专利名称：一种特征增强的三维模型线绘制方法
技术领域：
本发明涉及三维模型线绘制、非真实感绘制、计算机艺术、卡通动漫、医学数据可视化、对象识别和匹配、虚拟导航等领域，更具体地，在艺术展示、工程制图、资料插图中采用的一种特征增强的三维模型线绘制方法。
背景技术：
现有的三维线绘制方法主要集中在如何获取模型的特征线，以及如何根据其他信息控制特征线宽度的变化来产生艺术化效果的工作上，近期的线绘制算法则以绘制更丰富的特征线为目的，根据几何微分信息赋予特征线以明确的数学定义，并判断模型上的各个点是否在特征线上。目前常用方法如下:
DeCarlo等人提出了启发式轮廓线，即径向曲率为零的曲线，表明曲面在何处背离观察者。所谓启发式轮廓线，即当视点发生细微变化时新出现的轮廓线，它表示在当前视点下对于模型的描述具有启发式的效果，是轮廓线的扩展与延伸；0htake等则给出了褶皱脊线的数学定义，通过使用多层次隐式曲面拟合有有限差分近似方法估算主曲率及其微分属性，将最大主曲率的导数为零，其二阶导数为负，且最大主曲率小于最小主曲率的绝对值的点定义为脊线上的点，相反则为谷线上的点，通过提取出相应的点之后连接起来，构成谷线与脊线，丰富了模型细节，能有效表现出模型的凹凸区域Judd等在Ohtake的基础上更进一步，提出了显著褶皱线算法，该算法通过物体空间到视平面的映射计算，将远离视点中心的主曲率变大，提取出比褶皱脊线更清晰的显著褶皱线；Luo Tao等则将线绘制技术应用于考古中，通过随机游动建立遗迹的多尺度表示，由最小描述长度准则选定模型尺度，最终应用褶皱脊线方法生成线绘制结果，结果表明此方法与人工手绘方法结果类似，可一定程度上代替人工繁琐的工作。上述现有的线绘制方法已和手绘结果类似，已能较好的表现模型性质，但若模型平坦区域较多，则效果较差，物体表面细节不丰富，且现在的主要技术更注重于特征线的几何与数学定义，而这些数学定义普遍是用网格模型表面顶点的微分信息来表示，这些微分信息基本都是基于模型局部的几何和拓扑关系来估算的，这就不可避免地造成提取出来的特征线更多地表征模型的局部信息，而相应地忽略了模型的整体特征。
发明内容
为了解决现有线绘制方法不能有效的保存模型的整体形态信息，物体表面细节不够丰富，视觉感知艺术效果不强等缺陷，本发明提供了一种特征增强的三维模型线绘制方法，将表征三维模型整体特征的线性骨架信息引入线绘制中，包括如下步骤:
步骤(1):基于点遍历的轮廓线提取算法提取模型的轮廓线；
步骤(2):绘制三维模型的几何特征线；
步骤(3):运用基于凸壳与OBB的骨架提取算法提取出模型骨架特征线，包括骨架特征提取和基于骨架的线绘制。
进一步的，步骤(2)中根据几何特征的权值将三维模型分成几何和非几何特征，绘制几何特征线。进一步的，将权值小于设定阈值的点设为几何特征域点集S，然后将这些点按邻接关系进行连接操作，即可获取几何特征域的线条表示:对于任意顶点A e S，按照几何权值从小到大排列，几何特征线提取过程如下:
Step 1.对于Γ中顶点，取出％ (S中几何权值最小的点)作为当前顶点Vw，将V.加入路径链，路径长度设为0，并将V.从^中删除；
Step2.遍历V.的所有邻接点，得到Vmj e S ,且满足vKa5}在V.的邻接点中几何权值最小；
Step3.如果Vssi不存在，跳到步骤5 ；
