CN105046735A - 一种基于基元分布的三维表面纹理合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于基元分布的三维表面纹理合成方法，该方法包括以下步骤：提取基元；构建基元连通关系；生成三维模型表面矢量场；构建三维模型表面基元分布；在三维模型表面放置基元。本发明在三维模型局部参数化的情况下能够进行有效的纹理映射，避免了在合成过程中对样本纹理进行大量的邻域匹配搜索，从而能够高效率地在三维表面进行纹理合成；另外，本发明能够在合成结果中有效保持基元的完整性、纹理结构的连续性和规则性，进而获得高质量的三维表面纹理合成结果。

Description

一种基于基元分布的三维表面纹理合成方法

技术领域

本发明涉及三维表面纹理合成方法，尤其涉及一种基于基元分布的三维表面纹理合成方法。

背景技术

在计算机图形学中，三维表面纹理合成是在三维表面上直接生成与样本纹理相似的纹理图案，其主要作用是为三维模型添加表面细节，从而增强模型表面的真实感。这样不仅可以弥补几何绘制的不足，还可以大大简化建模的过程。纹理中具有大量重复的纹理元素，重复的纹理元素为纹理基元。

目前，在三维表面进行纹理合成的一种最直接方式是：首先需要获得一张尺寸足够大的纹理图像，即通过采用二维纹理合成技术自动生成一张具有任意尺寸的且与样本纹理具有相似外观的新纹理图像，然后再直接映射到三维表面。但该过程需要对模型进行全局参数化，而且还可能产生纹理失真的情况，因而会极大地影响三维表面纹理合成的效果。另一种处理方式是：根据样本纹理直接在三维表面上合成新纹理，使得能够避免直接映射时所产生的纹理扭曲或者不连续的问题。这种三维表面纹理合成方式通常可以取得较好的纹理合成效果，但需要在合成过程中对样本纹理进行大量搜索匹配，故合成效率较低。

Dichler等人提出的方法(DischlerM.J.,MaritaudK.,LevyB.,etal.TextureParticles.ComputerGraphicsForum,2002,21:401-410)中首先把样本纹理分割成一些基本的纹理元素，然后分析这些元素在样本纹理中的空间分布，并根据该分布在三维表面上对这些元素进行重新排列来生成最终的结果。该方法速度很快，可以通过用户交互对合成过程进行控制，而且还可以用来合成三维几何元素。然而，该方法通常没有考虑不同类型纹理元素之间的空间相邻关系，以及在重组纹理元素时没有考虑其位置、形状对纹理合成的影响。因而，在三维表面重组纹理元素后，合成的结果中容易产生区域重叠或较大空洞等瑕疵，且无法保持输入样本纹理潜在的规律性。

基于基元重组的纹理设计与合成方法提供了一种近似规则纹理合成方法：从给定的样本纹理图像中进行一次基元抽取，之后在纹理设计和合成过程中将不再需要样本纹理的参与；纹理的生成是按照一定的生成模式重组已抽取基元及变形基元的方式获得新纹理。该方法能够很好地解决纹理合成过程中需要参照样本纹理的问题，通过用户可控的处理方式，这使得合成的输出结果可以是多种多样的。然而，该技术方案仅能实现二维纹理的合成，如果将合成的纹理映射到三维模型表面，则需要对三维模型进行全局参数化，而模型参数化效果的好坏则直接影响最终纹理贴图的效果。此外，如果通过扩展该技术方案实现三维表面纹理合成，其中最大的难点在于如何对二维平面邻域和三维表面邻域进行比较。另一方面，进行邻域匹配时的穷尽搜索会极大地降低纹理合成的效率。

现有的三维表面纹理合成中，特别是在三维表面处理近似规则纹理时，合成效果不能很好地保持纹理元素的完整性，从而产生断裂或不连续的纹理结果。现有的三维表面合成技术在合成过程中对样本纹理进行大量的邻域匹配搜索，造成纹理合成效率低。

因此，如何参照样本纹理的基元分布，在三维表面上直接合成与样本纹理的基元分布具有相似外观的新的基元分布及如何在三维模型局部参数化的情况下能够进行有效的纹理映射，从而高效率地、获得高质量的三维表面纹理合成结果成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的纹理合成技术中纹理结构扭曲及纹理合成效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明一方面提出了一种基于基元分布的三维表面纹理合成方法，该方法包括：

