CN105096387A - 一种二维草图智能三维化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维草图智能三维化处理方法，包括以下步骤：（1）、捕捉并绘制用户手绘草图的轨迹，得到二维封闭轮廓；（2）、对所述二维封闭轮廓提取中间骨架线；（3）、按照选定比例提升所述中间骨架线；（4）、用椭圆曲线连接骨架点与***轮廓点，形成粗糙的三维模型的线状结构；（5）、对所述三维模型的线状结构获得三维点云，使用网格生成算法构建连续、平滑的三维网格模型。本发明的二维草图智能三维化处理方法通过将手绘草图的三维化与虚实交互相结合，能够有效促进儿童的立体空间认知、事物联系的认知及操作能力的发展，对于扩大儿童认知范围和视野，提高儿童学习兴趣，激发儿童创造力与想象力有着非常重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像处理方法，具体地说，是涉及一种二维草图智能三维化处理方法。
背景技术
手绘草图是人们非常自然和常用的创作与表达方式，随着触摸屏设备的普遍使用，在移动终端上徒手进行二维绘画已经比较常见，但是能自动完成三维化处理功能的方法或***尚且很少。目前能够进行三维设计的软件均为专业软件，如3DSMax，Maya等，都需要配套的操作***和显卡支持，需要专业训练才能使用，一般用户尤其是儿童用户不易使用。而Windows***自带的画图程序、KidsPaint等应用程序以及在移动终端上目前较为主流的绘画软件FingerPaint、DrawingPad等，虽然包含比较丰富的画图功能，但均只限于二维绘图，无法实现三维化效果。
最近，在iOS设备上也出现了一款三维立体画板应用，可以绘制出视觉感受上的三维效果，但是，这种立体效果是通过三维立体画的原理实现的，利用左右两眼的视差使得图像看起来像三维，因此在本质上属于伪三维，没有真正的三维模型或实体。
除此之外，上述应用尤其对于儿童用户群，其输入均无法给予互动、评价或引导，因此不足以激发儿童更进一步的认知和动手能力的开发。而手绘草图的三维化与虚实交互能够有效促进儿童的立体空间认知、事物联系的认知及操作能力的发展，对于扩大儿童认知范围和视野，提高儿童学习兴趣，激发儿童创造力与想象力有着非常重要的作用。对于一般用户而言，二维草图的自动三维化也能够使其创意更加生动形象，加快创作过程，激发创作思路，促进更加直观的沟通模式。
发明内容
为解决现有画图软件仅限于二维图像绘制、三维设计软件过于专业和复杂、不易使用的问题，本发明提出了一种二维草图智能三维化处理方法，可以将用户绘制的二维草图自动处理成三维图形，提供一个简单易用的人机交互界面，实现立体化效果及丰富的后续处理功能。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种二维草图智能三维化处理方法，包括以下步骤：
（1）、捕捉并绘制用户手绘草图的轨迹，得到二维封闭轮廓；
（2）、对所述二维封闭轮廓提取中间骨架线；
（3）、按照选定比例提升所述中间骨架线；
（4）、用椭圆曲线连接骨架点与***轮廓点，形成粗糙的三维模型的线状结构，其中，所述骨架点为所述中间骨架线上的点，所述***轮廓点为所述二维封闭轮廓上的点；
（5）、对所述三维模型的线状结构获得三维点云，使用网格生成算法构建得到连续、平滑的三维网格模型。
进一步的，所述步骤（2）中，对所述二维封闭轮廓提取中间骨架线包括以下步骤：
（2.2）、将所述二维封闭轮廓利用Delaunay三角剖分算法进行三角剖分；
（2.2）、取三角剖分相应的各内边Em（m=1,2…），得到内边集合E，取各内边Em的中点Pm，得到内边中点集合P；
