一种基于素材的三维场景生成工具集成方法

一种基于素材的三维场景生成工具集成方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于素材的三维场景生成工具集成方法，所述方法包括如下步骤：步骤一，构建一个集成开发系统架构，所述架构包括自下而上交互通信的四层结构：资源层，工具封装层，服务层和应用层。步骤二，在资源层，构建3D内容素材库，对素材进行统一的存储管理，为其他层访问系统素材提供支持。步骤三，在工具封装层，构建3D服务封装模板，将各类三维场景生成工具统一的封装成为符合SOAP规范的Web Service服务。步骤四，在服务层定义三维场景生成基础服务，并调用和管理下面两层的数据资源和工具，为应用层提供支持。步骤五，在应用层定义应用发布模板，对封装后的三维场景生成服务进行集成发布，可发布单机版本和云版本的三维场景生成系统。
【专利说明】一种基于素材的三维场景生成工具集成方法

【技术领域】
[0001]本发明属于虚拟现实、图形图像和数据库领域，具体说是一种基于素材的三维场景生成工具集成方法。

【背景技术】
[0002]虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行业对虚拟现实技术的需求日益旺盛，人们对虚拟现实技术的研宄日益重视，虚拟现实技术也取得了巨大进展，并逐步成为一个新的科学【技术领域】。
[0003]3D技术室虚拟现实技术的一种实现形式，随着数字化设计技术的发展，人们已经不再满足于浏览一些静态的、文本类、二维的数据，而是对那些动态的、三维可视化效果的产品需求越来越迫切，3D技术可以提供更丰富的多维信息与更直观的视觉感知，人们对3D数字内容的服务要求日益提高，这使得“ 3D数字内容”已成为信息产业和现代服务业等行业的未来主要形态，也使得“3D数字内容生产及应用”已成为信息产业和现代服务业等行业的新兴经济增长点。
[0004]目前，三维场景生成技术已经有非常多的算法工具被开发出来，这些工具和算法仅仅对模型进行了部分处理，或是某一方面的处理，如果是通过使用不同的工具和算法进行三维场景生成，就需要对多种算法工具的集成。
[0005]目前的三维场景生成软件存在两个方面的问题。一方面，传统的3D软件(如3dmax,maya等)仅提供了本地运行机制，且由于3D计算的资源消耗较大，对用户终端的硬件配置具有较高要求，也难以在移动终端设备上完成复杂的模型编辑生成操作。另一方面，在三维场景制作过程中需要大量的3D内容素材，这些软件缺乏对素材进行合理有效的组织与管理，不能有效的对素材进行共享和获取，
[0006]综合上述两点，需要构建一个三维场景内容生成工具集成环境，将三维场景生成工具集成并封装为服务，提供给各类终端用户使用。并探索三维场景素材的组织管理访问，并以此为指导构建3D素材库及其管理工具，为各个生成服务提供数据支持。


