专利名称：一种基于图像空间的三维动态数据压缩和平滑方法
技术领域：
本发明涉及三维动态数据处理的技术领域，具体涉及一种基于图像空间的三维动态数据压缩和平滑方法。
背景技术：
随着网络时代的到来，远程可视化成为可视化技术发展的新趋势，使网络上的数据资源得到合理有效的利用。由于观测和模拟所获取数据量的增长速度远大于网络带宽传输速度的增长，同时随着移动计算平台，如笔记本电脑、平板电脑和智能手机的计算能力的提升，远程可视化技术将变得越来越重要，具有广阔的应用前景。目前，服务器端一般都配备具有强大的图形处能力的超级计算机或工作站，客户端个人计算机的性能也在逐步提升，具有一定的计算能力，因而网络带宽成为制约远程可视化重要瓶颈。在给定网络带宽条件下，要提高数据的网络传输速度，关键是寻求一种高效的数据压缩方法，能够实现对大量数据的快速压缩，并达到较高的压缩比。且在获得较高压缩比数据以后，能够保证客户端重绘场景的质量。I)三维动态数据的压缩在传统远程可视化方法中，网络带宽的限制会降低传输的数据质量。为了能快快速获取远程数据，远程可视化最重要的工作之一就是在服务器端对大量可视化数据进行快速紧密压缩，并保证在客户端重构时没有图像的扭曲。目前有少量的方法可实现考虑时间的动态数据的简单压缩。Sattler等和Shlafman等提出的自动网格分割以及Alexa等用于刚体和Karni等用于柔性物体的主成分分析，可有效实现包含时间的动画序列的压缩。许多非网格分割方法，如=Guskov等提出的小波和Woodring等提出的傅里叶压缩，通过顶点周围点在上一帧和当前帧的空间位置预测顶点的新空间位置，从而实现对随时间变化的数据的压缩，但压缩比有待提高。Liao等和Rosen等可实现对采样点运动轨迹的简单压缩，但压缩效率较慢。为了实现考虑时空连续性的动态数据的快速紧密压缩，本发明提出一种基于屏幕空间的动态数据的压缩方法，同时考虑压缩时的压缩效率和压缩比。2)三维网格的平滑处理方法现阶段，用多边形网格来描述场景中几何形体的技术己日渐成熟。并且随着多媒体技术的日益进步，人们能够方便地获得上百万的海量数据点，但同时人们对于三维图形可视化质量的要求也越来越高。通过这些海量数据点得到的三角网格模型不可避免的存在各种噪音和扰动，这些噪音和扰动可能来源于原始模型的一些尖锐特征，小洞或是高曲率等因素。这种不规则的网格模型十分不利于显示，传输等后续操作。为了能够更加准确和有效地处理三维离散采样数据，必须对其进行平滑处理。因此，如何在既保持模型本身的几何结构特征又满足一定的去噪要求的条件下，对三维网格模型进行平滑己成为目前计算机图形学中的一个重要问题。目前，网格模型平滑算法主要分为两大类:Field等和Li Guangming等提出的拉普拉斯平滑法和Desbrun等提出的平均曲率平滑法。Field等和Li Guangming等提出拉普拉斯平滑算法通过将网格顶点移动到其邻域顶点的平均处进行平滑操作，能够有效地调整所有的网格至规则形状，但对于网格分布不均匀和含有大量不规则三角片的模型，这种均一化的调整往往会导致原始模型的大范围变形。Desbrun等提出的平均曲率平滑法将网格上每点的法矢方向按照该点平均曲率大小移动来调整网格顶点，取得了较好的平滑效果，但是调整后的模型却无法控制网格形状，极易产生大量的不规则三角片。二维图像中的去噪技术，如Yagou等提出的均值滤波、Fleishman等提出的双向滤波和Zhang等提出的基于偏微分方程的思想也被应用到三维网格平滑方法中，取得了不错效果。以上方法均是对静态模型的平滑处理方法，本发明提出一种对相邻刚体过渡区域的平滑处理方法，实现对动态数据的平滑。