基于圖像的三維模型構(gòu)成方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于圖像的三維模型構(gòu)成方法，該方法包括：基于圖像的三維模型的表示方法：在包圍物體的外球面上均勻選擇合適數(shù)量的頂點，以每個頂點位置為相機的坐標(biāo)，以球心位置為相機的目標(biāo)點，獲得三維物體在每個相機視角下的彩色圖像與深度圖像，通過彩色圖像與深度圖像，以及與之關(guān)聯(lián)的相機參數(shù)來表示三維模型；基于圖像的三維模型的獲取方法：根據(jù)實際應(yīng)用的需求確定三維模型的細(xì)節(jié)層級(LOD,level?of?details)，根據(jù)LOD對包圍三維物體的球面進行三角劃分，采用三角逼近的方法構(gòu)造一個以三角形為基本形的球內(nèi)接多面體，以多面體的每個頂點為相機位置，以球心為相機目標(biāo)點位置，獲得物體在此采樣點下的深度圖像與彩色圖像，由深度圖像、彩色圖像和相機參數(shù)一起構(gòu)成該物體的三維模型。
【專利說明】基于圖像的三維模型構(gòu)成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維模型的建模的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于圖像的三維模型構(gòu)成方法，主要用于復(fù)雜物體三維模型的獲取與表示。
【背景技術(shù)】
[0002]三維模型表示是圖形學(xué)中的基礎(chǔ)性工作，模型的表示方法決定了模型的繪制和處理方法。在圖形學(xué)中已經(jīng)開發(fā)出多種三維模型表示的方法，針對具體問題而言，這些方法各有優(yōu)劣。大致可以將這些表示方法分為三類:幾何表示、點云表示和混合表示。幾何表示即用基本的幾何體來表示物體的表面或是物體實體，點云表示即通過對物體表面進行采樣得到表示物體表面的點云數(shù)據(jù)來表示物體，混合表示將這兩種方法相結(jié)合，在一個模型中既有幾何表示的部分，也有點云表示的部分。
[0003]幾何表示:
[0004]幾何表示是模型表示中最常用的一種方式。包含有多邊形、樣條、實體幾何、過程建模和隱函數(shù)曲面等多種方式。現(xiàn)就這些方式的特點描述如下:
[0005]多邊形表示即使用一組包圍對象內(nèi)部的表面多邊形表示物體，多邊形表示能簡化并加速對象的表面繪制和顯示。樣條曲線指由多項式曲線段連接而成的曲線，在每段的邊界處滿足特定的連續(xù)性條件，樣條曲線是可控的曲線，在設(shè)計中運用點、線段的空間位置不同而得到不同的效果，樣條曲面(spline surface)可以使用兩組正交樣條曲線進行描述。實體建模是使用集合操作來組合兩個三維對象，通過兩個指定對象間的并、交或差等操作生成一個新對象，在構(gòu)造實體時，選擇兩個或多個基本圖元，然后制定一個操作(并、交或差)就可創(chuàng)建一個新對象。對于不規(guī)則或粗糙的自然景物，通常使用分形幾何方法(fractal-geometry method)來描述,這種方式屬于過程建模,通過對一個空間區(qū)域內(nèi)各點重復(fù)使用指定的變換函數(shù)，可以生成一個分形對象。
[0006]點云表不:
[0007]隨著三維掃描設(shè)備成本的不斷降低，對三維物體直接建模也越來越常見。這種建模利用三維掃描儀掃描得到物體表面的數(shù)據(jù)(如形狀和表面顏色等)，用這種數(shù)據(jù)表示物體，在圖形學(xué)中稱為物體的點云表示。點云繪制概念簡單，處理方便，但對圖形硬件的像素填充率要求較高，同時需要解決繪制時的空洞和走樣等，而且離真實感繪制還有一定距離。在地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)中點云是地表數(shù)字進化模型的來源之一，點云也被用來產(chǎn)生城市環(huán)境的三維模型。
[0008]混合表不:
[0009]混合表不是將基于幾何表不和點云表不相結(jié)合的一種綜合表不方法。這種方法吸取了兩者的優(yōu)點，通常的做法有兩種:一是用點云表示模型外部構(gòu)造，而用幾何表示作為模型的內(nèi)部構(gòu)造。二是根據(jù)視點與模型的距離來選擇使用的模型:當(dāng)視點距離模型較遠(yuǎn)時選擇點云模型以加速模型繪制，當(dāng)視點與模型距離近時選擇幾何模型來表達模型的細(xì)節(jié)。通常以點云構(gòu)造的模型作為輸入數(shù)據(jù)，在計算機內(nèi)部轉(zhuǎn)換為幾何表示的內(nèi)部數(shù)據(jù)(或幾何數(shù)據(jù)庫)，同時也保留了點云構(gòu)造模型的數(shù)據(jù)。這樣，二者的信息互補，并確保幾何模型信息的完整性和精確性。