【发明内容】

[0007]本发明的目的在于:提供一种高效、协同、跨平台的基于素材的三维场景生成工具集成方法，开发一个B/S结构的3D场景内容生成技术集成环境，根据3D内容的特点，设计、构建3D场景内容素材库，开发3D内容素材库管理方法和访问接口。
[0008]本发明所述的一种基于素材的三维场景生成工具集成方法，采取了分层系统架构，从下到上分为四层，分别是资源层，工具封装层，服务层和应用层，每一层利用下面层的资源同时为上面层提供访问接口 ；其中:
[0009]资源层包括物理资源、数据资源和素材库，物理资源包括计算资源、存储资源、网络资源、获取装置；数据资源包括图像素材、模型素材等3D素材资源；资源层为工具封装层和服务层提供物理资源和基础数据支撑；为了对数据资源更好的进行管理，根据3D素材的特点构建3D内容素材库，该素材库包括模型素材库、模型特征库、纹理特征库、轮廓样例库和语义标注库，相应存储了三维模型的信息，包括:模型文件、模型特征文件、模型纹理文件、模型轮廓图、模型样例图、语义本体和模型语义描述；
[0010]在资源层之上是工具封装层，在资源封装层对各类三维场景生成工具进行了服务移植与封装，三维场景生成工具分为六类，分别是模型获取、模型构建、模型编辑、模型动画、模型素材库服务、模型渲染；其中模型获取工具能调用资源层中的获取装置向服务层提供获取装置的数据流接口，模型渲染工具调用资源层的渲染资源提供渲染调用接口和渲染数据接口 ；在工具封装层定义了三维场景生成服务封装模板，对模型构建、模型编辑、模型动画、模型素材库服务这四类三维场景生成工具进行服务封装，服务封装模板定义了统一的工具封装方法和数据流标准，这四类工具通过封装模板进行服务封装向上层服务层提供SOAP标准的Web Service服务调用接口 ；
[0011]在工具封装层上的服务层，利用下层资源层的数据资源访问接口和工具封装层的服务接口，提供三维场景生成相关的基础服务，包括用户权限服务、数据流管理、模型交互基本服务、资源管理相关服务和渲染管理服务；为上层应用层提供服务支撑；
[0012]应用层位于整个系统框架的最高层，在应用层定义了应用发布模板，对服务层各类服务和工具封装层的各类三维场景生成工具进行集成发布，能发布两种版本的系统，分别是单机版本和云版本。
[0013]其中，本发明所述的基于素材的三维场景生成工具集成方法，在工具封装层构建了一个三维场景生成工具封装模板，该模版提供了三维场景生成工具数据规范和调用规范，数据规范包括标准的输入输出、统一的数据格式和规范化文件读写接口。调用规范由WSDL描述了 WEB服务调用和说明如何与WEB服务通信的XML(标准通用标记语言的子集)语言，向外界暴露出一个可以通过WEB进行调用的API。
[0014]其中，本发明所述的基于素材的三维场景生成工具集成方法，在数据层根据3D素材特点构建了 3D内容素材库，在工具封装层封装了模型素材检索、标注工具，服务层在数据层和工具封装层的基础上构建一个3D素材库访问检索工具，让系统更有效的管理和获取库中三维模型素材。
[0015]其中，本发明所述的基于素材的三维场景生成工具集成方法，在构建应用层单机版本的应用系统时，基于封装的三维场景生成工具，构建了三维场景生成流程控制面板，流程控制面板用一个节点代表一个工具，父节点的输出作为子节点的输入。节点式的控制能够很好的表现整个处理过程中的素材组织逻辑，比较适合表现基于知识表达的三维场景生成的流程控制，让用户可以控制每个步骤使用的工具以及生成的结果，以及查看每一个步骤产生的结果，用以统一工具之间操作流和数据流。
[0016]与现有的其他技术相比，本发明的特点在于:
[0017](I)、提出了一种数字基于素材的三维场景生成工具集成方法，将原来各自独立运行和工作的三维场景生成工具集成到统一的平台下协同工作
[0018](2)、集成方法利用可扩展的统一封装模板对各个三维场景生成工具进行服务封装，封装成为符合SOAP标准的Web Service服务，并可对各种服务进行集成发布，可发布单机版本和云版本的系统；
[0019](3)、集成和共享了平台的海量三维素材资源，构建了 3D内容数据库，为平台服务提供数据支持。

【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1是本发明的总体架构图；
[0021]图2是本发明的三维场景生成工具服务层次结构图；
[0022]图3是本发明的三维场景生成工具封装接口描述；
[0023]图4是本发明的单机版系统应用界面图；
[0024]图5是本发明的四种数据类型展示界面；
[0025]图6是本发明的三维场景生成流程控制面板；
[0026]图7是本发明的素材库访问检索工具。

