一种三维模型的二维存储方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种计算机图像处理技术领域，尤其涉及三维模型存储和传播的方 法。
【背景技术】
[0002] 随着机器视觉技术和计算机软硬件的发展，工业制造行业、电影动画行业、视频游 戏行业、科学研究、医学行业、地理信息等各个领域都大量应用到三维模型。在不同的领域 都有拥有大量模型处理软件和模型文件，但是模型之间存储的原理都较为相似。由于模型 数据是建立在三维空间中的，很难在平面图形中较为直观精确地存储下来。而如今在雕刻 行业使用的灰度图则只能保存一个平面的深度信息，无法将一个真正意义上的三维模型存 储在平面上。
[0003] 随着计算图形图像技术的广泛应用，不仅仅是专业领域里，包括日常生活娱乐出 现了大量应用。虚拟现实（Virtual Reality，VR)，增强现实(Augmented Reality，AR)，混合 现实(Mix Reality,MR)，影像现实(Cinematic Reality,CR)几项技术在近些年里突飞猛 进，一次又一次刷新了大众的观念。不过由于这些设备价格高昂，体验效果也有待进一步开 放，所以应用仍受钳制，但没有人可以否认这些技术的市场空间、应用前景相当可观。这些 技术都是建立在三维世界里，大量运用到三维模型。但对现实中的实物很难在没有取得模 型的情况下进行实时建模。
[0004] 互联网平台的发展，各种现实商品在网上平台交易和展示。但是介于互联网平台 的高效性，用户只能看到平面图像，如果需要获得目标的模型是几乎不可能的。
[0005] 以上技术的发展都需要三维模型的支持，在现有的三维模型存储技术下，都取得 了不错的发展，但仍存在不足之处，具体表现为：
[0006] 1.无法在脱离网络或者网络使用不方便的情况下，迅速地获取三维模型，无法实 现使用相机拍摄即可获得3D模型的功能；
[0007] 2.现有的模型文件无法在用软件打开之前直接获取模型信息；
[0008] 3.现有灰度图只能存储浮雕模型，无法存储真正的三维模型；
[0009] 4.点云模型数据量很大，占用存储空间很大。
【发明内容】
[0010] 本发明针对现有技术的不足，提出一种三维模型的二维存储方法。
[0011] 本发明提供的一种三维模型的二维存储方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤一:获取点云数据；
[0013] 步骤二:对点云数据进行预处理;所述预处理包括滤波去噪、采样、三维插值、拼接 和分割操作；
[0014] 步骤三:将预处理后的点云数据投影至圆柱坐标系的圆柱面或正交坐标系平面；
[0015] 步骤四：将垂直于投影平面的坐标轴的坐标值作为该投影面形成的深度图的灰度 值；
[0016] 步骤五:将各投影面所得的深度图按照顺序拼接至一张图像中，完成三维模型存 储为二维图像的过程；
[0017] 步骤六:对所得二维图像按照顺序进行分割；
[0018] 步骤七:将分割得到的深度图转化为三维坐标；
[0019] 步骤八:将得到的三维坐标分别进行空间变换，对完成空间变换的点云坐标进行 拼接；
[0020] 步骤九:对拼接所得的点云数据进行滤波去噪、采样、修复、拼接处理；
[0021] 步骤十:对拼接完成的坐标进行封装，生成网格模型，完成深度图的重新读取。
[0022] 进一步地，所述步骤一中所述的获取点云数据，可通过3D扫描仪获取点云数据和 直接将现有模型文件转换为点云数据。
[0023]进一步地，所述步骤三中所述的投影到圆柱坐标系平面具体为：以经过模型几何 中心的轴线为z轴，以几何中心为原点构建圆柱坐标系，得到坐标系内任一点的圆柱坐标是 (ρ，φ，Z)，在所得的模型外构建一个以z轴为轴线的最小圆柱体使之包围模型，该圆柱 体 Pmax=P〇, |Zmax| =ZQ，然后，以其侧面及两底面构成三个投影面;其中侧面投影面上的像素 点Pi，（Pi.，_Z]_ )的灰度值为:该点与Z轴上z = z 1的点的连线与模型最外侧相交，取该交 点的p坐标值;其两底面上某像素点（ρ2，φ2，Z 2)的灰度值为:过该点作与Z轴平行线与 模型外表面相交，上表面取Z坐标最小的点作为投影点，下表面取z坐标最大的点作为投影 点；由此形成三个投影面，其中侧面形成的投影面是一个曲面，然后将侧面展开为平面，形 成的平面的任一点的X坐标为X = pg X φ，τ坐标为y = z;以上即将模型投影至圆柱表面的 形成三个投影平面的过程。
