一种基于对称结构的三维花朵建模方法
【专利摘要】一种基于对称结构的三维花朵建模方法，包括：1)根据输入的单幅花朵图像,用户交互式地描绘花朵每个花瓣的两条边缘曲线,对花朵边缘曲线的顶部顶点和底部顶点进行最小二乘圆锥拟合,利用拟合得到的圆锥计算花朵各花瓣的对称面；2)根据不同种类花朵所固有的对称特性和各个花瓣的对称面信息,计算花瓣两条边缘曲线上所有采样点的深度,得到其三维构造曲线；3)对于层次结构较明显的花朵,在拟合圆锥时利用花瓣的逐层处理方式并分别计算花瓣边缘曲线的采样点深度信息；4)构建出各个花瓣的三维模型,进而重建生成整个花朵的三维模型；最后根据输入的单幅图像纹理信息合成花朵的表面纹理,得到具有较强真实感的花朵模型。
【专利说明】
-种基于对称结构的H维花朵建模方法
技术领域
[0001] 本发明专利针对输入的单幅花朵图像，借助用户少量的交互，提供了一种基于对 称结构的快速生成=维花朵建模的方法。
【背景技术】
[0002] =维花朵的建模是计算机视觉和计算机图形学中的重点问题，加上输入的仅为单 幅图像，运使得建模的难度进一步加大。为了解决运个难题，研究者们大多采用=种方法： 1)基于过程式的全交互花朵建模方法，该方法是根据花弁表、花序W及用户的临摹交互来 一步步生成完整的花朵模型；2)基于花朵模型库的建模方法，即根据输入的单幅图像分析 出花朵在图像中的位置W及形态，使用=维模型库的花朵模型来变形拟合二维图像中的花 朵，从而达到=维的建模效果;3)基于单幅图像的半自动花朵建模，即根据输入的单幅图像 进行相关预处理，由图像中花朵的所有花瓣拟合生成一个花瓣模板，由该花瓣模板去变形 拟合其他的花瓣，最终生成符合二维投影的=维花朵模型。
[0003] 在计算机视觉领域，模型深度信息的恢复是从单幅二维图像生成=维模型过程中 的难点。为了解决运个问题，往往采用人工交互的方法，即根据输入的单幅图像，用户可W 手绘出图像中花朵每个花瓣的两条边缘曲线。另一方面，在对花朵结构的研究中发现，自然 界中大部分的花朵都具有一定的结构对称性，主要分为仅有一个对称面的两侧对称和含有 多个对称面的福射对称两种，由于两侧对称含有的信息量较少，因此只考虑福射对称的花 朵建模情况.本发明假设二维图像上的手绘曲线即为=维模型投影轮廓线的平行投影下， 在基于花朵对称结构的建模过程中，利用自然界中花朵所共有的对称的性质，结合手绘出 的花朵花瓣的边缘曲线，确定边缘的对称匹配关系求得每个花瓣每条边缘采样点处的深 度，进而重建出整个花朵的=维模型。在该建模方法中充分利用了花朵的结构对称性。
【发明内容】
[0004] 为了解决=维花朵建模中交互量大、预处理复杂、建模效果差的不足，本发明提供 了一种方便快捷、高效易学且真实感强的基于花朵对称结构的单幅图像建模方法。
[0005] 本发明解决的技术问题所采用的解决方案是：
[0006] 1)根据输入的单幅二维图像，用户在图像画板上交互式地手动描绘出花朵上每个 花瓣的两条边缘曲线，系统即时地捕捉手绘边缘曲线上的点，并插值生成相应的二次B样条 曲线，然后根据用户自定义的每条边缘曲线应包含的采样点数对得到的二次B样条曲线进 行均匀采样离散化。
[0007] 2)在确定了花朵上每个花瓣的两条边缘手绘曲线后，利用对称性计算运两个手绘 曲线上每对采样点的深度信息;基于花朵特殊的对称结构和生物结构，本文在把花瓣的两 条手绘轮廓线看作其=维构造曲线投影线的前提下，先将整个花朵拟合到一个圆锥体上， 通过拟合圆锥确定花朵上每个花瓣的对称面;算法通过遍历每个花瓣上的两条边缘手绘曲 线，结合求得的该花瓣对称面信息，计算出该花瓣两条构造曲线的深度信息；
[0008] 具体地说，首先根据用户交互的手绘曲线，将图像中的花朵整体拟合为一个圆锥， 由于圆锥的底面投影为花瓣顶点拟合的楠圆，因此关键得到圆锥的母线长；由投影变换关 系可得：
[0009]
(1)
[0010]其中r为拟合圆锥的顶点与圆锥底面圆屯、的投影点的平面距离，AB为拟合的楠圆 的长轴长，BC为拟合楠圆的短轴长，通过计算可W得到母线R的大小，进一步可W求出底面 圆屯、的垂直距离h;在平行投影下，所求的=维构造曲线上点的X坐标和y坐标取值即为画板 上输入的相应花瓣边缘曲线上采样点X坐标和y坐标，花朵各个花瓣的两条边缘构造曲线的 =维信息的计算主要在于采样点Z坐标的计算;在此基础上，利用花朵的对称结构可W求出 每个花瓣的对称面;W-个花瓣的对称面求取为例：