（2.3）、判断所述内边中点集合P中的每一个值Pm是否在所述二维封闭轮廓内部，若不在其中，则删除该内边中点Pm及其所对应的内边Em，更新所述内边集合E及内边中点集合P，所述内边中点即骨架点；
（2.4）、将相邻的内边中点两两连接，形成中间骨架线。
进一步的，在所述步骤（2.4）后，还包括（2.5）、对所述中间骨架线优化的步骤：
找出所述中间骨架线的端点集S，所述端点集S为位于所述中间骨架线端部的所有内边中点的集合，对S中的每个值Si（i=1,2…）作如下处理：
（2.5.1）、以Si所在的内边为直径画圆，如果该圆包含所述***轮廓点，则进行步骤（2.5.2）；否则，处理下一个端点；
（2.5.2）、找到与Si相连的骨架点Sj，将Si删除，所述骨架点Sj自动成为端点，返回步骤（2.5.1），处理下一个端点。
进一步的，所述步骤（3）中，按照选定比例提升所述中间骨架线包括以下步骤：
（3.1）、计算内边集合E中各内边Em的长度Lm；
（3.2）、选定比例n，以n*Lm作为内边Em上内边中点Pm的Z轴坐标，将所有的内边中点Pm（x,y,0）均提升相应的高度,提升后的内边中点为P’m（x,y,n*Lm），所述n取值范围为0～1。
进一步的，所述步骤（4）中，形成所述粗糙的三维模型的线状结构包括以下步骤：
以每一个内边Em作为长轴，以Em上的内边中点Pm（x，y，0）与提升后的内边中点P’m（x,y,n*Lm）之间的线段作为短轴画椭圆曲线，得到粗糙的三维模型的线状结构。
进一步的，所述步骤（5）中，使用网格生成算法构建连续、平滑的三维网格模型包括以下步骤：
（5.1）、根据所述粗糙的三维模型的线状结构的立体图形，得到相应的三维点集合D；
（5.2）、使用D作为网格生成算法的输入，得到由三角面片组成的立体光滑图形。
进一步的，在所述步骤（5.2）中的网格生成算法采用HoppeMeshOptimization算法、Lawson、BKChoi三维网格生成算法中的任一种。
进一步的，在所述步骤（5）之后，还包括步骤（6）、为所述三维网格模型添加颜色或纹理的步骤。
进一步的，在所述步骤（6）之后，还包括步骤（7）、为所述三维网格模型所在界面加载三维场景和/或音频，所述三维场景和/或音频/视频预先存储于存储设备中。
进一步的，在所述步骤（5）之后，还包括后期对用户画笔跟踪处理交互的步骤，完成三维网格模型后，继续对用户画笔跟踪处理，根据用户画笔轨迹判断出用户操作，分别执行对所述三维网格模型进行旋转、缩放、模型组合等实时交互操作。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的二维草图智能三维化处理方法，通过捕捉并绘制用户画图的轨迹得到二维封闭轮廓，并将二维封闭轮廓自动生成三维网格模型图案，尤其对于儿童用户群而言，通过将手绘草图的三维化与虚实交互相结合，能够有效促进儿童的立体空间认知、事物联系的认知及操作能力的发展，对于扩大儿童认知范围和视野，提高儿童学习兴趣，激发儿童创造力与想象力有着非常重要的作用。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a是本实施例提出二维草图智能三维化处理方法的一种实施例中步骤2中的二维封闭轮廓示意图；
图1b是本实施例提出二维草图智能三维化处理方法的一种实施例中步骤2中的对二维封闭轮廓三角剖分的示意图；
图1c是本实施例提出二维草图智能三维化处理方法的一种实施例中步骤2中得到的粗略骨架示意图；
图2a是本实施例提出二维草图智能三维化处理方法的一种实施例中步骤3中骨架线提升前的示意图；
图2b是本实施例提出二维草图智能三维化处理方法的一种实施例中步骤3中骨架线提升后的示意图；
图2c是本实施例提出二维草图智能三维化处理方法的一种实施例中步骤4中形成所述粗糙的三维模型的线状结构示意图；