【具体实施方式】
[0027]下面结合附图以及具体实施例对本发明作详细说明。
[0028]参阅图1为本发明的总体架构图，本发明采用了四层分层结构，包括资源层、工具封装层、服务层和应用层。资源层位于总体结构的最下层，包括物理资源、数据资源和素材库。工具封装层位于物理资源层之上，对三维场景生成工具进行封装。数据层和工具封装层的数据接口和工具接口可被服务层调用，并提供一些系统基本服务。服务的服务由应用层的发布模板集成发布。
[0029]参阅图2为本发明的三维场景生成服务，是由单机算法和工具进行封装而来的，本发明提出了一个场景生成工具的封装模板，通过对生成服务的层次划分，把各自不同的逻辑隔离开来，实现“高内聚、低耦合”，这样有利于服务的开发、维护、部署和扩展。封装模板分为三层结构，由数据层、业务层和表示层组成。定义了如下几个功能:1)最底层是数据层，在数据层包括系统数据资源和文件读写类，文件读写类定义了标准的数据输入输出接口，在三维场景生成处理流程中，系统提供标准的输入输出，也就是对模型文件、场景文件、图像文件、视频文件、骨架文件的读取与导出。对于各种数据，根据平台显示和平台工具要求，参考国际通行数据标准，定义了统一的数据格式规范，数据的标准化是实现数据共享的关键，也是集成系统重点关注的内容。2)在数据层之上是业务逻辑层，业务逻辑类主要包括请求处理类、服务调用类和核心算法。请求处理类负责接收前端的消息序列，然后对消息进行解析，并实现消息与三维场景生成服务接口的映射。要实现三维场景生成服务接口的映射，需要对所有封装的三维场景生成服务接口进行统一描述和和管理，统一描述的格式是符合Web Service的WSDL格式。利用GSOAP建立映射关系，然后根据请求，由服务调用类调用对应的三维场景生成服务，封装三维场景生成服务是三维场景系统的核心部分，即核心算法的封装，主要根据系统处理接口，将三维场景生成核心算法封装成符合调用规范的可执行程序。业务逻辑层只需从数据层获取需要的数据进行处理，然后将结果返回数据层，由数据层通过文件写入来保存处理结果，再把处理结果传回给表示层进行显示。3)表示层主要包括视图类，控制类和工具加载调用接口，视图类包括输入、输出结果展示界面和参数面板。控制类接收到用户的输入并通过工具加载调用接口，调用后台业务层的对应处理算法，并把参数与数据传送给后台业务层的请求处理类，得到处理结果后返回给视图类进行显不O
[0030]本发明涉及的三维场景生成工具主要包括三大类，第一大类是获取装置，主要是对三维采集设备的集成，系统支持三维采集设备kinect，可调用设备API接口获取设备数据流并进行显示。第二大类是模型处理类，又包括四小类，分别是模型构建、模型编辑、模型动画和模型素材库服务，模型处理类的工具均由封装模板进行封装，协同工作可完成三维场景的构建。第三大类是模型渲染，对于模型处理类得到的三维场景进行渲染输出。
[0031]参阅图3是有三维场景生成工具封装接口描述，是一个wsdl文件描述的，WSDL描述了 WEB服务和说明如何与WEB服务通信的XML(标准通用标记语言的子集)语言。为用户提供详细的接口说明书，可以跨越多个操作系统，语言环境以及在防火墙后的不同组织。描述接口主要包括以下内容:1)接口名称(name) ；2)接口参数及参数类型；3)接口返回值及类型；
[0032]参阅图4本发明的三维场景生成工具集成单机版系统应用界面图，是由Qt (诺基亚公司支持的跨平台应用程序和界面开发框架)和OpenGL构建的一个跨平台的可视化3D模型处理Π。分为工具列表区域、文件窗口区域、流程控制区域、场景预览区域、控制栏区域和对象编辑区域六个部分。I)列表区是集成的三维场景生成工具的列表，也可以更换场景预览区域的显示模式。2)文件窗口区域是本地文件列表，用户可以方便的选择、打开一个本地的文件或一个网络文件。3)流程控制区域采用了采取了节点式的流程控制方式，以“节点”表示三维场景生成的运行实例，以“树”表示工作流程。4)素材的显示在场景预览区域，支持图像、视频、三维模型、骨架四种显示模式，在各个显示模式下可对素材进行查看和对应操作。5)控制栏区域，可以对当前预览素材进行交互预览，如视频播放控制栏可控制视频播放时间点等。6)对象编辑区域显示了场景和当前编辑对象的平移、旋转、缩放的尺度信息，通过鼠标、键盘对场景和对象的操作会相应反应到尺度信息上，也可以通过在编辑窗口编辑平移值、旋转值等进行相应操作。
[0033]参阅图5为本发明的三维场景生成工具集成系统支持的四种数据类型展示界面，分别是图像显示界面、视频显示界面、三维模型显示界面、人体骨架显示界面。素材显示在预览窗口，在各个显示模式下可对素材进行查看和对应操作，如图像数据可以进行图像交互式标注提取，视频数据可进行视频播放、视频帧提取，模型数据可进行模型旋转缩放、导入导出、纹理材质编辑，人体骨架数据可进行骨架调整、运动生成等。
