CN114494001A - 一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，该方法包括以下步骤：S1、针对三维模型中需要进行图案展平提取的表面区域，在特定方式的运作下，构建采样网格；S2、对构建的采样网格进行渲染采样，并计算渲染采样的渲染颜色值；S3、采用二维数组对渲染颜色值进行组织暂存；S4、对组织暂存的渲染颜色值进行图像编码，输出二维图片文件并进行保存。本发明中的三维模型表面图案展平提取方法完成了三维模型表面图案展平提取全部流程，得到了进行图案展平提取的表面区域的二维图片输出结果，方法中兼容各类来源的三维模型，具有较好的通用性，不依赖任何特定平台的私有算法，适合跨平台使用。

Description

一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法

技术领域

本发明涉及计算机图形学领域，具体来说，涉及一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法。

背景技术

三维模型是物体的多边形表示，通常用计算机或者其它视频设备进行显示。显示的物体可以是现实世界的实体，也可以是虚构的物体。任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。

在实际运用过程中，三维模型常用作向用户进行多角度展示，用户可以对三维模型进行平移、旋转和缩放操作来观察自己所感兴趣的特定细节；上述展示方式对于三维模型的关注点较多集中在其造型方面，但除造型之外，三维模型的表面也存在大量的图案，根据三维模型的生成方式不同，其中，源于对实物的扫描重建，也是完全人工制作的结果，或是上述二者的结合。

无论何种三维模型的生成方式，其表面图案均有相当一部分是在创作三维模型或创作三维模型所对应的实际物体时直接绘制到其表面上的，并没有单独且完整的表面图案二维图片副本。这些表面图案也拥有着特定的价值，这点在由实体文物扫描重建而得到的三维模型上体现的尤为明显。这些图案往往仅在文物表面上出现，却蕴含着纹样、色彩等重要的文化符号。将其提取出来，使其独立于该文物的三维模型而存在于二维空间中，就可以作为新的素材，反哺相关文物研究工作或文创产业，为其提供新的数据源。

目前，虽然数字图像处理、计算机图形学、计算机视觉等领域中诸如渲染、采样、生成等背景技术较为完善，但针对三维模型表面图案展平提取的方法匮乏，适应性不强。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，该方法包括以下步骤：

S1、针对三维模型中需要进行图案展平提取的表面区域，在特定方式的运作下，构建采样网格；

S2、对构建的采样网格进行渲染采样，并计算渲染采样的渲染颜色值；

S3、采用二维数组对渲染颜色值进行组织暂存；

S4、对组织暂存的渲染颜色值进行图像编码，输出二维图片文件并进行保存。

进一步的，所述表面区域近似看作一个由一根样条线在进行一系列平移、旋转后形成的曲面。

进一步的，所述构建采样网格的特定方式包括以下步骤：根据所述样条线的长度与所述形成曲面的路径相比，确定样条线的数量及采样的次数，并构建采样网格。

进一步的，所述三维模型为旋转体的三维模型。

进一步的，所述构建采样网格使用的样条线及样条线的路径根据实际三维模型及需要进行图案展平提取的表面区域手动设置。

进一步的，所述对构建的采样网格进行渲染采样，并计算渲染采样的渲染颜色值还包括以下步骤：

S21、在采样网格中根据样条线计算每个网格点处朝向三维模型的法向量；

S22、在各网格点处，利用所述法向量定位三维模型的采样点；

S23、获取所述采样点的材质信息和UV坐标信息。

S24、利用材质信息和UV坐标信息，获取该点的渲染颜色值。

进一步的，所述利用材质信息和UV坐标信息，获取该点的渲染颜色值还包括以下步骤：

S241、根据所述材质信息获取到该材质的漫反射贴图；

S242、根据所述UV坐标信息及所述漫反射贴图的分辨率计算该UV坐标在该漫反射贴图上所对应的像素点，获得该点的渲染颜色值。

进一步的，所述二维图片的分辨率公式如下：

w*h＝2πr：l；

其中，r为样条线上各采样点到其旋转轴距离的平均值，l为样条线长度。

进一步的，所述获取所述采样点处的材质信息和UV坐标信息还包括以下步骤：

S231、利用射线检测技术定位于三维模型的采样点并获取该点处的材质信息和UV坐标信息。

进一步的，所述射线检测技术包括以各采样网格点为射线起点，以该网格点处朝向三维模型的法向量为射线方向来发起射线检测；

若击中三维模型，则击中点处即为所述采样点，并提供该点处的材质信息和UV坐标信息；

若未击中三维模型，则使用预先设置的固定颜色值替代渲染采样的结果。

本发明的有益效果为：本发明通过构建三维模型中需要进行图案展平提取的表面区域的采样网格，并根据所构建的采样网格进行渲染采样，将从各采样网格点处进行渲染采样获得的颜色值进行组织并按图像编码输出为二维图片文件以保存，从而实现了三维模型表面图案展平提取全部流程，得到了进行图案展平提取的表面区域的二维图片输出结果，该方法的输出结果基本保留了该表面区域上图案的形态和比例，且方法中兼容各类来源的三维模型，具有较好的通用性，不依赖任何特定平台的私有算法，适合跨平台使用。