提取基元；

构建基元连通关系；

生成三维模型表面矢量场；

构建三维模型表面基元分布；

在三维模型表面放置基元。

优选地，所述提取基元的步骤包括：

结合样本纹理的颜色特征和纹理特征定义相似度量机制，以准确地检测样本纹理中所有外观相似的基元；

采用基于外观相似的优化图割模型的重复元素提取方法对样本纹理进行分割，从而同时提取样本纹理的基元。

优选地，所述构建基元连通关系的步骤包括：

确定每个基元在样本纹理中的位置，以每个基元所在区域的中心位置构建离散点集；

根据所述离散点集，采用三角剖分方法构建基元的连通关系，以获得样本纹理的基元分布。

优选地，所述三角剖分过程中产生的三角形的最大内角小于120度。

优选地，所述生成三维模型表面矢量场的步骤包括：

在三维模型中随机选取若干个三角面片，在所选三角面片标注切方向矢量；

根据所述标注的切方向矢量，采用径向基函数插值算法计算所述三维模型中剩余三角面片的切方向矢量，以生成三维模型表面矢量场。

优选地，所述构建三维模型表面基元分布的步骤包括：

S41、在三维模型表面选取第一基元，采用投影变换的方式将三维模型表面所述第一基元的邻域投影到基平面上，以产生与三维表面上的基元分布相对应的二维空间分布；

S42、参照样本纹理的基元分布，采用邻域比较方法获得三维模型表面上待添加基元的相对于第一基元的位置信息，根据所述待添加基元的相对于第一基元的位置信息，计算所述待添加基元在三维模型表面的位置；

S43、重复步骤S41和S42，逐一计算待添加基元在三维模型表面的位置，以在三维模型表面生成与样本纹理基元分布具有相似外观的新的基元分布；

所述待添加基元的相对于第一基元的位置信息包括待添加基元的偏移方向角和偏移距离；

所述基平面为所述第一基元所在的三角面片。

优选地，所述邻域比较方法包括：

在三维模型表面选取第一基元，将所述第一基元的投影变换后的邻域与样本纹理基元分布的邻域逐一进行比较，当所述第一基元的投影变换后的邻域与样本纹理基元分布的邻域误差最小时，在样本纹理基元分布中确定与所述第一基元具有最相似邻域的参照基元，建立所述第一基元的投影变换后的邻域中各个基元与样本纹理基元分布的邻域中各个基元之间的对应关系，获得待添加基元的相对于第一基元的位置信息。

优选地，当三维模型表面基元数目达到指定数目时，则停止构建三维模型表面基元分布。

优选地，所述在三维模型表面放置基元的步骤包括：

在三维模型表面采用局部区域增长方法确定与待添加基元的大小相适应的目标区域；

对目标区域进行局部参数化展平，在三维模型表面采用局部纹理映射放置基元。

优选地，所述在三维模型表面采用局部纹理映射放置基元之后，还包括：

放大或缩小映射至三维模型表面的基元，以避免基元之间的空洞或重叠。

本发明提出的基于基元分布的三维表面纹理合成方法，参照样本纹理的基元分布，在三维表面上合成与样本纹理具有一定相似外观的基元分布，从而实现在模型表面直接进行纹理合成的目的，能够在合成结果中有效保持基元的完整性、纹理结果的连续性和规则性，能够很好地在三维表面处理近似规则的纹理，能够获得高质量的三维表面纹理合成结果。在三维模型局部参数化的情况下能够进行有效的纹理映射，避免了在合成过程中对样本纹理进行大量的邻域匹配搜索，从而高效率地获得三维表面纹理合成结果。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一个实施例的原理框架图；

图2示出了本发明一个实施例给定的样本纹理；

图3示出了本发明一个实施例的基元提取的结果及基元连通关系构建结果；

图4示出了本发明一个实施例的三维表面矢量场生成的结果图；

图5示出了本发明一个实施例的邻域比较过程示意图；

图6示出了本发明一个实施例的三维模型表面待添加基元位置示意图；

图7示出了本发明一个实施例的构建三维模型表面基元分布的结果；

图8示出了本发明一个实施例的基于基元分布的三维表面纹理合成结果。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明一个实施例的原理框架图。如图1所示，该基于基元分布的三维表面纹理合成方法包括以下步骤：

