專利名稱：一種基于幾何圖像的三維網(wǎng)格模型錯誤保護(hù)編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維網(wǎng)格模型的編碼技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及到誤碼率較高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)用中的三維網(wǎng)格模型的錯誤保護(hù)編碼方法。
背景技術(shù)：
在普適計算環(huán)境下，無線信道是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕?。與有線信道相比，無線信道不僅噪聲大，而且具有多徑和陰影衰落，誤碼率高達(dá)10_3-10_5 (有線信道的誤碼率一般在 10_6以下)。高誤碼率嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，因此，三維模型編碼是否具有很強的抗誤碼能力是確保三維模型數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量OioS =Quality of Service)的關(guān)鍵之一。三維網(wǎng)格模型通常由成千上萬頂點和三角形組成，具有復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在普適計算環(huán)境下，為了節(jié)省寶貴的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，需要對三維網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。由于預(yù)測編碼和不定長熵編碼等壓縮編碼方案的使用，三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)壓縮效率越高，其壓縮比特流對傳輸錯誤越敏感。隨機或突發(fā)的傳輸錯誤一旦發(fā)生，很可能在壓縮編碼數(shù)據(jù)中快速地傳播，造成嚴(yán)重的錯誤蔓延。目前，關(guān)于改善三維網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)誤碼彈性的研究很少。提高三角網(wǎng)格模型誤碼彈性所采用的方法主要是通過網(wǎng)格分片或分層等數(shù)據(jù)分割機制來阻止傳輸錯誤的蔓延。 如白適應(yīng)的網(wǎng)格分割編碼等。受限于三維模型不規(guī)則的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些方法不僅操作較復(fù)雜，對誤碼彈性的改善效果也不能令人滿意。三維網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)定義在二維流形上，傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理技術(shù)不易直接應(yīng)用， 數(shù)據(jù)壓縮效率不高，數(shù)據(jù)分片等操作復(fù)雜。同時三維網(wǎng)格模型因其不規(guī)則的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 對于傳輸錯誤非常敏感，即使出現(xiàn)很小的傳輸錯誤，也有可能無法維持二維流形表面全局一致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整個模型的傳輸失敗。因此，建立三維網(wǎng)格模型與二維圖像之間的聯(lián)系對于三維模型壓縮傳輸?shù)腻e誤保護(hù)編碼具有非常重要的意義，它意味著三維模型的所有屬性可以轉(zhuǎn)化為規(guī)則采樣的平面信號，從而徹底擺脫拓?fù)溥B接信息的束縛，并可直接運用正交分析工具對這些信號做分析處理。為解決上述三維網(wǎng)格模型編碼難題，本發(fā)明提出了一種基于幾何圖像的三維網(wǎng)格模型錯誤保護(hù)編碼方法。取得了編碼效率和錯誤彈性之間的平衡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方法通過提出了一種針對任意三維網(wǎng)格模型的均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化方法，可建立任意拓?fù)涞娜S網(wǎng)格模型與平面參數(shù)域之間的均勻準(zhǔn)保角映射。再對參數(shù)域規(guī)則采樣，即可將三維模型幾何位置信息轉(zhuǎn)化為規(guī)則采樣的平面信號。均勻準(zhǔn)保角映射保證了規(guī)則采樣的平面信號忠實地記錄了三維網(wǎng)格模型的表面幾何信息，克服了創(chuàng)建三維模型規(guī)則采樣數(shù)據(jù)的瓶頸。得到三維網(wǎng)格模型的規(guī)則采樣數(shù)據(jù)后，結(jié)合其自身特點并借鑒壓縮視頻流抗誤碼編碼技術(shù)，本文給出了基于錯誤保護(hù)的壓縮編碼方法，取得了編碼效率和錯誤彈性之間的平衡。為達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于幾何圖像的三維網(wǎng)格模型錯誤保護(hù)編碼方法，其中的三維網(wǎng)格模型本文采用的是三角網(wǎng)格模型，該方法包含以下部分幾何圖像的構(gòu)造，主要包括以下幾個步驟(1)首先在初始三角網(wǎng)格模型上隨機選取一個非邊界的種子三角形，將其保長映射(完全無變形)到平面；(2)從該種子三角形出發(fā)，依據(jù)局部幾何變形度量，每次選取一個變形最小的相鄰三角形展平，展平時保證所有三角形不重疊；(3)重復(fù)步驟( 直到所有相鄰三角形引入的參數(shù)化變形均大于預(yù)設(shè)值，停止對該種子三角形及其領(lǐng)域進(jìn)行的展平操作；(4)重新隨機選取種子三角形進(jìn)行新一輪的展平，每一次展平操作就生成一個新的準(zhǔn)可展面片(即參數(shù)化變形在某控制范圍內(nèi)的面片)，直至初始三角網(wǎng)格模型全部展平完畢。(5)根據(jù)需要確定采樣密度，對均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化結(jié)果進(jìn)行均勻采樣；(6)對于每個有效采樣點，根據(jù)其所落入三角形的三個頂點的三維坐標(biāo)值和該采樣點對應(yīng)的重心坐標(biāo)計算采樣點的三維坐標(biāo)；(7)將采樣點對應(yīng)的三維坐標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化到
