专利名称：光照环境模拟系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种计算机辅助设计系统及方法，尤其是一种应用于三维量测领域中 的光照环境模拟系统及方法。
背景技术：
在三维量测系统中，如果不对待测物体进行光照处理，待测物体无法显示立体效 果，只能显示平面效果(如图11所示)，导致无法识别物体的细节特征。而现有的辅助光照 系统不能体现光源随距离衰减的特性，从而导致待测物体显示的立体效果不够真实。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种光照环境模拟系统，可以模拟待测物体的光照效 果，更真实地渲染待测物体的立体效果。此外，还有必要提供一种光照环境模拟方法，可以模拟待测物体的光照效果，更真 实地渲染待测物体的立体效果。一种光照环境模拟系统，应用于电子装置。该系统包括三角网格化模块、光照环境 配置模块、计算模块及显示模块。三角网格化模块用于从与电子装置相连接的存储设备读 取三维物体，并对三维物体进行三角网格化处理。光照环境配置模块用于为所述三角网格 化处理后的三维物体配置光照环境，包括确定光照范围、光源位置、光照方向及光源强度参 数。计算模块用于根据三维物体的初始颜色、沿光照方向的光照射线与三维物体上各三角 形的面法向量的夹角及各三角形与光源位置的距离确定各三角形的实际显示颜色。显示模 块用于根据三维物体上各三角形的坐标及实际显示颜色将三维物体投影到与电子装置相 连接的显示设备输出。一种光照环境模拟方法，应用于电子装置。该方法包括(A)三角网格化步骤从 与电子装置相连接的存储设备读取三维物体，并对三维物体进行三角网格化处理；(B)光 照环境配置步骤为所述三角网格化处理后的三维物体配置光照环境，包括确定光照范围、 光源位置、光照方向及光源强度参数；(C)三角形显示颜色计算步骤根据三维物体的初始 颜色、沿光照方向的光照射线与三维物体上各三角形的面法向量的夹角及各三角形与光源 位置的距离确定各三角形的实际显示颜色；及(D)显示步骤根据三维物体上各三角形的 坐标及实际显示颜色将三维物体投影到与电子装置相连接的显示设备输出。相较于现有技术，本发明提供的光照环境模拟系统及方法可以模拟待测物体的光 照效果，更真实地渲染待测物体的立体效果。
图1是本发明光照环境模拟系统较佳实施例的功能模块图。图2是本发明光照环境模拟方法较佳实施例的流程图。图3是图2中步骤S210的具体流程图。
图4是图2中步骤S220的具体流程图。图5是图2中步骤S230的具体流程图。图6是图2中步骤S240的具体流程图。图7及图8是对三维物体进行三角网格化的示意图。图9是对三维物体配置光照环境的示意图。图10是切分光照深度的示意图。图11是三维量测中无光照环境下待测物体显示的平面效果示意图。图12是利用本发明模拟光照环境下待测物体显示的立体效果示意图。主要元件符号说明
权利要求
1.一种光照环境模拟方法，应用于电子装置，其特征在于，该方法包括三角网格化步骤从与电子装置相连接的存储设备读取三维物体，并对三维物体进行 三角网格化处理；光照环境配置步骤为所述三角网格化处理后的三维物体配置光照环境，包括确定光 照范围、光源位置、光照方向及光源强度参数；三角形显示颜色计算步骤根据三维物体的初始颜色、沿光照方向的光照射线与三维 物体上各三角形的面法向量的夹角及各三角形与光源位置的距离确定各三角形的实际显 示颜色；及显示步骤根据三维物体上各三角形的坐标及实际显示颜色将三维物体投影到与电子 装置相连接的显示设备输出。