[0024]进一步地，所述步骤三中所述的投影正交坐标系的圆柱面具体为：将点云坐标原 点移动到点云几何中心，然后将其投影到以三维正交坐标系的原点为中心的正方体的六个 面上。
[0025] 进一步地，所述步骤四具体为:将平行于投影面的坐标缩放为目标深度图的行列 坐标，将垂直投影面的坐标值归一化，由目标图像的位深度得到缩放系数，再利用缩放系数 将垂直投影面的坐标转化为对应像素点的灰度值，投影过程中由于点云数据不连续性，投 影所得的深度图可能缺少顶点数据，就需要对空缺的位置进行三维插值补充后再进行投 影。
[0026] 进一步地，所述步骤五中所述的二维图像，可以使使用者在不进行计算机重新读 取的情况下，直观获取该图像中保存的三维模型的信息特征，并且该图像可保存至平面介 质。
[0027]进一步地，在步骤七中所述的深度图转化为三维坐标具体为:根据步骤三中所述 的投影方式将深度图转化为由图像行列坐标值和灰度值作为三维空间坐标系中的坐标值 的点云数据。
[0028] 进一步地，所述步骤八中所述的空间变换是指根据步骤五中的拼接顺序对应的空 间关系，将深度图分割产生的各个子图像的点云数据转换到同一坐标系。
[0029] 进一步地，所述步骤九中所述修复具体为：由于点云数据构成的模型存在数据破 损的现象，需通过填充孔洞来补齐，进行修复。
[0030] 进一步地，所述步骤十中所述的封装指将点云转为网格，利用多边形对原实体模 型进行逼近的方法。
[0031] 本发明的有益效果是，本发明提出的一种三维模型的二维存储方法，解决了数字 化三维模型无法在平面介质中存储的问题。将传统的模型数据或者经过扫描的实体转化点 云数据，再利用坐标系投影的方法转换到平面图像上。该图像在打开前就可以较为直观的 获取存储的模型的信息，其载体就为普通图像，非常适合进行文件传输，也可以通过二维扫 描的方式获取，在互联网使用不便的情况下进行模型交换，实现三维模型在平面上的存储。 并且将模型以图像的方式存储，减小文件的数据量。本发明生成的文件可以应用于数控机 床或3D打印机进行加工，也可以将本发明根据模型生成的图像附着在物体表面或浏览器页 面上，通过处理重新获得原模型。
【附图说明】：
[0032]图1为所述方法的流程框图。
[0033] 图2为点云文件事例，图中为Head Models。
[0034] 图3为投影方法的示意图和投影后生成的子图拼接顺序。
[0035] 图4为使用计算机生成的本方法所描述的深度图。
[0036]图5为生成的深度图中分割得到的一个子图所生成的点云数据。
[0037]图6为将六个子图生成点云数据，做空间变换后，重新拼接而成的点云。
[0038]图7为点云数据重新封装成的网格模型。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图进一步说明本发明。
[0040] 如图1所示，本发明提出的一种三维模型的二维存储方法，包括以下步骤：
[0041] 步骤一：获取点云数据，可通过3D扫描仪获取点云数据和直接将现有模型文件转 换为点云数据，本示例采取模型文件获得的点云数据，如图2所示，以人体头颅模型为例，其 点云文件数据由36840个空间正交坐标系X，Y，Z顶点坐标组成；
[0042]步骤二：对点云数据进行预处理，包括滤波去噪、采样、三维插值、拼接和分割操 作，本示例的点云数据由于是由模型文件获取，可跳过滤波去噪、采样、拼接和分割步骤，本 示例进行了三维插值操作，三维插值的方法是使用多边形细分的方法，先将点云数据进行 网格化，在对网格的边长和设定值进行比较，若小于则比较下一个网格，否则继续迭代，以 获得更密集，更加规则的点云；
[0043]步