[0034]参阅图6为本发明的三维场景生成流程控制面板，流程控制面板下方有节点处理按钮，包括“节点连线”，“节点删除”和“节点预览”。“节点连线”将两个节点联系起来，父节点的输出作为子节点的输入。节点式的控制能够很好的表现整个处理过程中的素材组织逻辑，比较适合表现基于知识表达的三维场景生成的流程控制，让用户可以控制每个步骤使用的工具以及生成的结果，以及查看每一个步骤产生的结果，用以统一工具之间操作流和数据流。通过“节点”预览操作，可以查看整个流程的中间结果，及时显示各个工具处理的生成结果。
[0035]参阅图7为本发明的3D内容素材库访问检索工具，提供模型预处理，编辑，预览，检索等功能。用户在模型入库时需进行类别设定和语义标注，使得杂乱无章的模型素材在库中分门别类。3D内容素材库访问检索工还可以自动对入库模型素材进行预处理，分析模型素材的各种特征和属性信息，如模型的文件大小、格式、顶点个数、面个数、上传时间、纹理信息、特征值、角特征值等，同时自动生成模型的预览图和轮廓图保存在轮廓样例库中，方便用户的查看和预览。也提供了模型预览窗口，用以打开一个模型进行详细预览。工具还提供模型信息编辑功能，用户可对模型信息进行编辑、修改和删除操作。素材库共提供4种检索方式，分别是关键词检索，语义检索，和系统集成的2种模型检索工具:基于图像轮廓的三维模型检索和基于模型的三维模型检索。
【权利要求】
1.一种基于素材的三维场景生成工具集成方法，其特征在于:采取了分层系统架构，从下到上分为四层，分别是资源层，工具封装层，服务层和应用层，每一层利用下面层的资源同时为上面层提供访问接口 ；其中: 资源层包括物理资源、数据资源和素材库，物理资源包括计算资源、存储资源、网络资源、获取装置；数据资源包括图像素材、模型素材等3D素材资源；资源层为工具封装层和服务层提供物理资源和基础数据支撑；为了对数据资源更好的进行管理，根据3D素材的特点构建3D内容素材库，该素材库包括模型素材库、模型特征库、纹理特征库、轮廓样例库和语义标注库，相应存储了三维模型的信息，包括:模型文件、模型特征文件、模型纹理文件、模型轮廓图、模型样例图、语义本体和模型语义描述； 在资源层之上是工具封装层，在资源封装层对各类三维场景生成工具进行了服务移植与封装，三维场景生成工具分为六类，分别是模型获取、模型构建、模型编辑、模型动画、模型素材库服务、模型渲染；其中模型获取工具能调用资源层中的获取装置向服务层提供获取装置的数据流接口，模型渲染工具调用资源层的渲染资源提供渲染调用接口和渲染数据接口 ；在工具封装层定义了三维场景生成服务封装模板，对模型构建、模型编辑、模型动画、模型素材库服务这四类三维场景生成工具进行服务封装，服务封装模板定义了统一的工具封装方法和数据流标准，这四类工具通过封装模板进行服务封装向上层服务层提供SOAP标准的Web Service服务调用接口 ； 在工具封装层上的服务层，利用下层资源层的数据资源访问接口和工具封装层的服务接口，提供三维场景生成相关的基础服务，包括用户权限服务、数据流管理、模型交互基本服务、资源管理相关服务和渲染管理服务；为上层应用层提供服务支撑； 应用层位于整个系统框架的最高层，在应用层定义了应用发布模板，对服务层各类服务和工具封装层的各类三维场景生成工具进行集成发布，能发布两种版本的系统，分别是单机版本和云版本。
2.如权利要求1所述的基于素材的三维场景生成工具集成方法，其特征在于:在工具封装层构建了一个三维场景生成工具封装模板，该工具封装模版提供了三维场景生成工具数据规范和调用规范，数据规范包括标准的输入输出、统一的数据格式和规范化文件读写接口 ；调用规范由WSDL(网络服务描述语言)描述了 WEB服务调用和说明如何与WEB服务通信的XML(标准通用标记语言的子集)语言，向外界暴露出一个可以通过WEB进行调用的API。
3.如权利要求1所述的基于素材的三维场景生成工具集成方法，其特征在于:在资源层根据3D素材特点构建了 3D内容素材库，在工具封装层封装了模型素材检索、标注工具，服务层在数据层和工具封装层的基础上构建一个3D素材库访问检索工具，让系统更有效的管理和获取库中三维模型素材。
4.如权利要求1所述的基于素材的三维场景生成工具集成方法，其特征在于:在构建应用层单机版本的应用系统时，基于封装的三维场景生成工具，构建了三维场景生成流程控制面板，流程控制面板用一个节点代表一个工具，父节点的输出作为子节点的输入，节点式的控制能够表现整个处理过程中的素材组织逻辑，适合表现基于知识表达的三维场景生成的流程控制，让用户可以控制每个步骤使用的工具以及生成的结果，以及查看每一个步骤产生的结果，用以统一工具之间操作流和数据流。
【文档编号】G06F9/44GK104463957SQ201410683420
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】陈小武, 赵沁平, 周彬, 王晓诗, 符强, 郭侃, 马梦茵 申请人:北京航空航天大学