2.如权利要求1所述的光照环境模拟方法，其特征在于，所述三角网格化步骤包括 检查所述三维物体的模型是否由三角面片组成，如果是由三角面片组成，则流程直接进入输出三维物体模型上所有三角形组成的三角形队列T的步骤；如果所述三维物体模型不是由三角面片组成，则将该三维物体模型转换为B样条曲 面，得到B样条曲面在UV参数平面内的封闭边界线，对该封闭边界线以U直线和V直线进 行等分，得到若干个小方格；将与封闭边界线无交点的小方格的四个顶点按逆时针顺序组成两个三角形； 对于与封闭边界线有交点的小方格，将小方格的顶点中落入封闭边界曲线内的顶点、 小方格与封闭边界曲线的交点及封闭边界线上的边界点加入二维点组成的二维点队列Q ； 读取二维点队列中的第一点Pl及与点Pl最近的点P2，pl、p2组成三角形A的一条边， 三角形A第三点p3的查找原则是边plp2对应的内角在三角形A的内角中最大以及三角形 A的外接圆内没有二维点队列Q中的点，使得三角形A接近于等边三角形；根据上述查找原则在二维点队列中查找其它三角形的顶点，得到三维物体模型上的所 有三角形 ’及输出三维物体模型上的所有三角形组成的三角形队列T。
3.如权利要求2所述的光照环境模拟方法，其特征在于，所述光照环境配置步骤包括 根据三角网格化处理后的三维物体模型的最大空间包围盒的坐标确定光照范围； 根据所述最大空间包围盒上表面中心点的坐标确定光源位置的坐标；根据光源位置及光照范围确定一个光照圆锥，确定该光照圆锥的旋转轴为光照射线S， 光照方向与光照射线S相同，旋转轴的高度即为光照深度；及将光照深度切分成η个光照段得到点序列，计算每个点到光照射线S顶点的距离得到 各点的衰减系数，确定光源强度队列P，P中的各元素包括各点序列中某一点到光照射线S 顶点的距离及该点的衰减系数，其中各点的衰减系数为该点到光照射线S顶点的距离与光 照深度的比值。
4.如权利要求3所述的光照环境模拟方法，其特征在于，所述三角形显示颜色计算步 骤包括根据各三角形顶点坐标计算各三角形的面法向量，得到三维物体模型所有三角形的面 法向量组成的队列N;读取三维物体模型的初始RGB颜色值，将该初始RGB颜色值等分为90个RGB颜色值区间，得到由从明到暗渐变的RGB颜色值组成的颜色队列L ；计算光照射线S与各三角形的面法向量的向量夹角，确定各向量夹角所对应的颜色区 间 Ith ；计算光照射线S与各三角形的中心点的距离，根据光源强度队列P中距离与衰减系数 的对应关系得到各三角形的衰减系数k，根据Ith*k的整数部分所对应的颜色区间得到的 各三角形的实际显示颜色；及输出三维物体模型上所有三角形的实际显示颜色组成的颜色队列C。
5.如权利要求4所述的光照环境模拟方法，其特征在于，所述显示步骤包括 根据所述显示设备的分辨率，确定显示平面的显示范围；将三角形队列T中的各三角形投影到显示平面，得到三维物体模型上各三角形对应的 平面三角形的二维顶点坐标；及根据各三角形的实际显示颜色及二维顶点坐标在显示设备上显示得到的所有平面三 角形。
6.如权利要求5所述的光照环境模拟方法，其特征在于，如果有平面三角形超出显示 平面的显示范围，则将各平面三角形的二维顶点坐标按相同比例缩小至显示平面的显示范 围内。
7.一种光照环境模拟系统，应用于电子装置，其特征在于，该系统包括三角网格化模块，用于从与电子装置相连接的存储设备读取三维物体，并对三维物体 进行三角网格化处理；光照环境配置模块，用于为所述三角网格化处理后的三维物体配置光照环境，包括确 定光照范围、光源位置、光照方向及光源强度参数；计算模块，用于根据三维物体的初始颜色、沿光照方向的光照射线与三维物体上各三 角形的面法向量的夹角及各三角形与光源位置的距离确定各三角形的实际显示颜色；及显示模块，用于根据三维物体上各三角形的坐标及实际显示颜色将三维物体投影到与 电子装置相连接的显示设备输出。
