一種適用于帶紋理模型的三維模型簡化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于帶紋理模型的三維模型簡化方法，其步驟為：1、獲取三維模型網(wǎng)格信息；2、自動標(biāo)記出可合并和不可合并的三角形；3、對可合并的三角形，計(jì)算其合并操作代價(jià)；4、確定合并操作代價(jià)最小的三角形，執(zhí)行合并操作，更新受影響的三角形合并操作代價(jià)；5、如果剩余三角形數(shù)目達(dá)到要求或者模型無法繼續(xù)簡化，轉(zhuǎn)步驟6，否則轉(zhuǎn)步驟4；6、簡化結(jié)束，輸出模型。紋理映射是模型視覺效果中很重要的一個(gè)部分,本發(fā)明提出了一種適用于帶紋理模型的三角形合并代價(jià)準(zhǔn)則，把三角形合并的二次誤差和紋理變化量度量結(jié)合起來作為三角形的合并代價(jià)，不僅考慮了幾何誤差，還考慮了紋理變化因素，在簡化的同時(shí)盡可能保持原模型的紋理映射效果,從而保證簡化前后模型視覺效果變化較小。
【專利說明】一種適用于帶紋理模型的三維模型簡化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于圖像處理領(lǐng)域，主要涉及到帶紋理的三維網(wǎng)格模型的簡化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速普及，以及用戶需求的提升，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?nèi)容逐步由靜態(tài)二維圖像向三維立體圖像轉(zhuǎn)變。為了能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸效率以及顯示速度，通常需要對三角形網(wǎng)格模型進(jìn)行簡化，用較少的三角形面片來構(gòu)成模型網(wǎng)格。
[0003]網(wǎng)格簡化方法一般可以分為以下四類:采樣、自適應(yīng)細(xì)分、刪除和頂點(diǎn)合并。其中，頂點(diǎn)合并方法的基本原理是將模型中的兩個(gè)或多個(gè)頂點(diǎn)收縮到一個(gè)頂點(diǎn)，通過合并頂點(diǎn)來減少三角形的個(gè)數(shù)，特點(diǎn)是方法清楚，易于實(shí)現(xiàn)，但是必須采用不同的策略來判斷按照什么順序進(jìn)行合并。由于頂點(diǎn)合并的簡單性和健壯性，它已經(jīng)成為三維模型網(wǎng)格簡化的主要方法。頂點(diǎn)合并根據(jù)合并元素的不同，分為:邊折疊、三角形折疊等。
[0004] 現(xiàn)有的網(wǎng)格簡化方法大部分都只度量簡化前后的幾何誤差，不考慮其他屬性，如法向量、紋理的變化。Garland提出了二次誤差測度的邊折疊算法。這種算法速度快，簡化模型質(zhì)量高，目前被廣泛引用和改進(jìn)。隨后，Garland在自己的工作基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種帶顏色和紋理的QEM邊折疊算法。Hoppe在該方法基礎(chǔ)上又進(jìn)行了改進(jìn)，修改了帶屬性的QEM，并加上了面積權(quán)重，取得了更好的效果。
[0005]前述現(xiàn)有的帶紋理的網(wǎng)格簡化方法都是基于邊折疊算法的，邊折疊算法在迭代過程中是以邊為單位進(jìn)行迭代排序的，應(yīng)用該方法有個(gè)隱含條件，即:法向量和紋理坐標(biāo)跟頂點(diǎn)是一一對應(yīng)的，頂點(diǎn)個(gè)數(shù)與法向量和紋理個(gè)數(shù)是一致的。邊折疊操作如圖2所示。V1的相鄰三角形有 5 個(gè),分別記為 V2 v3), b (V1 V3 v4), c (Vi V4 v5), (Kv1 V5 v6), e (V1 V6v2)。V1幾何坐標(biāo)記為(vlx, vly, vlz),在三角形a中的法向量記為(nlax, nlay, nlaz),在三角形a中的紋理坐標(biāo)記為(ulax，Ulay),在其他三角形中以此類推。如果不考慮法向量和紋理，在不同的三角形中V1的幾何坐標(biāo)保持一致。在應(yīng)用Garland邊折疊網(wǎng)格簡化方法時(shí)，V1坐標(biāo)為(vlx, vly, vlz)。如果需要考慮紋理，V1坐標(biāo)需要擴(kuò)展為(vlx, vly, vlz, ulx, Uly),如果需要考慮法向量，那么V1坐標(biāo)需要擴(kuò)展為(vlx，vly, vlz, nlx, nly, nlz)。如果法向量和紋理坐標(biāo)的索引是按三角形排列，即在不同的三角形中法向量和紋理坐標(biāo)的索引與頂點(diǎn)索引不一致，那么這里的Ulx和Uly可能無法取值，因?yàn)榭赡艹霈F(xiàn)Ulax Φ Ulbx Φ Ulcx關(guān)…。因此,如果應(yīng)用基于邊折疊的方法進(jìn)行帶紋理網(wǎng)格簡化，必須保證每個(gè)頂點(diǎn)只對應(yīng)一個(gè)法向量和紋理坐標(biāo)。那么，應(yīng)用Garland基于邊折疊方法進(jìn)行帶紋理網(wǎng)格簡化的前提條件是該三維網(wǎng)格模型法向量隊(duì)列、紋理隊(duì)列各自的長度與頂點(diǎn)隊(duì)列長度相同，且在每個(gè)三角形中，法向量和紋理的索引與三角形頂點(diǎn)索引保持一致。