图3是本发明所提出二维草图智能三维化处理方法的另外一种实施例中的二维封闭轮廓示意图；
图4是图3所得的三维网格模型示意图；
图5是本发明所提出二维草图智能三维化处理方法的一种实施例流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，一种二维草图智能三维化处理方法，如图5所示，包括以下步骤：
步骤1、捕捉并绘制用户手绘草图的轨迹，得到二维封闭轮廓，如图3所示；
步骤2、对所述二维封闭轮廓提取中间骨架线；
步骤3、按照选定比例提升所述中间骨架线；
步骤4、用椭圆曲线连接骨架点与***轮廓点，形成粗糙的三维模型的线状结构，其中，所述骨架点为中间骨架线上的点，所述***轮廓点为所述二维封闭轮廓上的点；
步骤5、对所述三维模型的线状结构获得三维点云，使用网格生成算法构建连续、平滑的三维网格模型如图4所示。
所述步骤1中，支持用户在空白的界面上随意绘图，轨迹捕捉方式可以支持用户直接在触摸屏上绘制线条轨迹，也可以为其他输入设备输入，比如利用鼠标输入绘制的线条轨迹。最终获取的为二维封闭轮廓，是为了后续提取中间骨架线，若用户绘制的并非封闭轮廓，则在用户绘制完毕后自动将首点和末点相连形成封闭轮廓。本实施例的二维草图智能三维化处理方法旨在实现任意输入曲线、形状的轨迹绘制，将用户手绘的各种二维草图自动转换成为三维图形进行显示输出，向用户提供简单易用的人机交互界面，用户可以在二维草图界面和三维网格模型界面之间切换，随时可以对图形不满意的地方返回至二维草图界面对二维图进行修改，人机交互能力强。
考虑到用户群体不同，对于小龄儿童群体，本实施例的二维草图智能三维化处理方法还具有描绘功能，通过模式切换至描绘功能的话，在绘制界面上显示预先存储的线条图形，用户可以沿着显示的线条图形进行描绘，在步骤1中，***仍然只是捕捉并绘制用户实际描绘的轨迹，因此，用户可以在显示描绘线条图形的基础上任意发挥，对线条轨迹随意添加改动，既可以降低对小龄儿童的绘画难度，又不限制用户的想象力。
本实施例的二维草图智能三维化处理方法，通过捕捉用户画图的轨迹即可自动生成三维网格模型，也就是说，本三维画图方法无需专业绘制图像，对所绘制的线条没有专业要求，尤其对于儿童用户群而言，通过将手绘草图的三维化与虚实交互相结合，能够有效促进儿童的立体空间认知、事物联系的认知及操作能力的发展，对于扩大儿童认知范围和视野，提高儿童学习兴趣，激发儿童创造力与想象力有着非常重要的作用。
在本实施例中，所述步骤S2中，对所述二维封闭轮廓提取中间骨架线包括以下步骤：
步骤2.2、将所述二维封闭轮廓利用Delaunay三角剖分算法进行三角剖分，如图1a和图1b所示，其中图1a为二维封闭轮廓，图1b为三角剖分示意图；
步骤2.2、取三角剖分相应的各内边Em（m=1,2…），得到内边集合E，取各内边Em的中点Pm，得到内边中点集合P；
步骤2.3、判断所述内边中点集合P中的每一个值Pm是否在所述二维封闭轮廓内部，若不在其中，则删除该内边中点Pm及其所对应的内边Em，更新所述内边集合E及内边中点集合P，所述内边中点即骨架点；
步骤2.4、将相邻的内边中点两两连接，形成中间骨架线，当前步骤所获得的中间骨架线为粗略骨架，还包含一些不合适的端点，如图1c所示。
由于所形成的粗略骨架在末梢端部的细致程度处理不够，优选在本实施例中，在所述步骤2.4后，还包括步骤2.5、对所述中间骨架线优化的步骤：
找出所述中间骨架线的端点集S，所述端点集S为位于所述中间骨架线端部的所有内边中点的集合，对S中的每个值Si（i=1,2…）作如下处理：
步骤2.5.1、以Si所在的内边为直径画圆，如果该圆内包含所述***轮廓点，则进行步骤2.5.2；否则，处理下一个端点；
步骤2.5.2、找到与Si相连的骨架点Sj，将Si删除，所述骨架点Sj自动成为端点，返回步骤2.5.1，处理下一个端点。
