基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法及装置与流程
本发明涉及计算机视觉、计算机图形学技术领域，特别涉及一种基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法及装置。
背景技术：
相关技术，陶瓷原型模型生成是陶瓷设计领域的重要问题，现有的陶瓷原型生成方法多以几何特征的交互操作为输入，对于不熟悉几何特征交互建模的陶瓷设计师，很难快速的生成陶瓷原型模型。同时，这类生成过程在与用户交流的过程中存在明显的短板，客户对于陶瓷产品的需求大多数时候可以通过草绘进行描述，因此构建基于草绘的陶瓷原型生成方法将形成面向大众的简单原型方案，便于设计师了解客户意图，为陶瓷产品的创新设计提供支持。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法，该方法提升了陶瓷原型构造的效率，简单易实现。
本发明的另一个目的在于提出一种基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法，包括以下步骤：获取多个正交视图的陶瓷原型草绘，并对所述多个正交视图的陶瓷原型草绘进行有序的逐段采样，并获取逐段采样结果；对所述逐段采样结果构造能量函数，并通过最小化方法求解获得造型曲线；对所述造型曲线进行三维网格填充，并且输出结果。
本发明实施例的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法，利用陶瓷原型设计的特点，将输入草绘的视图固定为正视图、侧视图与顶视图，并对于输入的各视图草绘进行逐段的有序采样，对于获得的采样序列构造能量函数，通过对能量函数的最小化构造陶瓷原型的造型曲线，并对生成的造型曲线进行三维网格填充的方式，其结果作为输出，从而利用陶瓷原型设计的特点，以多个视图的草绘为输入，通过关联采样与能量函数最小化构造三维网格模型，提升了陶瓷原型构造的效率，简单易实现。
另外，根据本发明上述实施例的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述陶瓷原型草绘的正交视图包括正视图、侧视图和顶视图中的一种或多种。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对所述多个正交视图的陶瓷原型草绘进行有序的逐段采样，进一步包括：从所述正视图的草绘任意选取一点作为采样点，将选取的点与当前视图的近邻点构成一条轨迹；将所述轨迹坐标映射到其他视图中，并在映射范围内查找相应的草绘点及其近邻点；获取所述正视图中当前轨迹在视图中的方向，将所述当前轨迹及其对应的各视图轨迹加入采样序列；将所述正视图中当前轨迹方向近邻的点作为新的采样点，重复获取所述当前轨迹及其对应的各视图轨迹，直到所述当前视图中所有草绘都加入所述采样序列。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对所述逐段采样结果构造能量函数，进一步包括：由对陶瓷原型造型曲线光顺度的控制生成第一能量函数；由对陶瓷原型特征曲线与采样序列间误差的控制生成第二能量函数；根据所述第一能量函数和所述第二能量函数生成所述能量函数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，所述第一能量函数为：
eint＝∫λ1||c′(t)||2+λ2||c″(t)||2dt，
其中，λ1与λ2是光顺度控制参数，λ1与λ2和为1；
其中，c正(ti)与c侧(ti)是曲线在正视图与侧视图的投影，ti与tj分别对应位于投影上与采样点距离最近点的曲线参数。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成装置，包括：获取模块，用于获取多个正交视图的陶瓷原型草绘，并对所述多个正交视图的陶瓷原型草绘进行有序的逐段采样，并获取逐段采样结果；构造模块，用于对所述逐段采样结果构造能量函数，并通过最小化方法求解获得造型曲线；填充模块，用于对所述造型曲线进行三维网格填充，并且输出结果，简单易实现。
本发明实施例的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成装置，利用陶瓷原型设计的特点，将输入草绘的视图固定为正视图、侧视图与顶视图，并对于输入的各视图草绘进行逐段的有序采样，对于获得的采样序列构造能量函数，通过对能量函数的最小化构造陶瓷原型的造型曲线，并对生成的造型曲线进行三维网格填充的方式，其结果作为输出，从而利用陶瓷原型设计的特点，以多个视图的草绘为输入，通过关联采样与能量函数最小化构造三维网格模型，提升了陶瓷原型构造的效率。