[00"]
贷）
[001 ^ 其中，（2)式中已知的有0"Z-Oz = h，Oz"-Pz的值可根据垂直关系求出，从而可W得 到该花瓣对应的法向量n;根据计算得到每个花瓣的对称面，求出每个花瓣两条边缘曲线上 每对对称采样点的深度如下:设点Pl=(Xl，yl，Zl)和P2=(X2，y2，Z2)分别为花瓣两条边缘曲 线上的一对对称点，花瓣对称面法向量为n=(nx，nY，nz)，则有：
[0013]
[0014] (4)
[0015] 从而，可W计算得到花瓣两条边缘曲线的各对对称采样点深度，进而得到每个花 瓣的两条=维边缘构造曲线。
[0016] 3)对于层次结构较明显的花朵，在拟合圆锥时利用花瓣的逐层处理方式并分别计 算花瓣边缘曲线的采样点深度信息;本发明仅考虑两层花朵的建模，用户首先按顺序描绘 出第一层上的所有花瓣，接着继续描绘第二层上的所有花瓣，等;设第一层花瓣数目为m，算 法将前m个花瓣单独保存并作为单个花朵进行圆锥拟合处理和深度计算;接着处理第二层 花瓣，设其花瓣数目为n，算法将后n个花瓣单独保存并进行与前m个花瓣类似的处理;运里 需要指出的是，由于对同一层的花朵花瓣需要进行圆锥拟合，因此要求每一层上的花瓣数 目至少为3个，当然不同层上的花瓣数目可W有所不同。
[0017] 4)在计算得到每个花瓣的两条边缘曲线的深度信息后，为了达到更好的=维建模 效果，规定花朵=维模型上每个顶点处的深度值均大于零;在完成每个花瓣的处理后，通过 离散化网格处理构建出每个花瓣的=维模型，进而得到整个花朵的=维模型;进一步，根据 输入图像的纹理信息为生成的花朵模型进行纹理合成，最终生成真实感很强的=维花朵模 型。
[0018] 本发明的有益效果主要表现在:方便快捷、高效易操作、真实感强。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明用户输入图示例，其中包含用户的交互手绘线。
[0020] 图2为图1实例中花朵拟合圆锥的效果显示。
[0021] 图3为本发明单个花瓣的网格效果示例。
[0022] 图4为图1示例的花朵S维建模效果。
[0023] 图5为本发明设计生成的部分花朵建模示例。
【具体实施方式】
[0024] 下面参照附图对本发明的技术方法和生成的各种=维花朵模型作进一步地描述 和详细说明：
[0025] 参照附图1-一附图5,基于花朵对称结构的单幅图像建模方法包括W下步骤：
[0026] 1)根据输入的单幅二维图像，用户在图像画板上交互式地手动描绘出花朵上每个 花瓣的两条边缘曲线，如附图1所示，系统即时地捕捉手绘边缘曲线上的点，并插值生成相 应的二次B样条曲线，然后根据用户自定义的每条边缘曲线应包含的采样点数对得到的二 次B样条曲线进行均匀采样离散化。
[0027] 2)在确定了花朵上每个花瓣的两条边缘手绘曲线后，利用对称性计算运两个手绘 曲线上每对采样点的深度信息;基于花朵特殊的对称结构和生物结构，本文在把花瓣的两 条手绘轮廓线看作其=维构造曲线投影线的前提下，先将整个花朵拟合到一个圆锥体上， 如附图2所示，通过拟合圆锥确定花朵上每个花瓣的对称面;算法通过遍历每个花瓣上的两 条边缘手绘曲线，结合求得的该花瓣对称面信息，计算出该花瓣两条构造曲线的深度信息。
[0028] 3)对于层次结构较明显的花朵，在拟合圆锥时利用花瓣的逐层处理方式并分别计 算花瓣边缘曲线的采样点深度信息;根据输入的花朵图像，对位于不同层上的花瓣进行相 应的圆锥拟合，从而求出不同层上花瓣的对称面，并通过遍历每层花瓣的两条边缘手绘曲 线，结合分层处理时得到的相应该花瓣的对称面信息，计算每个花瓣两条曲线的深度信息； 本发明仅考虑两层花朵的建模，用户首先按顺序描绘出第一层上的所有花瓣，接着继续描 绘第二层上的所有花瓣，等;设第一层花瓣数目为m，算法将前m个花瓣单独保存并作为单个 花朵进行圆锥拟合处理和深度计算;接着处理第二层花瓣，设其花瓣数目为n，算法将后n个 花瓣单独保存并进行与前m个花瓣类似的处理;运里需要指出的是，由于对同一层的花朵花 瓣需要进行圆锥拟合，因此要求每一层上的花瓣数目至少为3个，当然不同层上的花瓣数目 可W有所不同。