[0006]但在實(shí)際應(yīng)用中，常常出現(xiàn)幾何坐標(biāo)與法向量和紋理坐標(biāo)不對應(yīng)的情況，即同一頂點(diǎn)在不同的三角形中可以應(yīng)用不同的法向量和不同的紋理坐標(biāo)。以表述三維網(wǎng)格模型的文件格式之一:0BJ文件格式為例，在該文件格式中，每個(gè)三角形都有9個(gè)索引值，按照a/uva/na/b/uvb/nb/c/uvc/nc格式排列,其中a, b, c代表三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)索引,uva, uvb, uvc代表三個(gè)頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)索引，na，nb,nc表示三個(gè)頂點(diǎn)的法向量索引，不同的隊(duì)列長度，不同的索引值，必然導(dǎo)致在不同三角形中頂點(diǎn)的法向量和紋理坐標(biāo)不一致。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種適用于帶紋理模型的三維模型簡化方法，該方法采用基于三角形合并的簡化策略，在迭代過程中以三角形為單位進(jìn)行迭代排序，避免了頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)在不同三角形中不一致時(shí)難以處理的問題，同時(shí)，針對三角形合并的特點(diǎn)，提出了一種適應(yīng)三角形合并簡化方法的簡化準(zhǔn)則進(jìn)行三維模型網(wǎng)格簡化。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種適用于帶紋理模型的三維模型簡化方法，其步驟為:
[0009]步驟1:導(dǎo)入三維模型，建立模型的拓?fù)潢P(guān)系，根據(jù)相鄰三角形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，標(biāo)記每個(gè)頂點(diǎn)是否為邊界頂點(diǎn)或復(fù)雜頂點(diǎn)；
[0010]步驟2:遍歷三維模型中所有三角形，自動標(biāo)記出不可以合并和可以合并的三角形；
[0011]步驟3:對不可以合并的三角形，把其合并操作代價(jià)AM設(shè)為最大值MAX ;對可以合并的三角形，計(jì)算每個(gè)三角形的面積Sv、三角形映射紋理區(qū)域的面積Stex,并進(jìn)一步計(jì)算其相對最優(yōu)合并點(diǎn)Vtl和合并操作代價(jià)AM ；
[0012]步驟4:對步驟3中所有三角形的合并操作代價(jià)Λ M按從小到大進(jìn)行排序，放入一個(gè)優(yōu)先隊(duì)列Q中；
[0013]步驟5:執(zhí)行隊(duì)列最頂端的最小AM對應(yīng)的三角形合并操作，更新該操作所影響到的所有三角形的合并代價(jià)值A(chǔ)M，同時(shí)根據(jù)AM更新這些三角形在優(yōu)先隊(duì)列Q中的位置；
[0014]步驟6:重復(fù)步驟5直到用于表達(dá)模型的三角形數(shù)目達(dá)到預(yù)定要求或者隊(duì)列Q中不存在可合并的三角形。
[0015]所述步驟2中不可以合并和可以合并的三角形判定方法具有如下特點(diǎn):對三角形中每個(gè)頂點(diǎn)，讀取所述步驟I中標(biāo)記的頂點(diǎn)屬性，根據(jù)頂點(diǎn)屬性決定該三角形是否可以合并:如果三角形三個(gè)頂點(diǎn)都為邊界頂點(diǎn)，那么該三角形為不可以合并的三角形；如果三角形中任一頂點(diǎn)為復(fù)雜頂點(diǎn)，那么其相鄰三角形均為不可以合并的三角形；如果三角形三個(gè)頂點(diǎn)均不屬于上述兩種情況，那么三角形為可合并三角形。
[0016]所述步驟3中，合并操作代價(jià)Λ M的計(jì)算方法如下:
[0017]合并代價(jià)引入了 Garland算法中的二次誤差度量，在該度量的基礎(chǔ)上加上了紋理變化因子，三角形三個(gè)頂點(diǎn)記為Vl，V2, V3，具體計(jì)算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種適用于帶紋理模型的三維模型簡化方法，其特征在于，其步驟為: 步驟1:導(dǎo)入三維模型，建立模型的拓?fù)潢P(guān)系，根據(jù)相鄰三角形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，標(biāo)記每個(gè)頂點(diǎn)是否為邊界頂點(diǎn)或復(fù)雜頂點(diǎn)； 步驟2:遍歷三維模型中所有三角形，自動標(biāo)記出不可以合并和可以合并的三角形； 步驟3:對不可以合并的三角形，把其合并操作代價(jià)AM設(shè)為最大值MAX;對可以合并的三角形，計(jì)算每個(gè)三角形的面積Sv、三角形映射紋理區(qū)域的面積Stex,并進(jìn)一步計(jì)算其相對最優(yōu)合并點(diǎn)％和合并操作代價(jià)ΔM ； 步驟4:對步驟3中所有三角形的合并操作代價(jià)AM按從小到大進(jìn)行排序，放入一個(gè)優(yōu)先隊(duì)列Q中； 步驟5:執(zhí)行隊(duì)列最頂端的最小AM對應(yīng)的三角形合并操作，更新該操作所影響到的所有三角形的合并代價(jià)值A(chǔ)M，同時(shí)根據(jù)AM更新這些三角形在優(yōu)先隊(duì)列Q中的位置； 步驟6:重復(fù)步驟5直到用于表達(dá)模型的三角形數(shù)目達(dá)到預(yù)定要求或者隊(duì)列Q中不存在可合并的三角形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維模型簡化方法，其特征在于:所述步驟2中不可以合并和可以合并的三角形判定方法具有如下特點(diǎn):對三角形中每個(gè)頂點(diǎn)，讀取所述步驟I中標(biāo)記的頂點(diǎn)屬性，根據(jù)頂點(diǎn)屬性決定該三角形是否可以合并:如果三角形三個(gè)頂點(diǎn)都為邊界頂點(diǎn)，那么該三角形為不可以合并的三角形；如果三角形中任一頂點(diǎn)為復(fù)雜頂點(diǎn)，那么其相鄰三角形均為不可以合并的三角形；如果三角形三個(gè)頂點(diǎn)均不屬于上述兩種情況，那么三角形為可合并三角形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于帶紋理模型的三維模型簡化方法，其特征在于:所述步驟3中，三角形的合并操作代價(jià)AM的計(jì)算具有如下特征: 合并操作代價(jià)ΛΜ的計(jì)算方法: 合并代價(jià)引入了 Garland算法中的二次誤差度量，在該度量的基礎(chǔ)上加上了紋理變化因子，三角形三個(gè)頂點(diǎn)記為V1, V2, V3，具體計(jì)算公式:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于帶紋理模型的三維模型簡化方法，其特征在于:所述步驟3中，三角形的相對最優(yōu)合并點(diǎn)Vtl的計(jì)算具有如下特征: 對所述步驟2中標(biāo)記的可以合并的三角形，標(biāo)記其邊界點(diǎn)的個(gè)數(shù)n，n的取值為O，1，2 ;分為3種情況計(jì)算相對最優(yōu)合并點(diǎn)Vtl的位置: n=0時(shí),分別選取三個(gè)頂點(diǎn)(vel、vc2> vc3)三條邊中點(diǎn)(vc4、vc5> vc6)以及三角形中心Vc7作為候選頂點(diǎn)，分別計(jì)算合并到這7個(gè)候選點(diǎn)的合并操作代價(jià)AMid7，取最小的合并代價(jià)作為當(dāng)前三角形的合并代價(jià)AM，并將對應(yīng)頂點(diǎn)設(shè)為相對最優(yōu)合并點(diǎn)Vtl ； n=l時(shí)，選取該三角形唯一的邊界點(diǎn)為三角形收縮的相對最優(yōu)合并點(diǎn)Vtl，三角形合并到該點(diǎn)的合并代價(jià)即為當(dāng)前三角形的合并代價(jià)AM; n=2時(shí),兩個(gè)邊界點(diǎn)記為vbl、vb2,這兩個(gè)頂點(diǎn)的中點(diǎn)記為vb3，把vbl、vb2和vb3作為候選點(diǎn)，分別計(jì)算合并到這3個(gè)候選點(diǎn)的合并操作代價(jià)AMp3，取最小的合并代價(jià)作為當(dāng)前三角形的合并代價(jià)AM，并將對應(yīng)頂點(diǎn)設(shè)為相對最優(yōu)合并點(diǎn)V(l。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于帶紋理模型的三維模型簡化方法，其特征在于:所述步驟I中，對每個(gè)頂點(diǎn)，標(biāo)記其相鄰三角形、相鄰頂點(diǎn)、相鄰邊，根據(jù)相鄰信息標(biāo)記每個(gè)頂點(diǎn)的頂點(diǎn)屬性:普通頂點(diǎn)、邊界頂點(diǎn)、復(fù)`雜頂點(diǎn)、孤立頂點(diǎn)。
【文檔編號】G06T17/00GK103714577SQ201410031254
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】唐慧, 王征, 朱春雷 申請人:焦點(diǎn)科技股份有限公司