另外，根据本发明上述实施例的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述陶瓷原型草绘的正交视图包括正视图、侧视图和顶视图中的一种或多种。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述获取模块进一步用于从所述正视图的草绘任意选取一点作为采样点，将选取的点与当前视图的近邻点构成一条轨迹，将所述轨迹坐标映射到其他视图中，并在映射范围内查找相应的草绘点及其近邻点，获取所述正视图中当前轨迹在视图中的方向，将所述当前轨迹及其对应的各视图轨迹加入采样序列，并将所述正视图中当前轨迹方向近邻的点作为新的采样点，重复获取所述当前轨迹及其对应的各视图轨迹，直到所述当前视图中所有草绘都加入所述采样序列。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述构造模块进一步用于由对陶瓷原型造型曲线光顺度的控制生成第一能量函数，由对陶瓷原型特征曲线与采样序列间误差的控制生成第二能量函数，并根据所述第一能量函数和所述第二能量函数生成所述能量函数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，所述第一能量函数为：
eint＝∫λ1||c′(t)||2+λ2||c″(t)||2dt，
其中，λ1与λ2是光顺度控制参数，λ1与λ2和为1；
其中，c正(ti)与c侧(ti)是曲线在正视图与侧视图的投影，ti与tj分别对应位于投影上与采样点距离最近点的曲线参数。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法的流程图；
图2为根据本发明一个具体实施例的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法的流程图；
图3为根据本发明一个实施例的输入的陶瓷原型草绘正视图；
图4为根据本发明一个实施例的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法。
图1是本发明一个实施例的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法的流程图。
如图1所示，该基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法包括以下步骤：
在步骤s101中，获取多个正交视图的陶瓷原型草绘，并对多个正交视图的陶瓷原型草绘进行有序的逐段采样，并获取逐段采样结果。
在本发明的一个实施例中，陶瓷原型草绘的正交视图包括正视图、侧视图和顶视图中的一种或多种。
可以理解的是，如图2所示，对输入的2或3个正交视图的陶瓷原型草绘进行有序的逐段采样，输入陶瓷原型草绘的正交视图分别为正视图、侧视图、顶视图，其中顶视图可不输入。其中，输入的陶瓷原型草绘正视图如图3所示。
进一步地，在本发明的一个实施例中，对多个正交视图的陶瓷原型草绘进行有序的逐段采样，进一步包括：从正视图的草绘任意选取一点作为采样点，将选取的点与当前视图的近邻点构成一条轨迹；将轨迹坐标映射到其他视图中，并在映射范围内查找相应的草绘点及其近邻点；获取正视图中当前轨迹在视图中的方向，将当前轨迹及其对应的各视图轨迹加入采样序列；将正视图中当前轨迹方向近邻的点作为新的采样点，重复获取当前轨迹及其对应的各视图轨迹，直到当前视图中所有草绘都加入采样序列。
具体而言，采样的具体步骤如下：
(1)从正视图的草绘任意选取一点作为采样点qi，将该点与当前视图的近邻点构成一条轨迹，该点与邻近点的距离记为r，两点构成的线段与水平方向的夹角记为θ。
(2)将该轨迹坐标映射到其他视图中，在其他视图中的未知坐标通过查找方式获得，查找的映射范围为
(3)计算正视图中当前轨迹在视图中的方向vi，如果该轨迹的近邻点不唯一，则该轨迹方向通过对采样序列中新加入的5至10个采样轨迹进行主成分分析方法获得，将该轨迹及其对应的各视图轨迹加入采样序列。其他的近邻点作为新的采样起始点，在当前轨迹处理完成后依次进行处理。
(4)正视图中当前轨迹方向近邻的点作为新的采样点，重复步骤1至4直到当前视图中所有草绘都加入了采样序列。
在步骤s102中，对逐段采样结果构造能量函数，并通过最小化方法求解获得造型曲线。
可以理解的是，本发明实施例对有序的逐段采样结果构造能量函数，该能量函数以初始化曲线与采样序列的差异构成。其中，初始曲线可表示为：
其中，p是样条曲线的阶数，在该曲线的基础上构造能量函数特征。下面将对能量函数特征进行进一步阐述。
进一步地，在本发明的一个实施例中，对逐段采样结果构造能量函数，进一步包括：由对陶瓷原型造型曲线光顺度的控制生成第一能量函数；由对陶瓷原型特征曲线与采样序列间误差的控制生成第二能量函数；根据第一能量函数和第二能量函数生成能量函数。
可以理解的是，第一能量函数包括对陶瓷原型造型曲线光顺度的控制，第二能量函数包括对陶瓷原型特征曲线与采样序列间误差的控制，将第一和第二能量函数通过加权组合作为本发明实施例使用的能量函数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，第一能量函数为：
eint＝∫λ1||c′(t)||2+λ2||c″(t)||2dt，
其中，λ1与λ2是光顺度控制参数，λ1与λ2和为1；
其中，c正(ti)与c侧(ti)是曲线在正视图与侧视图的投影，ti与tj分别对应位于投影上与采样点距离最近点的曲线参数。
具体而言，(1)第一能量函数包括对陶瓷原型造型曲线光顺度的控制，具体函数如下：
eint＝∫λ1||c′(t)||2+λ2||c″(t)||2dt，
其中，λ1与λ2是光顺度控制参数，其和为1，本发明实施例以λ1＝0.6与λ2＝0.4为例。