區(qū)域；當(dāng)幾何圖像構(gòu)造完成后，在對其進(jìn)行基于錯誤保護(hù)的編碼，從而得到兼顧存儲優(yōu)化和扛誤碼性的編碼結(jié)果。編碼過程可分成以下幾個步驟(1)將幾何圖像劃分為8X8的數(shù)據(jù)小塊；(2)剔除純背景數(shù)據(jù)塊；(3)對圖像做分塊DCT變換，對切割路徑、塊系數(shù)和支流系數(shù)采用定長編碼，對交流系數(shù)霍夫曼編碼；本發(fā)明的技術(shù)特點主要體現(xiàn)如下1、本方法提出的均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化方法對模型做低誤差的參數(shù)化處理，三維模型的幾何信息可被均勻的采樣，并進(jìn)一步編碼為二維圖像的方式。隨著其不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)消除，模型數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性大大降低，同時相關(guān)性增強。因此這種編碼的三維模型數(shù)據(jù)，其誤碼彈性可得到根本改善。2、為了節(jié)省普適計算環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，進(jìn)一步提高編碼效率，本方法還給出了基于錯誤保護(hù)的壓縮編碼方案，取得了編碼效率和誤碼彈性之間的較好平衡。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖；圖2為本發(fā)明實施例的流程示意圖；圖3為本發(fā)明實施例的編碼效果圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明方法提出基于幾何圖像的三維網(wǎng)格模型錯誤保護(hù)編碼方法，主要的流程如下(1)對已有的網(wǎng)格模型實施均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化；( 對網(wǎng)格模型的均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化結(jié)果均勻采樣，構(gòu)造幾何圖像；(3)對幾何圖像數(shù)據(jù)和切割路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行錯誤保護(hù)壓縮編碼；(4)根據(jù)幾何圖像數(shù)據(jù)和切割路徑數(shù)據(jù)恢復(fù)三維網(wǎng)格模型。具體如圖1所示。其中，一種均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化方法，是為了盡量降低并控制參數(shù)化變形。三角網(wǎng)格模型的均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化步驟如下首先在初始三角網(wǎng)格模型上隨機選取一個非邊界的種子三角形，將其保長映射(完全無變形)到平面；然后從該三角形出發(fā)，依據(jù)本文提出的局部幾何變形度量，每次選取一個變形最小的相鄰三角形展平，展平時保證所有三角形不重疊，直到所有相鄰三角形引入的參數(shù)化變形均大于預(yù)設(shè)值；再重新隨機選取種子三角形進(jìn)行新一輪的展平，這樣每一次展平操作就生成一個新的準(zhǔn)可展面片(即參數(shù)化變形在某控制范圍內(nèi)的面片)。衡量局部三角形參數(shù)化變形程度時，假定T為原始三角網(wǎng)格模型上的一個三角形，T'為其二維平面上對應(yīng)的映射，Ymax和Ymin為仿射變換Jacobi矩陣的最大和最小特征值，對應(yīng)于原始平面上的不同位置單位長度在仿射變換之后長度的最大值和最小值?？紤]到從種子三角形開始的映射是保長的，S卩Ymax與Ymin值同為1，與其相鄰的三角形均有一條邊保持原長，因此，相鄰三角形若越近似于保角映射則局部三角形面積和角度的綜合參數(shù)化變形越小。以此類推，在隨后的展平過程中，每一次都是選取參數(shù)化變形最小且未超出預(yù)定閾值的相鄰三角形展平，對整個展平區(qū)域的映射可視為準(zhǔn)保長，因此，仍可近似認(rèn)為所有相鄰三角形中映射越接近于保角映射，其綜合參數(shù)化變形越小。定義局部三角形參數(shù)化變形為D(T，T' ) = Yfflax/Yfflin-I當(dāng)且僅當(dāng)Ymax等于Ymin時，由T到T'的映射為保角映射。采用這種參數(shù)化變形度量方法，可更好的控制整體參數(shù)化誤差，保證每一步展開操作后得到準(zhǔn)可展面片。均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化方法的主要優(yōu)勢如下首先適用于任意拓?fù)涞娜S模型； 其次模型的分割與參數(shù)化同時進(jìn)行，既簡單又快速，具有很高的運算效率；同時可確保平面參數(shù)化變形較低，通過改變閾值大小，還可以根據(jù)需要靈活地控制精度。假定M是初始的三角網(wǎng)格模型，D是三角網(wǎng)格模型局部分割展平后對應(yīng)的平面參數(shù)域，參數(shù)化函數(shù)Φ給出從參數(shù)域D到三角網(wǎng)格模型M的分片線性映射。在參數(shù)域D上按均勻的間隔沿直線取mXn個采樣格點，根據(jù)參數(shù)化函數(shù)Φ可計算出這些采樣格點在初始三維網(wǎng)格模型上對應(yīng)的幾何信息，把規(guī)則采樣格點的幾何信息按照圖像的格式儲存(用三維坐標(biāo)代替RGB分量)，即可將三維模型規(guī)則采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為幾何圖像。在重構(gòu)時基于切割邊界的三維坐標(biāo)信息和網(wǎng)格邊的邊界三維坐標(biāo)信息，對網(wǎng)格片進(jìn)行縫合處理，得到與初始網(wǎng)格拓?fù)湟恢碌闹貥?gòu)網(wǎng)格。上述過程可通過圖2中的流程圖來表示。