第一步：提取基元

初始时，用户仅标记样本纹理图像(如附图2所示)中一到两个颜色显著和形状完整的基元作为前景，并同样标记与前景位置较为相近且颜色区别显著的背景区域作为背景，这样标记前、背景区域可以有效避免前、背景颜色相近似时造成分割不理想的情况。另外，由于样本纹理图像中基元较多且排布紧密，因而纹理背景区域通常较为狭小，因此，需要用户较细致地在样本纹理图像中标记前景和背景区域。

在提取基元时，首先对样本纹理图像预处理，采用均值漂移MS(MeanShift)颜色聚类方法将样本纹理图像初步分割成相互独立的图像子块。对样本纹理图像的预处理大大减少图像分割过程中的计算量，从而有效提高纹理元素提取的时间效率。

然后采用伽柏小波变换GWT(GaborWaveletTransform)在多尺度和多方向上分析样本纹理图像的纹理特征，并将统计的纹理特征与颜色特征相结合，以定义鲁棒的外观相似性度量公式。可将样本纹理图像构建为图G＝{P,N}，其中P是以已分割的图像子块代替像素点作为图中节点的点集；N为连接图像子块之间的边的集合，包括直接连接相邻图像子块之间的边和连接具有外观相似特征图像子块之间的边(不一定直接相邻)，图G中每一节点均与源端点S和终端点T相连接。

最后采用基于外观相似的优化图割模型的重复元素提取方法对样本纹理进行分割，仅在提供少量用户交互的情况下，提取样本纹理图像的基元。提取的基元如附图3第一行所示。

第二步：构建基元连通关系

在定位样本纹理中所有基元之后，需要分析基元的空间分布(或空间排列)。

为了构建每一个基元与其相邻基元之间的空间相邻关系，首先用基元所在区域的中心位置代替每一个基元，这些位置构成一个离散的点集。

根据所述离散点集，采用三角剖分DT(Delaunaytriangulation)方法即可建立基元之间的连通关系。

此外，为了在构建的连通关系中避免产生倾斜边，则约束三角剖分过程中产生的每一三角形的最大内角的角度必须小于120度。当基元的分布是规则分布或者近似规则分布时，即使约束条件被满足，三角剖分可能构建不理想的基元连通关系。此时，构建的基元间连通关系将无法保持基元分布的潜在规律性。为了解决这个问题，在使用三角剖分构建基元的连通关系之前，首先将可能引起二义性的三角边(三角形中大于120度的角对应的边)标记出来，用于阻止三角剖分过程中这些边的产生，然后即可自动地构建理想的基元之间的连通关系。

本发明实施例已构建的基元间连通关系如附图3第二行所示。

第三步：生成三维模型表面矢量场

大多数纹理都是具有方向特性的，因而通过生成模型表面的矢量场来控制合成纹理的方向。

初始时，允许用户在三维表面上随机选取多个三角面片，并在这些所选的三角面片上交互地标注切方向矢量，此时，切方向矢量垂直于所在三角面片的法向量。

然后，根据这些已知的切方向矢量，通过采用径向基函数RBF(RadialBasisFunction)插值算法在三维表面上计算剩余三角面片上的切方向矢量，从而获得三维表面的切矢量场。

为了获得高精度的插值结果，需要在三维表面上的不同位置上，特别是曲率大的表面，随机进行三角面片的选取，且要求所选三角面片的数量能够使得最终获得的切矢量场的插值精度是满足用户需求的。因此，用户将根据不同的三维模型选取不同的面片数目，以保证矢量场的插值精度。生成的三维表面矢量场如附图4所示。

第四步：构建三维模型表面基元分布

由于三维表面基元与基元之间的相邻关系是三维的，而参照的样本纹理基元分布却是二维的。因此，在邻域比较之前，需要将三维表面的基元分布映射到二维平面上。具体为：

在三维模型表面选取第一基元，采用投影变换的方式将三维模型表面已合成所述第一基元邻域的基元分布投影到基平面(所述基平面为所述第一基元所在三角面片)上，以产生与三维表面已合成的基元分布相对应的二维空间分布。在三维模型表面上，由于第一基元邻域中各基元与第一基元的距离很小，以及各基元所在三角面片与基平面的法向差异也很小，因而基元分布的方向性将不受投影变换的影响。