[0010]現(xiàn)有的三維模型的建模方法存在如下缺點:在幾何表示中，多邊形表示是最常見的方法，這種方法需要專業(yè)人員在三維建模軟件中進行建模，建模方法時間長，隨著建模對象復(fù)雜度增加建模會變得越來越困難，后期的真實感渲染將會消耗大量時間。樣條適合用于設(shè)計曲線和曲面的形狀，以及圖形數(shù)字化和指定場景中對象的動畫路徑或照相機位置，這種方法也僅適合于簡單物體的建模。分形方法適合描述樹、海岸線等自然景物，但要求形狀變化符合一定規(guī)律，并對分形的數(shù)學(xué)過程要有透徹的了解。點云表示可以對復(fù)雜模型進行精確的描述，但預(yù)處理過程復(fù)雜，點云繪制對圖形硬件的像素填充率要求較高，繪制效果的逼真性不夠好，點云模型表示三維對象常常需要利用原始采樣點插值逼近原模型細(xì)節(jié)，而且對于物體中大的平面表示效率較低?；旌戏椒ňC合了幾何表示和點云表示的優(yōu)點，能夠根據(jù)實際情況自動選擇模型的表示方式，但是這種方法需要對模型進行預(yù)處理，這種處理增加了時間消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于圖像的三維模型構(gòu)成方法，其包含以下步驟:
[0012](I)基于圖像的三維模型的表示方法:
[0013]具體在包圍物體的外球面上均勻選擇合適數(shù)量的頂點，以每個頂點位置為相機的坐標(biāo)，以球心位置為相機的目標(biāo)點，獲得三維物體在每個相機視角下的彩色圖像與深度圖像，通過彩色圖像與深度圖像，以及與之關(guān)聯(lián)的相機參數(shù)來表示三維模型；三維模型M用一個二元組< K, V >表示,其中K是一單純復(fù)形,表示了采樣點的連接關(guān)系；v表示采樣點的集合，V = (Vi I i = I, 2, 3...1 Vl I}, IV表示采樣點的個數(shù)；Vi = (Ci, di, Pi)表示第i個采樣點，Ci和Cli分別表示第i個采樣點彩色圖像和深度圖像，Pi表示了第i個采樣點相機參數(shù)；
[0014](2)基于圖像的三維模型獲取方法:
[0015]根據(jù)權(quán)利要求1，對包圍三維物體的球面，采用三角逼近的方法構(gòu)造一個以三角形為基本形的球內(nèi)接多面體，以多面體的每個頂點位置為相機坐標(biāo)位置，以球心為相機的目標(biāo)點位置，獲得三維物體在每個相機視角下的彩色圖像與深度圖像，由深度圖像、彩色圖像，以及與之關(guān)聯(lián)的相機參數(shù)一起構(gòu)成該物體的三維模型。
[0016]其中，基于圖像的三維模型的表示方法中，采樣點圖像中的每一個像素根據(jù)深度值和相機參數(shù)能夠映射到三維空間中的一個點，圖像信息和相機參數(shù)信息相結(jié)合實質(zhì)上等價于物體表面頂點集合的位置信息，不同采樣點的圖像與相機參數(shù)一起描述了物體的三維特征。
[0017]其中，引入LOD(Level of Details)的概念，根據(jù)實際應(yīng)用對于模型細(xì)節(jié)的要求，確定球面三角逼近的層級，從而獲取具有不同層次細(xì)節(jié)和采樣點數(shù)量的模型。
[0018]與傳統(tǒng)方法相比，此發(fā)明所提出的基于圖像的復(fù)雜三維模型構(gòu)成方法的優(yōu)點如下:
[0019]1.在建模的過程中引入了 LOD概念，能夠根據(jù)應(yīng)用需求確定模型的細(xì)節(jié)等級，減少不必要的建模開銷。
[0020]2.有兩種獲取模型的方式，既可以采用實際相機拍攝的方法直接獲取模型，又可以通過軟件渲染的方式將已有的模型轉(zhuǎn)化為本發(fā)明所提出的模型表示形式。
[0021]3.本發(fā)明提出了一種穩(wěn)定的三維模型建模方法，建模的復(fù)雜程度與被建模物體的幾何外觀無關(guān)，尤其適合于復(fù)雜物體的建模。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明所采用的流程圖；
[0023]圖2為本發(fā)明中三維模型數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)；
[0024]圖3為不同LOD分級采樣點的數(shù)量與位置；
[0025]圖4為物理坐標(biāo)到像素坐標(biāo)的映射過程與其逆過程；
[0026]圖5為使用實際相機采集到的彩色圖像(圖中是該彩色圖像的灰度圖示意圖)示意圖。
[0027]圖6為使用實際相機采集到的深度圖像；
[0028]圖7為待求視角與最近的三個采樣點的位置關(guān)系；
[0029]圖8為使用三維軟件中的虛擬相機采集到的彩色圖像(圖中是該彩色圖像的灰度圖不意圖)和深度圖像不意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖以及具體實施例進一步說明本發(fā)明。