圖3為本發(fā)明方法的編碼效果圖，其中(a)為輸入的原始三維網(wǎng)格模型；(b)為其對應(yīng)的平面參數(shù)化結(jié)果；(C)為其對應(yīng)的幾何圖像；(d)為根據(jù)幾何圖像和切割路徑重構(gòu)的規(guī)則采樣網(wǎng)格模型。 通過本發(fā)明能夠解決三角網(wǎng)格模型不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對于傳輸錯誤非常敏感的問題，隨著不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)消除，模型數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性大大降低，同時相關(guān)性增強。因此這種編碼的三維模型數(shù)據(jù)，其誤碼彈性可得到根本改善。為了節(jié)省普適計算環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，本方法還給出了基于錯誤保護(hù)的壓縮編碼方案，取得了編碼效率和誤碼彈性之間的較好平衡。
權(quán)利要求
1.一種基于幾何圖像的三維網(wǎng)格模型錯誤保護(hù)編碼方法，其特征在于，減少網(wǎng)格模型存儲空間的同時提高三維網(wǎng)格模型編碼的誤碼能力，該方法包含以下步驟51、對已有的網(wǎng)格模型實施均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化；52、對網(wǎng)格模型的均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化結(jié)果均勻采樣，構(gòu)造幾何圖像；53、對幾何圖像數(shù)據(jù)和切割路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行錯誤保護(hù)壓縮編碼；54、根據(jù)幾何圖像數(shù)據(jù)和切割路徑數(shù)據(jù)恢復(fù)三維網(wǎng)格模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法中的三維網(wǎng)格模型采用的是三角網(wǎng)格模型，所述的均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化，可用以下步驟實現(xiàn)511、首先在初始三角網(wǎng)格模型上隨機選取一個非邊界的種子三角形，將其完全無變形的保長映射到平面；512、從該種子三角形出發(fā)，依據(jù)局部幾何變形度量，每次選取一個變形最小的相鄰三角形展平，展平時保證所有三角形不重疊；513、重復(fù)步驟S12直到所有相鄰三角形引入的參數(shù)化變形均大于預(yù)設(shè)值，停止對該種子三角形及其領(lǐng)域進(jìn)行的展平操作；514、重新隨機選取種子三角形進(jìn)行新一輪的展平，每一次展平操作就生成一個新的準(zhǔn)可展面片，即參數(shù)化變形在某控制范圍內(nèi)的面片，直至初始三角網(wǎng)格模型全部展平完畢。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的構(gòu)造幾何圖像的步驟為521、根據(jù)需要確定采樣密度，對均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化結(jié)果進(jìn)行均勻采樣；522、對于每個有效采樣點，根據(jù)其所落入三角形的三個頂點的三維坐標(biāo)值和該采樣點對應(yīng)的重心坐標(biāo)計算采樣點的三維坐標(biāo)；523、將采樣點對應(yīng)的三維坐標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化到W，l]區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的對幾何圖像數(shù)據(jù)和切割路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行錯誤保護(hù)壓縮編碼的步驟為531、將幾何圖像劃分為8X8的數(shù)據(jù)小塊；532、剔除純背景數(shù)據(jù)塊；533、對圖像做分塊DCT變換，對切割路徑、塊系數(shù)和支流系數(shù)采用定長編碼，對交流系數(shù)霍夫曼編碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述的根據(jù)幾何圖像數(shù)據(jù)和切割路徑數(shù)據(jù)恢復(fù)三維網(wǎng)格模型的步驟為·541、將幾何圖像數(shù)據(jù)映射到三維空間，得到網(wǎng)格片；·542、將切割路徑數(shù)據(jù)映射到三維空間；·543、將分開的網(wǎng)格片的邊界點按照距離最近的原則映射到切割路徑上； S444、對邊界區(qū)域重新網(wǎng)格化，得到與輸入網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同的網(wǎng)格模型。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于幾何圖像的三維網(wǎng)格模型錯誤保護(hù)編碼方法。該方法通過均勻準(zhǔn)保角平面參數(shù)化方法，構(gòu)造幾何圖像，然后針對幾何圖像的特征進(jìn)行錯誤保護(hù)壓縮編碼。本方法能夠解決三角網(wǎng)格模型不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對于傳輸錯誤非常敏感的問題，隨著不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)消除，模型數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性大大降低，同時相關(guān)性增強。因此這種編碼的三維模型數(shù)據(jù)，其誤碼彈性可得到根本改善。為了節(jié)省普適計算環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，本方法還給出了基于錯誤保護(hù)的壓縮編碼方案，取得了編碼效率和誤碼彈性之間的較好平衡。
文檔編號H04N7/30GK102281440SQ20111016186
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者朱為鵬, 羅笑南 申請人:中山大學(xué)