于单幅图像的三维自由形体生成方法，所述的方法包括以下三个步骤：
[0007] 1)用户根据输入的单幅二维图像，在图像平面上以交互手绘方式临摹描绘出图像 中物体表示的线画图，这些线条基本能准确反映物体各部分在垂直方向上的轮廓。系统自 动捕捉手绘线条上的点，并且插值出相应的二次B样条曲线，用从光滑二次曲线中均匀采 样的顶点形成的多边形折线来对用户输入的手绘线条进行离散化，并依次保存物体每一子 部分的构造曲线对。
[0008] 2)三维形体每个子部分构造曲线深度坐标的计算以及三维模型离散生成。为了计 算构造曲线深度坐标方便起见，系统使用绘制平面作为Χ0Υ平面，包含对称信息的输入线 画图则作为三维物体构造曲线的平行投影，投影方向垂直于绘制平面。系统首先确定物体 各子部分的构造曲线并计算它们的三维坐标信息，物体每一子部分的构造曲线集通常包含 两条对称曲线和两条一般曲线。方法首先遍历所有的对称曲线，对称曲线的三维坐标信息 可根据已知的对称面计算得到，生成的三维对称曲线将根据曲线间的连接关系重新匹配到 其对应的物体子部分以保证每个部分中的一般曲线可以由同一部分的对称曲线计算得到。 物体各部分可以分类到两种不同类型的子部分：关于对称面自对称的单个部分和关于对称 面相互对称的两个部分。这两类子部分在计算一般构造曲线的方法上有所不同。自对称部 分情形中的一般曲线可以由其对称曲线直接计算得到；而互相对称部分情形中，只需要利 用对称曲线计算其中一个子部分的一般曲线，另一部分的一般曲线可以由互对称部分的一 般曲线利用对称性得到。
[0009] 具体地说，将二维手绘平面中手绘线画图上的顶点X坐标和y坐标实际对应于三 维形体上顶点的X坐标和y坐标，需要恢复的仅仅是每个顶点的z坐标。对于每个子部分 里的两条对称曲线，可以利用下式计算它们每个采样点z坐标：
[0010]
【权利要求】
1.基于单幅图像的三维自由形体生成方法，包括以下三个步骤： 1) 用户根据输入的单幅二维图像，在图像平面上以交互手绘方式临摹描绘出图像中物 体表示的线画图，这些线条基本能准确反映物体各部分在垂直方向上的轮廓；系统自动捕 捉手绘线条上的点，并且插值出相应的二次B样条曲线，用从光滑二次曲线中均匀采样的 顶点形成的多边形折线来对用户输入的手绘线条进行离散化，并依次保存物体每一子部分 的构造曲线对； 2) 三维形体每个子部分构造曲线深度坐标的计算以及三维模型离散生成；为了计算 构造曲线深度坐标方便起见，系统使用绘制平面作为XOY平面，包含对称信息的输入线画 图则作为三维物体构造曲线的平行投影，投影方向垂直于绘制平面； 首先确定物体各子部分的构造曲线并计算它们的三维坐标信息，物体每一子部分的构 造曲线集通常包含两条对称曲线和两条一般曲线；首先遍历所有的对称曲线，对称曲线的 三维坐标信息可根据已知的对称面计算得到，生成的三维对称曲线将根据曲线间的连接关 系重新匹配到其对应的物体子部分以保证每个部分中的一般曲线可以由同一部分的对称 曲线计算得到； 物体各部分可以分类到两种不同类型的子部分：关于对称面自对称的单个部分和关于 对称面相互对称的两个部分；这两类子部分在计算一般构造曲线的方法上有所不同；自对 称部分情形中的一般曲线可以由其对称曲线直接计算得到；而互相对称部分情形中，只需 要利用对称曲线计算其中一个子部分的一般曲线，另一部分的一般曲线可以由互对称部分 的一般曲线利用对称性得到； 将二维手绘平面中手绘线画图上的顶点X坐标和y坐标实际对应于三维形体上顶点 的X坐标和y坐标，需要恢复的仅仅是每个顶点的z坐标；对于每个子部分里的两条对称曲 线，可以利用下式计算它们每个采样点z坐标：
其中，zsi和W ^为待求的对称点Z坐标，xsi，x< ^分别为对称点的X， 7坐标，凡0^?3)为对称面法向量，乂(，/，28)为位于对称面内的一个向量；同时，对于 每个子部分可以利用下式计算出各自一对一般曲线上采样点的Z坐标点：
其中，zgi和y gi为待求的非对称一般点Z坐标，xgi，X' gi和ygi，f gi分别为非对称 一般点的x，y坐标；另外，对于物体中一个子部分与另一子部分关于对称面相互对称的情 形，方法可以由其中一个子部分的非对称一般曲线利用对称性自动计算得到另一子部分的 非对称一般曲线如下：
其中，Xs，ys和zs分别为对称面法向量坐标，Xgi，y gi和Zgi分别为一般曲线上非对称点 的X，y和z坐标； 从而，关于对称面自身对称的物体子部分情形，根据用户指定的对称面，先利用（1)式 计算出两条对称曲线上采样点的三维坐标，得到相应的三维构造曲线；再利用（2)式计算 出两条非对称一般曲线上采样点的三维坐标，得到相应的三维构造曲线；对于物体中一个 子部分与另一子部分关于对称面相互对称的情形，对分别属于两个子部分的两对对称曲 线，首先利用（1)式分别计算出每对对称曲线上采样点的三维坐标，得到相应的三维构造 曲线；然后利用（2)式计算出其中一个子部分的两条非对称一般曲线上采样点的三维坐 标，得到相应的三维构造曲线；最后利用（3)式由前一子部分的两条非对称一般曲线计算 出另一子部分的两条非对称一般曲线上采样点的三维坐标，得到相应的三维构造曲线； 当每个部分都确定了各自的构造曲线之后，利用旋转混合方法就可以生成相应的参数 曲面，并对参数曲面离散化得到表示自由形体的三维网格模型； 3)为了生成具有高度真实感的三维自由形体，利用输入图像中物体可见部分的纹理信 息，需要在生成的三维网格模型表面赋予输入图像中物体的颜色纹理信息；然而，根据单幅 输入图像重建生成的三维模型只能获取图像中物体可见部分的颜色纹理，考虑到我们生成 的三维自由形体的对称性特性，可以假设模型对称面两侧对称的部分具有相同的纹理，从 而只需对物体对称面一侧的模型部分赋予纹理信息，而模型另一侧的纹理信息则可以利用 对称性方便得到；最终生成具有高度真实感的三维自由形体。
【文档编号】G06T17/00GK104143211SQ201410277462
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】缪永伟, 胡非夏, 冯小红, 张旭东, 范菁 申请人:浙江工业大学