[0031]一種基于圖像的復(fù)雜三維模型的構(gòu)成方法，將物體三維模型由三維空間映射到由相機視角參數(shù)和相機視角下的深度圖、彩色圖組成的高維空間，用高維空間中的若干個采樣點的組合來表示物體。首先，根據(jù)實際應(yīng)用對于模型細(xì)節(jié)的要求進行LOD分級，根據(jù)LOD確定用于物體建模的采樣點數(shù)量；其次，每個采樣點對應(yīng)一個相機視角及通過該視角獲取的物體的深度圖像和彩色圖像，相機視角由相機位置、相機目標(biāo)位置、相機焦距等相機參數(shù)組成；再者，根據(jù)每個采樣點相機視角的參數(shù)和深度信息，可將每個彩色圖像中的像素映射到三維空間中，在給定相機位置、目標(biāo)位置和參數(shù)的情況下，通過將采樣點圖像中的像素從三維空間映射到這個相機視角下的方法，即可得到在這個相機視角下的圖像，這樣實現(xiàn)了由相機視角參數(shù)和彩色圖像、深度圖像表示物體的三維模型的目的。具體實施如下:
[0032]1.基于圖像的三維模型獲取方法
[0033]1.1進行LOD分級
[0034]不同的實際應(yīng)用對于模型的細(xì)節(jié)有著不同的要求。在本發(fā)明中引入了 LOD的概念。根據(jù)采樣點的個數(shù)分為5個層級，從Levell (層級I)到Level5(層級5)分別有12、42、92,162,252個采樣點，考慮到物體幾何外觀的復(fù)雜性，采樣點越多，物體的細(xì)節(jié)被采集到的可能性越大，最終的模型精細(xì)程度越高，但是建模的空間復(fù)雜度與時間復(fù)雜度越大。Levell到Leve15采樣點的分布如圖2所示。
[0035]I.2確定采樣點坐標(biāo)
[0036]在采樣點數(shù)量一定的情況下，為了保證盡可能的不遺漏細(xì)節(jié)信息，本發(fā)明將采樣點均勻的分布在包圍物體的球體的表面上，在采樣點上架設(shè)相機并獲得深度圖像與彩色圖像。設(shè)球面上有η個均勻分布的釆樣點V，球心坐標(biāo)為坐標(biāo)系原點，第i個釆樣點Vi的球面坐標(biāo)為Pci = (r，θ-- Φ》，則有以下關(guān)系:
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種基于圖像的三維模型構(gòu)成方法，其特征是包含以下步驟: (1)基于圖像的三維模型的表示方法: 在包圍物體的外球面上均勻選擇合適數(shù)量的頂點，以每個頂點位置為相機的坐標(biāo)，以球心位置為相機的目標(biāo)點，獲得三維物體在每個相機視角下的彩色圖像與深度圖像，通過彩色圖像與深度圖像，以及與之關(guān)聯(lián)的相機參數(shù)來表示三維模型；三維模型M用一個二元組< K, V >表示,其中K是一單純復(fù)形,表示了采樣點的連接關(guān)系；V表示采樣點的集合，V=(Vi I i = I, 2...1 Vl I}, IV表示采樣點的個數(shù)；Vi = (Ci, di, Pi)表示第i個采樣點，Ci和Cli分別表示第i個采樣點彩色圖像和深度圖像，Pi表示了第i個采樣點相機參數(shù)； (2)基于圖像的三維模型獲取方法: 對包圍三維物體的球面，采用三角逼近的方法構(gòu)造一個以三角形為基本形的球內(nèi)接多面體，以多面體的每個頂點位置為相機坐標(biāo)位置，以球心為相機的目標(biāo)點位置，獲得三維物體在每個相機視角下的彩色圖像與深度圖像，由深度圖像、彩色圖像，以及與之關(guān)聯(lián)的相機參數(shù)一起構(gòu)成該物體的三維模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像的三維模型構(gòu)成方法，其特征是:所述的基于圖像的三維模型的表示方法中，采樣點圖像中的每一個像素根據(jù)深度值和相機參數(shù)能夠映射到三維空間中的一個點，圖像信息和相機參數(shù)信息相結(jié)合實質(zhì)上等價于物體表面頂點集合的位置信息，不同采樣點的圖像與相機參數(shù)一起描述了物體的三維特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像的三維模型構(gòu)成方法，其特征是:所述的基于圖像的三維模型的獲取方法中，引入LOD(Level of Details)的概念，根據(jù)實際應(yīng)用對于模型細(xì)節(jié)的要求，確定球面三角逼近的層級，從而獲取具有不同層次細(xì)節(jié)和采樣點數(shù)量的模型。
【文檔編號】G06T17/00GK103500467SQ201310497267
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】向開兵, 郝愛民, 吳偉和, 李帥, 王德志 申請人:深圳市易尚展示股份有限公司, 北京航空航天大學(xué)