8.如权利要求7所述的光照环境模拟系统，其特征在于，所述三角网格化处理包括 检查所述三维物体的模型是否由三角面片组成，如果是由三角面片组成，则流程直接进入输出三维物体模型上所有三角形组成的三角形队列T的步骤；如果所述三维物体模型不是由三角面片组成，则将该三维物体模型转换为B样条曲 面，得到B样条曲面在UV参数平面内的封闭边界线，对该封闭边界线以U直线和V直线进 行等分，得到若干个小方格；将与封闭边界线无交点的小方格的四个顶点按逆时针顺序组成两个三角形； 对于与封闭边界线有交点的小方格，将小方格的顶点中落入封闭边界曲线内的顶点、 小方格与封闭边界曲线的交点及封闭边界线上的边界点加入二维点组成的二维点队列Q ； 读取二维点队列中的第一点Pl及与点Pl最近的点P2，pl、p2组成三角形A的一条边， 三角形A第三点p3的查找原则是边plp2对应的内角在三角形A的内角中最大以及三角形 A的外接圆内没有二维点队列Q中的点，使得三角形A接近于等边三角形；根据上述查找原则在二维点队列中查找其它三角形的顶点，得到三维物体模型上的所 有三角形；输出三维物体模型上的所有三角形组成的三角形队列T。
9.如权利要求8所述的光照环境模拟系统，其特征在于，所述为所述三维物体配置光 照环境包括根据三角网格化处理后的三维物体模型的最大空间包围盒的坐标确定光照范围；根据所述最大空间包围盒上表面中心点的坐标确定光源位置的坐标；根据光源位置及光照范围确定一个光照圆锥，确定该光照圆锥的旋转轴为光照射线S， 光照方向与光照射线S相同，旋转轴的高度即为光照深度；及将光照深度切分成η个光照段得到点序列，计算每个点到光照射线S顶点的距离得到 各点的衰减系数，确定光源强度队列P，P中的各元素包括各点序列中某一点到光照射线S 顶点的距离及该点的衰减系数，其中各点的衰减系数为该点到光照射线S顶点的距离与光 照深度的比值。
10.如权利要求9所述的光照环境模拟系统，其特征在于，所述确定各三角形的实际显 示颜色包括根据各三角形顶点坐标计算各三角形的面法向量，得到三维物体模型所有三角形的面 法向量组成的队列N;读取三维物体模型的初始RGB颜色值，将该初始RGB颜色值等分为90个RGB颜色值区 间，得到由从明到暗渐变的RGB颜色值组成的颜色队列L ；计算光照射线S与各三角形的面法向量的向量夹角，确定各向量夹角所对应的颜色区 间 Ith ；计算光照射线S与各三角形的中心点的距离，根据光源强度队列P中距离与衰减系数 的对应关系得到各三角形的衰减系数k，根据Ith*k的整数部分所对应的颜色区间得到的 各三角形的实际显示颜色；及输出三维物体模型上所有三角形的实际显示颜色组成的颜色队列C。
11.如权利要求10所述的光照环境模拟系统，其特征在于，所述将三维物体投影到与 电子装置相连接的显示设备输出包括根据所述显示设备的分辨率，确定显示平面的显示范围；将三角形队列T中的各三角形投影到显示平面，得到三维物体模型上各三角形对应的 平面三角形的二维顶点坐标；及根据各三角形的实际显示颜色及二维顶点坐标在显示设备上显示得到的所有平面三 角形。
全文摘要
本发明提供一种光照环境模拟系统，应用于电子装置。该系统包括三角网格化模块、光照环境配置模块、计算模块及显示模块。三角网格化模块用于从与电子装置相连接的存储设备读取三维物体，并对三维物体进行三角网格化处理。光照环境配置模块用于为所述三角网格化处理后的三维物体配置光照环境，包括确定光照范围、光源位置、光照方向及光源强度参数。计算模块用于根据三维物体的初始颜色、沿光照方向的光照射线与三维物体上各三角形的面法向量的夹角及各三角形与光源位置的距离确定各三角形的实际显示颜色。显示模块用于根据三维物体上各三角形的坐标及实际显示颜色将三维物体投影到与电子装置相连接的显示设备输出。
文档编号G06T15/50GK102087752SQ200910311058
公开日2011年6月8日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者吴新元, 孙小超, 张旨光, 王敏 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司