[0029] 4)在计算得到每个花瓣的两条边缘曲线的深度信息后，为了达到更好的=维建模 效果，规定花朵=维模型上每个顶点处的深度值均大于零;在完成每个花瓣的处理后，通过 离散化网格处理构建出每个花瓣的=维模型，如附图3所示，进而得到整个花朵的=维模 型;进一步，根据输入图像的纹理信息为生成的花朵模型进行纹理合成，最终生成真实感很 强的S维花朵模型，如附图4所示。
[0030] 附图1显示了用户在输入图像上交互式地输入每个花瓣两条边缘曲线；附图2是在 附图1用户手绘曲线的基础上将整个花朵拟合到一个圆锥上;附图3显示了在求得每个花瓣 的对称面法向量后，得到的花瓣两条边缘构造曲线，通过离散化网格法得到的单个花瓣的 S角网格模型；附图4显示附图I的输入图的最终S维建模效果;附图5是利用本发明生成的 花朵模型效果示例，主要分为=个花瓣、四个花瓣、五个花瓣W及六个花瓣的=维花朵建模 效果，附图5(a)是输入的花朵图像，附图5(b)为对应生成的S维模型，附图5(c)纹理贴图后 的S维花朵模型，附图5(d)为花朵模型的侧视图，附图5(e)为花朵模型的左或右视图。
【主权项】
1. 一种基于对称结构的三维花朵建模方法，包括以下步骤： 步骤1)根据输入的单幅二维图像，在图像画板上以交互方式手工描绘出花朵每个花瓣 的两条边缘曲线;并自动捕捉手绘边缘曲线上的点，插值生成相应的二次B样条曲线，根据 指定的每条边缘曲线应包含的采样点数对得到的二次B样条曲线进行均匀采样离散化； 步骤2)利用对称性计算花朵每个花瓣的两条手绘边缘曲线上每对采样点的深度信息： 利用花朵特有的对称结构，把花瓣的两条手绘边缘曲线看作其三维构造曲线的投影线，将 整个花朵拟合到一个圆锥体上，并通过拟合圆锥确定花朵上每个花瓣的对称面;通过遍历 每个花瓣上的两条手绘边缘曲线，利用计算得到的花瓣对称面信息，计算出花瓣两条构造 曲线的深度信息； 步骤3)对于具有多层花瓣的花朵，在拟合圆锥时利用花瓣的逐层处理方式进行处理并 分别计算花瓣边缘曲线的采样点深度信息;本发明仅考虑两层花瓣的花朵建模，首先按顺 序手工描绘出第一层上的所有花瓣，然后描绘第二层上的所有花瓣;设第一层花瓣数目为 m，算法将前m个花瓣单独保存并作为单个花朵进行圆锥拟合处理和深度计算;接着处理第 二层花瓣，设其花瓣数目为η，算法将后η个花瓣单独保存并进行与前m个花瓣类似的处理； 步骤4)在计算得到每个花瓣两条边缘曲线的深度后，为了达到更好的三维建模效果， 规定花朵三维模型上每个顶点处的深度值均大于零;在完成每个花瓣的处理后，通过离散 化处理构建出每个花瓣的三维网格模型，最终得到整个花朵的三维模型，并利用输入图像 纹理信息为生成的花朵模型进行纹理合成生成真实感很强的三维花朵模型。2. 如权利要求1所述的基于对称结构的三维花朵建模方法，其特征在于：步骤2中所述 的利用对称结构计算花瓣构造曲线的深度信息，具体是： 首先根据用户交互描绘的手绘曲线，将图像中花朵的整体结构拟合为一个圆锥，由于 圆锥的底面投影为花瓣顶点拟合的椭圆，计算圆锥的母线长如下：由投影变换关系可得，(1) 其中r为拟合圆锥的顶点与圆锥底面圆心的投影点的平面距离，AB为拟合的椭圆的长 轴长，BC为拟合椭圆的短轴长，通过计算得到母线长度R的大小，进一步可以求出底面圆心 的垂直距离h;在平行投影下，所求的三维构造曲线上点的X坐标和y坐标取值即为画板上输 入的相应花瓣边缘曲线上采样点X坐标和y坐标，花朵各个花瓣的两条边缘构造曲线的三维 信息计算主要在于采样点z坐标的计算;在此基础上，利用花朵的对称特性求出每个花瓣的 对称面;以一个花瓣的对称面求取为例： (2) 、、 、 .'r彳- --./ 其中，（2)式中已知的有0〃z-0z = h，0〃z-Pz的值根据垂直关系求得，从而可以得到该花瓣 对应的法向量η;根据计算得到每个花瓣的对称面，求出每个花瓣两条边缘曲线上每对对称 采样点的深度如下：设点？1=(11，7131)和?2=(12,72,22)分别为花瓣两条边缘曲线上的一 对对称点，花瓣对称面法向量为n = (nx，ny，ηζ)，则有： .(3) (4)：从而，计算得到花瓣两条边缘曲线的各对对称采样点深度，进而得到每个花瓣的两条 三维边缘构造曲线。
【文档编号】G06T17/00GK105957141SQ201610415986
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】缪永伟, 刘丽丽, 张旭东, 刘震
【申请人】浙江工业大学