通过优化处理步骤，保证了所有的骨架点均在用户所绘制的二维封闭轮廓内，因此可以使得最终得出的三维图形在端部不会出现突兀、不光滑的部位。
优选在本实施例中，所述步骤3中，如图2a～图2b所示，按照选定比例提升所述中间骨架线包括以下步骤：
步骤3.1、计算内边集合E中各内边Em的长度Lm；
步骤3.2、选定比例n，以n*Lm作为内边Em上内边中点Pm的Z轴坐标，将所有的内边中点Pm（x,y,0）均提升相应的高度,提升后的内边中点为P’m（x,y,n*Lm），所述n取值范围为0～1。通过将所有内边中点按照内边长度的一定比例提升，可以保证三维图形在Z轴的比例协调，得出的模型更加美观，比如当n取1/2时，可以将二维圆形转换成为正圆球形的三维图形。
所述步骤4中，如图2c所示，形成所述粗糙的三维模型的线状结构包括以下步骤：
以每一个内边Em作为长轴，以Em上的内边中点Pm（x，y，0）与提升后的内边中点P’m（x,y,n*Lm）之间的线段作为短轴画椭圆曲线，得到粗糙的三维模型的线状结构。
所述步骤5中，如图2c所示，使用网格生成算法构建连续、平滑的三维网格模型包括以下步骤：
步骤5.1、根据所述粗糙的三维模型的线状结构的立体图形，得到相应的三维点集合D；
步骤5.2、使用D作为网格生成算法的输入，得到由三角面片组成的立体光滑图形。
所述步骤（5.2）中，网格生成算法采用HoppeMeshOptimization算法、Lawson、BKChoi等三维网格生成算法中的任一种，这些算法均为本领域研究和工作人员公知的技术。
为了进一步丰富本三维图形的细节效果，在所述步骤5之后，还包括步骤6、为所述三维网格模型添加颜色或纹理的步骤。
为三维网格模型添加纹理图的方法为：
步骤6.1、在三维实时窗口中设置贴图选择以及上传贴图等功能，用户根据模型的类型可以为三维模型匹配合适的贴图，还可以通过上传贴图文件来丰富贴图素材库；
步骤6.2、选择贴图预览图，点击应用按钮，即可实现贴图自动应用到模型；
步骤6.3、模型在三维空间中需要考虑UV坐标问题，以便贴图可以正常显示。通过为所述三维网格模型添加颜色或纹理，可以形成色彩鲜艳、生动的三维模型。
在所述步骤6之后，还包括步骤7、为所述三维网格模型所在界面加载三维场景和/或音频/视频，所述三维场景和/或音频/视频预先存储于存储设备中。通过场景设置，以使模型更加逼真。此外，还可以调节三维网格模型及背景的环境光、粒子效果，以及具有场景选择及模型变换控制等功能。
通过加载音频，语义化场景预设了特定的模型和故事，点击播放按钮，可以播放相应的音频/视频，比如，用户手绘了一幅二维线条图，本方法不仅将二维线条图生成三维模型，而且可以通过***音频，为图配上讲故事或者音乐等音频，为图像设定生动的场景，使得创作更加有乐趣，或者还可以通过***视频的方式，为用户提供对应的视频，丰富儿童的知识范围，比如，用户画了一个兔子，就可以链接到一个小白兔的视频，给儿童观看，在娱乐、绘画的同时增长了知识。视频窗口可以缩放，二维草图和三维模型的窗口也都可选。
在所述步骤5之后，还包括后期对用户画笔跟踪处理交互的步骤，完成三维网格模型后，继续对用户画笔跟踪处理，根据用户画笔轨迹判断出用户操作，分别执行对所述三维网格模型进行旋转、缩放、模型组合等实时交互操作。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种二维草图智能三维化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、捕捉并绘制用户手绘草图的轨迹，得到二维封闭轮廓；
（2）、对所述二维封闭轮廓提取中间骨架线；
（3）、按照选定比例提升所述中间骨架线；