参照样本纹理的基元分布，采用邻域比较方法获得三维模型表面上待添加基元的相对于第一基元的位置信息，根据所述待添加基元的相对于第一基元的位置信息，计算所述待添加基元在三维模型表面的位置，通过在三维模型表面进行待添加基元的位置的局部扩张，即逐一计算待添加基元在三维模型表面的位置，以在三维模型表面生成与样本纹理基元分布具有相似外观的新的基元分布。具体来说：

在三维模型表面上为了生成与样本纹理的基元分布具有一定相似外观的新的基元分布，根据三维表面上当前所选第一基元e^tar及其邻域ω(e^tar)，采用邻域比较方法从样本纹理的基元分布中找到与第一基元匹配的最佳参照基元e^ref，此时，第一基元的邻域ω(e^tar)与参照基元的邻域ω(e^ref)在外观上的差异是最小的。邻域比较过程如附图5所示。通过将投影后的第一基元的邻域ω′(e^tar)逐个与样本基元分布的邻域ω(e^ref)进行比较，当误差取最小值时，即可在样本基元分布中确定与第一基元e^tar具有最相似邻域的参照基元e^ref，并获得最优匹配f_best。通过建立邻域ω′(e^tar)和邻域ω(e^ref)中各基元之间的一一对应关系，可获得三维表面待添加基元的相对于第一基元的位置信息，即相对于第一基元的偏移方向角和偏移距离

将待添加基元的相对于第一基元的位置信息作为在模型表面基元局部扩张的依据，以作为待添加基元相对于第一基元e^tar之间的偏移距离；而则用于确定待添加基元相对第一基元e^tar的偏移方向角。由此，以第一基元e^tar的位置P₀为球心，待添加基元与第一基元e^tar之间的空间距离为半径作一个球O(如附图6所示)。然后，由和P₀得到与基平面S₀垂直的平面S_θ。最后，取三维模型上任一面片S_t，若平面S_t，S_θ与球O相交于点P，交点P即为待添加基元的位置P_k，即可在三维表面上确定待添加基元的位置。

通过进行邻域比较及基元扩张，当三维模型表面基元数目达到用户指定的最大数目时，或三维表面基元过于密集时，则停止构建三维模型表面基元分布。最终获得的三维表面的基元分布如附图7所示。

第五步：在三维模型表面放置基元

在三维模型表面上，基元放置的目的是将已提取的基元映射到三维表面已生成的基元位置上，从而最终获得三维表面纹理合成结果。

首先，在三维模型表面采用局部区域增长方法确定与待添加基元的大小相适应的目标区域，这主要是由于已提取的基元集中各基元具有不同的尺度大小。以第一基元所在的三角面片为初始面片，沿着初始面片的三条边搜索与初始面片邻接的三角面片，并逐步向外扩散以获得局部区域。此外，当局部区域内三角面片总数超出用户指定的最大面片总数，或者局部区域面积超过待映射基元面积时，则停止三角面片的向外扩散，此时获得局部区域即为目标区域。由此，根据基元大小进行局部区域增长，确定的目标区域是连续的，不会形成区域缺口。同时，目标区域的大小可自适应地根据基元的大小进行控制。

然后，对目标区域进行局部参数化展平，在三维模型表面采用局部纹理映射放置基元，确定三角面片各顶点与纹理坐标中各点的对应关系。

另外，由于基元的形状和大小并不是完全一致的，当逐一地映射基元到模型表面时，基元之间可能产生空洞或重叠区域。通过将映射至模型表面的基元进行自适应地放大或缩小，以解决基元之间产生空洞或重叠区域的问题。由此，完成在三维模型表面基元的放置。三维表面纹理合成结果如附图8所示。