Step4.将v_加入路径链，路径长度加ien(viur,v滅),从U中删去Vmj ,并令= Vsea，返回步骤2 ; Step5.若此时路径长度小于用户设定的长度，则删去此路径链，以避免产生短碎的线条，否则将路径链作为凹区域特征线。若s = #，则提取完成，否则返回步骤I。进一步的，步骤(3)中所述骨架特征提取包括:对三维模型进行交互分割的基础上，对分割后的各个部分求取凸包，用凸包顶点来近似代替模型各部分，然后取凸包顶点的形心作为初始骨架点，对各部分凸包顶点求取0ΒΒ，通过OBB将相邻两部分的相交点集求出，用该点集的形心做为关节点，骨架点连接后做冗余性检测，若某骨架点与相邻关节点连接成的两条线夹角大于设定的阈值，说明该骨架点冗余，删去该点，最后生成完整骨架。进一步的，步骤(3)中基于骨架的线绘制包括:从三维模型的非几何区域中提取骨架特征线。设模型非几何区域的点集为# ,且每个子网格的凸壳点集为，则每个子网格中从集合P = - 'ηβ中提取骨架特征线的起始点，集合β保证点表征模型的整体形状信息，集合泛则保证点在模型的非几何区域，骨架特征线的非起始点由集合&中提取，将τ中顶点按几何权值^>)由大到小排列后，开始提取骨架特征线:Stepl.对于P中顶点，取出P中凹凸权值最大的点Vq作为当前顶点V.，将V—加入路径链，路径长度设为0，并将Var从中删除；
Step2.遍历的所有邻接点，得到e Y在V.的邻接点中权值最大并大于设定的阈值，以保证骨架特征线不会特别偏离骨架，其中点5的权值用向量7= (V,-Vi)与该子网格内的两段骨架向量A、A的点积的绝对值的较大值表示；
St印3.若νΜ 不存在，跳到步骤5 ；
Step4.将V滅加入路径链，路径长度加Ien (ycur,V咖),从#中删去Vwst ,同时若
vSfflSt € P ,则从P中删除vMf ,最后令ViW = vMti，返回步骤2 ；
Step5.若此时路径长度小于用户设定的长度，则删去此路径链，以避免产生短碎的线条，否则将路径链作为凹区域特征线，若P = Φ,则提取完成，否则返回步骤I。进一步的，所述基于骨架的线绘制还包括垂直骨架特征线的绘制。进一步的，所述基于骨架的线绘制还包括感知信息的线绘制。本发明的特征增强的三维模型线绘制方法采用凸壳与有向包围盒的交互方法提取线性骨架和基于骨架的线绘制，将表征三维模型整体特征的线性骨架信息引入线绘制中，可极大地丰富模型的线绘制效果，再次基础上加入更多感知信息，产生更强的艺术效果O
图1是鱼模型光照图和轮廓线 图2是视点相关的曲率和挠率信息的示意 图3是鱼模型几何特征线绘制和模型分割 图4是基于骨架的线绘制 图5是本发明的基于骨架的线绘制的效果 图6是本发明的基于骨架的线绘制的效果 图7是本发明的基于骨架的线绘制的效果 图8是本发明的特征增强的三维模型线绘制方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。如图8所示，本发明的特征增强的三维模型线绘制方法，将表征三维模型整体特征的线性骨架信息引入线绘制中，可极大地丰富模型的线绘制效果，再次基础上加入更多感知信息，产生更强的艺术效果。包括如下步骤:
(O首先，基于点遍历的轮廓线提取算法提取模型的轮廓线；
线绘制技术作为非真实感绘制技术的重要组成部分，关注于如何用线条表达物体形状，也就是给定一个模型，解决在哪里画线、画什么样线的问题。我们首先需要绘制模型的轮廓线。轮廓线表现模型的轮廓与大体形状信息，可看成模型曲面上法线与视线相垂直的点的集合，即
权利要求
1.一种特征增强的三维模型线绘制方法，将表征三维模型整体特征的线性骨架信息引入线绘制中，包括如下步骤: 步骤(I):基于点遍历的轮廓线提取算法提取模型的轮廓线； 步骤(2):绘制三维模型的几何特征线； 步骤(3):运用基于凸壳与OBB的骨架提取算法提取出模型骨架特征线，包括骨架特征提取和基于骨架的线绘制。
2.如权利要求1所述的特征增强的三维模型线绘制方法，其特征在于:步骤(2)中根据几何特征的权值将三维模型分成几何和非几何特征，绘制几何特征线。