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:基于图像空间的动态数据的快速紧密压缩，降低网络带宽的限制，提高大量动态数据的网络传输速度。对相邻刚体过渡区域的平滑处理方法，消除压缩比过大时相邻刚体之间的裂缝，保证客户端重构场景的绘制质量，使得服务器端可以传输较大压缩比时的动态数据。本发明解决上述技术问题采用的技术方案为:一种基于图像空间的三维动态数据压缩和平滑方法，该方法包括如下步骤:步骤(I)、基于图像空间的三维动态数据压缩:计算图像中采样点在一定时间间隔内的运动轨迹的空间位置，然后对采样点的运动轨迹进行聚类压缩，将具体有相似运动轨迹的采样点聚为一类；首先计算当前视点下采样点在N帧不同时刻的空间位置，然后以四个像素点为一组构造小刚体，采用并查集方法对构造好的小刚体进行合并，并将不能构造成刚体的采样点向合并后的刚体中合并，对不能合并的散点的运动轨迹进行压缩；步骤(2)、对相邻刚体的过渡区域进行平滑处理:首先查找刚体的边界，并确定刚体的过渡区域，然后通过对刚体过渡区域采样点取其周围一定范围内采样点空间位置平均值，实现对刚体过渡区域采样点的平滑处理；消除压缩比过大时相邻刚体之间的裂缝，保证客户端重构场景的绘制质量。所述的步骤(2)在图像空间构造小刚体以及进行刚体合并时，设置的误差阈值ε越大，则最终合并得到的刚体数量越少，即能够合并到一个刚体中的采样点数目越多，得到的动态数据的压缩比越大；但压缩比过大时，相邻刚体之间会出现视觉上的裂缝；提出对相邻刚体过渡区域的平滑处理方法，消除传输数据压缩比过大时相邻刚体之间的裂缝，保证客户端重构场景的绘制质量，使得服务器端可以传输较大压缩比时的动态数据。本发明与现有技术相比的优点在于:(I)、由于传统交互式三维图形可视化方法中，每当客户端视点参数改变，服务器端需要重新绘制和传输一幅新视点下的图像，客户端视点变化频繁导致过大的数据传输量成为瓶颈，本发明在服务器端基于图像空间对投影后的采样点进行压缩:首先计算图像中采样点在一定时间间隔内的空间位置(运动轨迹)，然后对运动轨迹进行聚类压缩，从而极大提高数据压缩比。在客户端对相邻刚体过渡区域进行平滑处理，消除压缩比过大时相邻刚体之间的裂缝，保证客户端重构场景的绘制质量，从而使得服务器端可以传输较大压缩比时的动态数据。(2)、本发明采样点运动轨迹的压缩在图像空间完成，较好的利用了 GPU并行计算特点，实现三维动态场景数据的快速紧密压缩，降低了网络带宽的限制。
图1为算法整体流程图；图2为计算采样点3D空间位置示意图；图3为小刚体构造示意图；图4为求刚体运动矩阵步骤示意图；图5为基于并查集的小刚体合并算法示意图；图6为散点压缩过程不意图；图7为不同误差阈值下的压缩效果图，图7(a)中ε =IOmm,图7 (b)中ε =50mm,图7(c)中 ε =IOOmm,图 7 (d)中 ε =200mm ；图8为第45巾贞误差阈值为200mm时平滑前后效果对比图，图8 (a)为平滑前效果，图8(b)为平滑后效果。
具体实施例方式本发明的图像空间的三维动态数据压缩方法具体如下:( I)计算采样点的运动轨迹由于传输的是三维动态模拟场景，因此原始场景中所有模型顶点的运动轨迹是已知的。而本发明算法是对在不同视点下模型像素点(采样点)的运动轨迹进行压缩传输，在客户端依据采样点的运动轨迹及连接信息重构三维动态场景，因此首先要计算出采样点(模型像素点)的运动轨迹。假如传输N帧的运动场景，已知场景中某模型三角面片的三个顶点Atl, A1, A2,如图2所示，采样点S为此三角形在某视点投影后所包含的一个像素点，无论此三角形如何变化，S相对于这三角形三个顶点的α，β，Y是始终不会发生变化的，在t时刻存在下面的关系:
1-V(Z) = A^(J).a 十 A1(J)./] + A1(I)V^O1(I)