本发明实施例提出的基于基元分布的三维表面纹理合成方法，参照样本纹理的基元分布，在三维表面上合成与样本纹理具有一定相似外观的基元分布，从而实现在模型表面直接进行纹理合成的目的，能够在合成结果中有效保持基元的完整性、纹理结果的连续性和规则性，能够很好地在三维表面处理近似规则的纹理，能够获得高质量的三维表面纹理合成结果。在三维模型局部参数化的情况下能够进行有效的纹理映射，避免了在合成过程中对样本纹理进行大量的邻域匹配搜索，从而高效率地获得三维表面纹理合成结果。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于基元分布的三维表面纹理合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

提取基元；

构建基元连通关系；

生成三维模型表面矢量场；

构建三维模型表面基元分布；

在三维模型表面放置基元。

2.根据权利要求1所述的基于基元分布的三维表面纹理合成方法，其特征在于，所述提取基元的步骤包括：

结合样本纹理的颜色特征和纹理特征定义相似度量机制，以准确地检测样本纹理中所有外观相似的基元；

采用基于外观相似的优化图割模型的重复元素提取方法对样本纹理进行分割，从而同时提取样本纹理的基元。

3.根据权利要求1所述的基于基元分布的三维表面纹理合成方法，其特征在于，所述构建基元连通关系的步骤包括：

确定每个基元在样本纹理中的位置，以每个基元所在区域的中心位置构建离散点集；

根据所述离散点集，采用三角剖分方法构建基元的连通关系，以获得样本纹理的基元分布。

4.根据权利要求3所述的基于基元分布的三维表面纹理合成方法，其特征在于，所述三角剖分过程中产生的三角形的最大内角小于120度。

5.根据权利要求1所述的基于基元分布的三维表面纹理合成方法，其特征在于，所述生成三维模型表面矢量场的步骤包括：

在三维模型中随机选取若干个三角面片，在所选三角面片标注切方向矢量；

根据所述标注的切方向矢量，采用径向基函数插值算法计算所述三维模型中剩余三角面片的切方向矢量，以生成三维模型表面矢量场。

6.根据权利要求1所述的基于基元分布的三维表面纹理合成方法，其特征在于，所述构建三维模型表面基元分布的步骤包括：

S41、在三维模型表面选取第一基元，采用投影变换的方式将三维模型表面所述第一基元的邻域投影到基平面上，以产生与三维表面上的基元分布相对应的二维空间分布；

S42、参照样本纹理的基元分布，采用邻域比较方法获得三维模型表面上待添加基元的相对于第一基元的位置信息，根据所述待添加基元的相对于第一基元的位置信息，计算所述待添加基元在三维模型表面的位置；

S43、重复步骤S41和S42，逐一计算待添加基元在三维模型表面的位置，以在三维模型表面生成与样本纹理基元分布具有相似外观的新的基元分布；

所述待添加基元的相对于第一基元的位置信息包括待添加基元的偏移方向角和偏移距离；

所述基平面为所述第一基元所在的三角面片。

7.根据权利要求6所述的基于基元分布的三维表面纹理合成方法，其特征在于，所述邻域比较方法包括：

在三维模型表面选取第一基元，将所述第一基元的投影变换后的邻域与样本纹理基元分布的邻域逐一进行比较，当所述第一基元的投影变换后的邻域与样本纹理基元分布的邻域误差最小时，在样本纹理基元分布中确定与所述第一基元具有最相似邻域的参照基元，建立所述第一基元的投影变换后的邻域中各个基元与样本纹理基元分布的邻域中各个基元之间的对应关系，获得待添加基元的相对于第一基元的位置信息。

8.根据权利要求6所述的基于基元分布的三维表面纹理合成方法，其特征在于，当三维模型表面基元数目达到指定数目时，则停止构建三维模型表面基元分布。

9.根据权利要求1所述的基于基元分布的三维表面纹理合成方法，其特征在于，所述在三维模型表面放置基元的步骤包括：

在三维模型表面采用局部区域增长方法确定与待添加基元的大小相适应的目标区域；

对目标区域进行局部参数化展平，在三维模型表面采用局部纹理映射放置基元。

10.根据权利要求9所述的基于基元分布的三维表面纹理合成方法，其特征在于，所述在三维模型表面采用局部纹理映射放置基元之后，还包括：

放大或缩小映射至三维模型表面的基元，以避免基元之间的空洞或重叠。