3.如权利要求2所述的特征增强的三维模型线绘制方法，其特征在于:将权值小于设定阈值的点设为几何特征域点集S，然后将这些点按邻接关系进行连接操作，即可获取几何特征域的线条表示:对于任意顶点 按照几何权值从小到大排列，几何特征线提取过程如下: Step 1.对于中顶点，取出(S中几何权值最小的点)作为当前顶点，将加入路径链，路径长度设为0，并将V.从s中删除； Step2.遍历V-的所有邻接点，得到Vseff e S ,且满在V.的邻接点中几何权值最小； Step3.如果Vseff不存在，跳到步骤5 ； Step4.将V—加入路径链，路径长度加,从中删去,并令V.= Vxssi，返回步骤2 ; Step5.若此时路径长度小于用户设定的长度，则删去此路径链，以避免产生短碎的线条，否则将路径链作为凹区域特征线；若5 = #，则提取完成，否则返回步骤I。
4.如权利要求1所述的特征增强的三维模型线绘制方法，其特征在于:步骤(3)中所述骨架特征提取包括:对三维模型进行交互分割的基础上，对分割后的各个部分求取凸包，用凸包顶点来近似代替模型各部分，然后取凸包顶点的形心作为初始骨架点，对各部分凸包顶点求取0ΒΒ，通过OBB将相邻两部分的相交点集求出，用该点集的形心做为关节点，骨架点连接后做冗余性检测，若某骨架点与相邻关节点连接成的两条线夹角大于设定的阈值，说明该骨架点冗余，删去该点，最后生成完整骨架。
5.如权利要求2所述的特征增强的三维模型线绘制方法，其特征在于:步骤(3)中基于骨架的线绘制包括:从三维模型的非几何区域中提取骨架特征线，设模型非几何区域的点集为左，且每个子网格的凸壳点集为则 每个子网格中从集合P = Snρ中提取骨架特征线的起始点，集合β保证点表征模型的整体形状信息，集合义则保证点在模型的非几何区域，骨架特征线的非起始点由集合#中提取，将P中顶点按几何权值gO)由大到小排列后，开始提取骨架特征线=Stepl.对于P中顶点，取出中凹凸权值最大的点Vu作为当前顶点，将加入路径链，路径长度设为0，并将从P中删除；Step2.遍历I的所有邻接点，得到e#在的邻接点中权值最大并大于设定的阈值，以保证骨架特征线不会特别偏离骨架，其中点4的权值用向量7= (V.-V5)与该子网格内的两段骨架向量"P1、f2的点积的绝对值的较大值表示； St印3.若Vxexi不存在，跳到步骤5 ； Step4.将V痛加入路径链，路径长度加Ien(viS,，Vxflii),从夂中删去,同时若U已P，则从P中删除Vsart ,最后令V.= V趣，返回步骤2 ； Step5.若此时路径长度小于用户设定的长度，则删去此路径链，以避免产生短碎的线条，否则将路径链作为凹区域特征线，若P = Φ，则提取完成，否则返回步骤I。
6.如权利要求1所述的特征增强的三维模型线绘制方法，其特征在于:所述基于骨架的线绘制还包括垂直骨架特征线的绘制。
7.如权利要求1所述的特征增强的三维模型线绘制方法，其特征在于:所述基于骨架的线绘制还包括感知信 息的线绘制。
全文摘要
本发明公开了一种特征增强的三维模型线绘制方法，将表征三维模型整体特征的线性骨架信息引入线绘制中，包括如下步骤步骤(1)基于点遍历的轮廓线提取算法提取模型的轮廓线；步骤(2)绘制三维模型的几何特征线；步骤(3)运用基于凸壳与OBB的骨架提取算法提取出模型骨架特征线，包括骨架特征提取和基于骨架的线绘制。本发明的特征增强的三维模型线绘制方法采用凸壳与有向包围盒的交互方法提取线性骨架和基于骨架的线绘制，将表征三维模型整体特征的线性骨架信息引入线绘制中，可极大地丰富模型的线绘制效果，再次基础上加入更多感知信息，产生更强的艺术效果。
文档编号G06T17/00GK103236077SQ20131012910
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者李重, 许鸿尧, 秦胜伟, 林佼 申请人:浙江理工大学