(2)第二能量函数包括对陶瓷原型特征曲线与采样序列间误差的控制，具体函数如下：
其中c正(ti)与c侧(ti)是曲线在正视图与侧视图的投影，ti与tj分别对应位于投影上与采样点距离最近点的曲线参数。
(3)由(1)和(2)两个函数通过加权组合，etotal＝αeint+βeext作为本发明使用的能量函数，其中α与β是加权制参数，其和为1，本发明实施例以α＝0.3与β＝0.7为例。
在步骤s103中，对造型曲线进行三维网格填充，并且输出结果。
可以理解的是，本发明实施例对造型曲线进行三维网格填充，根据获得的造型曲线序列ci，将曲线向内偏移距离t构造特征曲线，t为陶瓷原型厚度，将曲线首尾对应顶点连接，并计算其形成的区域，通过对区域进行三维网格剖分方法形成网格，作为输出的陶瓷原型三维网格模型。
综上，本发明实施例利用陶瓷原型的器型特点，将陶瓷原型的设计拆分为多个预设视图的草绘表示，并利用草绘点及其近邻点的状态关系构造关联，通过最小化求解的形式构造表示器型特征的造型曲线，输入内容及交互过程简洁，以用户最熟悉的草绘作为输入，对于陶瓷原型的需求直观，且生成的三维网格模型直观可视化，包括客户给出的器型特征描述，客户能够直观的根据生成结果与设计师交流。同时，本发明实施例的方法易于学习，输入内容简单、自然，几乎没有使用门槛，设计师不需要懂得太多专业几何建模知识，只需合理清晰地进行表述，就可以生成陶瓷原型模型。
根据本发明实施例提出的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法，利用陶瓷原型设计的特点，将输入草绘的视图固定为正视图、侧视图与顶视图，并对于输入的各视图草绘进行逐段的有序采样，对于获得的采样序列构造能量函数，通过对能量函数的最小化构造陶瓷原型的造型曲线，并对生成的造型曲线进行三维网格填充的方式，其结果作为输出，从而利用陶瓷原型设计的特点，以多个视图的草绘为输入，通过关联采样与能量函数最小化构造三维网格模型，提升了陶瓷原型构造的效率，简单易实现。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成装置。
图4是本发明一个实施例的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成装置的结构示意图。
如图4所示，该基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成装置10包括：获取模块100、构造模块200和填充模块300。
其中，获取模块100用于获取多个正交视图的陶瓷原型草绘，并对多个正交视图的陶瓷原型草绘进行有序的逐段采样，并获取逐段采样结果。构造模块200用于对逐段采样结果构造能量函数，并通过最小化方法求解获得造型曲线。填充模块300用于对造型曲线进行三维网格填充，并且输出结果，简单易实现。本发明实施例的装置10利用陶瓷原型设计的特点，以多个视图的草绘为输入，通过关联采样与能量函数最小化构造三维网格模型，提升了陶瓷原型构造的效率，简单易实现。
进一步地，在本发明的一个实施例中，陶瓷原型草绘的正交视图包括正视图、侧视图和顶视图中的一种或多种。
进一步地，在本发明的一个实施例中，获取模块100进一步用于从正视图的草绘任意选取一点作为采样点，将选取的点与当前视图的近邻点构成一条轨迹，将轨迹坐标映射到其他视图中，并在映射范围内查找相应的草绘点及其近邻点，获取正视图中当前轨迹在视图中的方向，将当前轨迹及其对应的各视图轨迹加入采样序列，并将正视图中当前轨迹方向近邻的点作为新的采样点，重复获取当前轨迹及其对应的各视图轨迹，直到当前视图中所有草绘都加入采样序列。
进一步地，在本发明的一个实施例中，构造模块200进一步用于由对陶瓷原型造型曲线光顺度的控制生成第一能量函数，由对陶瓷原型特征曲线与采样序列间误差的控制生成第二能量函数，并根据第一能量函数和第二能量函数生成能量函数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，第一能量函数为：
eint＝∫λ1||c′(t)||2+λ2||c″(t)||2dt，
其中，λ1与λ2是光顺度控制参数，λ1与λ2和为1；
其中，c正(ti)与c侧(ti)是曲线在正视图与侧视图的投影，ti与tj分别对应位于投影上与采样点距离最近点的曲线参数。
需要说明的是，前述对基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于多视图草绘的陶瓷原型三维网格模型生成装置，利用陶瓷原型设计的特点，将输入草绘的视图固定为正视图、侧视图与顶视图，并对于输入的各视图草绘进行逐段的有序采样，对于获得的采样序列构造能量函数，通过对能量函数的最小化构造陶瓷原型的造型曲线，并对生成的造型曲线进行三维网格填充的方式，其结果作为输出，从而利用陶瓷原型设计的特点，以多个视图的草绘为输入，通过关联采样与能量函数最小化构造三维网格模型，提升了陶瓷原型构造的效率，简单易实现。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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