[α + β + γ = I由于场景中所有模型顶点的运动轨迹是已知，因此只要求得采样点S相对于其所在三角面片三个顶点的α，β，Y，即可求得其在所传输N帧时间范围内的每一帧的空间位置。采样点S在t时刻的空间位置，依据其依据纹理坐标和深度值即可求得S(t)。而AQ(t)、AJt) A2 (t)已知，因此依据公式(I)即可求出S相对于其所在三角面片三个顶点的α，β，Y，从而求得采样点S在N帧不同时刻的空间位置，即在N帧内的运动轨迹。(2)构造小刚体如图3左图所示，对采样得到图片中的像素点(采样点)，按照从左到右、从上到下的顺序，每四个像素点为一组，如果其中某三个像素经过判定可以构成刚体，则进行刚体的构造，并判断剩余点是否合一合并到该刚体内。如图3右图所示，假定有采样组M(i, j，k，w),依次判断％(;[，j，w)，M2(i, j，k)，M3(i，k，w)和 M4(j，k，w)是否能构成刚体。假如判断到M2时能构成刚体，则停止判断，求刚体M2在N帧内每一帧的运动矩阵，然后判断剩余的采样点w是否能合并到刚体M2中。选取M(i，j,k, w)中的M2(i，j，k)为例，给出刚体判定和构造刚体的伪代码:
权利要求
1.一种基于图像空间的三维动态数据压缩和平滑方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 步骤(I)、基于图像空间的三维动态数据压缩: 计算图像中采样点在一定时间间隔内的运动轨迹的空间位置，然后对采样点的运动轨迹进行聚类压缩，将具体有相似运动轨迹的采样点聚为一类； 首先计算当前视点下采样点在N帧不同时刻的空间位置，然后以四个像素点为一组构造小刚体，采用并查集方法对构造好的小刚体进行合并，并将不能构造成刚体的采样点向合并后的刚体中合并，对不能合并的散点的运动轨迹进行压缩； 步骤(2)、对相邻刚体的过渡区域进行平滑处理: 首先查找刚体的边界，并确定刚体的过渡区域，然后通过对刚体过渡区域采样点取其周围一定范围内采样点空间位置平均值，实现对刚体过渡区域采样点的平滑处理；消除压缩比过大时相邻刚体之间的裂缝，保证客户端重构场景的绘制质量。
2.根据权利要求1所述的基于图像空间的三维动态数据压缩和平滑方法，其特征在于，步骤(2)在图像空间构造小刚体以及进行刚体合并时，设置的误差阈值ε越大，则最终合并得到的刚体数量越少，即能够合并到一个刚体中的采样点数目越多，得到的动态数据的压缩比越大；但压缩比过大时，相邻刚体之间会出现视觉上的裂缝；提出对相邻刚体过渡区域的平滑处理方法，消除传输数据压缩比过大时相邻刚体之间的裂缝，保证客户端重构场景的绘制质量，使得服务器端可以传输较大压缩比时的动态数据。
全文摘要
本发明提出一种基于图像空间的三维动态数据压缩和平滑方法，在服务器端基于图像空间对投影后的采样点进行压缩首先计算图像中采样点在一定时间间隔内的空间位置，然后对运动轨迹进行聚类压缩，极大提高数据压缩比。在客户端对相邻刚体过渡区域进行平滑处理，消除压缩比过大时相邻刚体之间的裂缝，从而使得服务器端可以传输较大压缩比时的动态数据。传统交互式三维图形可视化方法中，每当客户端视点参数改变，服务器端需要重新绘制和传输一幅新视点下的图像，客户端视点变化频繁导致过大的数据传输量，本发明采样点运动轨迹的压缩在图像空间完成，较好的利用了GPU并行计算特点，实现三维动态场景数据的快速紧密压缩，降低了网络带宽的限制。
文档编号H04N7/26GK103116897SQ20131002376
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者赵沁平, 马志强, 王莉莉, 张鑫维 申请人:北京航空航天大学