（4）、用椭圆曲线连接骨架点与***轮廓点，形成粗糙的三维模型的线状结构，其中，所述骨架点为所述中间骨架线上的点，所述***轮廓点为所述二维封闭轮廓上的点；
（5）、对所述三维模型的线状结构获得三维点云，使用网格生成算法构建得到连续、平滑的三维网格模型。
2.根据权利要求1所述的二维草图智能三维化处理方法，其特征在于，所述步骤（2）中，对所述二维封闭轮廓提取中间骨架线包括以下步骤：
（2.2）、将所述二维封闭轮廓利用Delaunay三角剖分算法进行三角剖分；
（2.2）、取三角剖分相应的各内边Em（m=1,2…），得到内边集合E，取各内边Em的中点Pm，得到内边中点集合P；
（2.3）、判断所述内边中点集合P中的每一个值Pm是否在所述二维封闭轮廓内部，若不在其中，则删除该内边中点Pm及其所对应的内边Em，更新所述内边集合E及内边中点集合P，所述内边中点即骨架点；
（2.4）、将相邻的内边中点两两连接，形成中间骨架线。
3.根据权利要求2所述的二维草图智能三维化处理方法，其特征在于，在所述步骤（2.4）后，还包括（2.5）、对所述中间骨架线优化的步骤：
找出所述中间骨架线的端点集S，所述端点集S为位于所述中间骨架线端部的所有内边中点的集合，对S中的每个值Si（i=1,2…）作如下处理：
（2.5.1）、以Si所在的内边为直径画圆，如果该圆包含所述***轮廓点，则进行步骤（2.5.2）；否则，处理下一个端点；
（2.5.2）、找到与Si相连的骨架点Sj，将Si删除，所述骨架点Sj自动成为端点，返回步骤（2.5.1），处理下一个端点。
4.根据权利要求3所述的二维草图智能三维化处理方法，其特征在于，所述步骤（3）中，按照选定比例提升所述中间骨架线包括以下步骤：
（3.1）、计算内边集合E中各内边Em的长度Lm；
（3.2）、选定比例n，以n*Lm作为内边Em上内边中点Pm的Z轴坐标，将所有的内边中点Pm（x,y,0）均提升相应的高度,提升后的内边中点为P’m（x,y,n*Lm），所述n取值范围为0～1。
5.根据权利要求4所述的二维草图智能三维化处理方法，其特征在于，所述步骤（4）中，形成所述粗糙的三维模型的线状结构包括以下步骤：
以每一个内边Em作为长轴，以Em上的内边中点Pm（x，y，0）与提升后的内边中点P’m（x,y,n*Lm）之间的线段作为短轴画椭圆曲线，得到粗糙的三维模型的线状结构。
6.根据权利要求5所述的二维草图智能三维化处理方法，其特征在于，所述步骤（5）中，使用网格生成算法构建连续、平滑的三维网格模型包括以下步骤：
（5.1）、根据所述粗糙的三维模型的线状结构的立体图形，得到相应的三维点集合D；
（5.2）、使用D作为网格生成算法的输入，得到由三角面片组成的立体光滑图形。
7.根据权利要求1-6任一项所述的二维草图智能三维化处理方法，其特征在于，在所述步骤（5）之后，还包括步骤（6）、为所述三维网格模型添加颜色或纹理的步骤。
8.根据权利要求7所述的二维草图智能三维化处理方法，其特征在于，在所述步骤（6）之后，还包括步骤（7）、为所述三维网格模型所在界面加载三维场景和/或音频/视频，所述三维场景和/或音频预先存储于存储设备中。
9.根据权利要求5所述的二维草图智能三维化处理方法，其特征在于，所述步骤（5.2）中的网格生成算法采用HoppeMeshOptimization算法、Lawson、BKChoi三维网格生成算法中的任一种。
10.根据权利要求1-6任一项所述的二维草图智能三维化处理方法，其特征在于，在所述步骤（5）之后，还包括后期对用户画笔跟踪处理交互的步骤，完成三维网格模型后，继续对用户画笔跟踪处理，根据用户画笔轨迹判断出用户操作，分别执行对所述三维网格模型进行旋转、缩放、模型组合实时交互操作。
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