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1是根据本发明实施例的一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法中采用的三维模型的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法中在某采样点处进行射线检测的示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，该方法包括以下步骤：

S1、针对三维模型中需要进行图案展平提取的表面区域，在特定方式的运作下，构建采样网格；

S2、对构建的采样网格进行渲染采样，并计算渲染采样的渲染颜色值；

S3、采用二维数组对渲染颜色值进行组织暂存；

S4、对组织暂存的渲染颜色值进行图像编码，输出二维图片文件并进行保存。

在具体应用时，组织暂存的解释如下：组织：采样时，程序上方便的做法为逐样条线逐点采样(将采样网格中一条样条线上的采样点都采样完毕，再去处理下一条)，这样的做法得到的颜色值顺序为列主序(一列一列获得的)，而一般图像编码并输出为文件需要行主序(一行一行存放)，遂“组织”主要是将列主序转为行主序存储；暂存：由于方法是“渐进式”逐点处理的，再未完全处理完所有采样点时，将在采样网格点处已经获得的渲染颜色值(即步骤S2中获得)存放到二维数组中。

在一个实施例中，所述表面区域近似看作一个可由一根样条线在进行一系列平移、旋转后形成的曲面。

在具体应用时，需要进行图案展平提取的表面区域可以由一根样条线绕某一确定轴旋转一定角度而形成的曲面所近似替代，在更加一般且复杂的情况下，如若需要进行图案展平提取的表面区域无法被一个上述曲面近似替代过程覆盖完全，则应将其划分成多个上述曲面近似替代过程，每个替代曲面单独构建采样网格并进行渲染采样及输出。

在一个实施例中，所述构建采样网格的特定方式包括以下步骤：根据所述样条线的长度与所述形成曲面的路径相比，确定样条线的数量及采样的次数，并构建采样网格。

在具体应用时，如图2所示，将需要进行图案展平提取的表面区域近似看作一个可由一根样条线在某一确定方式下进行一系列平移、旋转而形成的曲面；在发明中使用的三维模型为某一碗型文物，该三维模型可视作旋转体，需要进行图案展平提取的表面区域可以近似看作由一根样条线绕某一确定轴旋转一定角度而形成的曲面。

在一个实施例中，所述三维模型为旋转体的三维模型。

在一个实施例中，所述构建采样网格使用的样条线及样条线的路径根据实际三维模型及需要进行图案展平提取的表面区域手动设置。

在一个实施例中，所述对构建的采样网格进行渲染采样，并计算渲染采样的渲染颜色值还包括以下步骤：

S21、在采样网格中根据样条线计算每个网格点处朝向三维模型的法向量；

S22、在各网格点处，利用所述法向量定位三维模型的采样点；

S23、获取所述采样点的材质信息和UV坐标信息。

S24、利用材质信息和UV坐标信息，获取该点的渲染颜色值。

在具体应用时，如图3所示，图中A代表采样网格中的某一条样条线，B代表采样网格点，C代表射线检测，D代表采样点，上述采样网格中的每个网格点均在用于采样的样条线上，根据样条线计算每个网格点处朝向三维模型的法向量，在各网格点处，利用射线检测技术来确定位于三维模型上的采样点并获取该点处的必要信息，以各采样网格点为射线起点，以该点处朝向三维模型的法向量为射线方向来发起射线检测。

在一个实施例中，所述利用材质信息和UV坐标信息，获取该点的渲染颜色值还包括以下步骤：

S241、根据所述材质信息获取到该材质的漫反射贴图；

S242、根据所述UV坐标信息及所述漫反射贴图的分辨率计算该UV坐标在该漫反射贴图上所对应的像素点，获得该点的渲染颜色值。

在具体应用时，原理如下：UV坐标为贴图横纵方向归一化到0-1之间的坐标值，其为一二维向量，其两个分量分别乘以贴图的宽和高即可得到所对应的像素点在横纵方向的索引值。在一个实施例中，所述二维图片的分辨率公式如下：

w*h＝2πr：l；

其中，r为样条线上各采样点到其旋转轴距离的平均值，l为样条线长度。

在一个实施例中，所述获取所述采样点处的材质信息和UV坐标信息还包括以下步骤：

S231、利用射线检测技术定位于三维模型的采样点并获取该点处的材质信息和UV坐标信息。

在一个实施例中，所述射线检测技术包括以各采样网格点为射线起点，以该网格点处朝向三维模型的法向量为射线方向来发起射线检测；

若击中三维模型，则击中点处即为所述采样点，并提供该点处的材质信息和UV坐标信息；

若未击中三维模型，则使用预先设置的固定颜色值替代渲染采样的结果。

在具体应用时，选用了Unreal Engine作为开发引擎来实现三维模型的渲染、采样和二维图片的编码、储存工作，除Unreal Engine外，还可以选用Unity作为开发引擎或利用OpenGL、DirectX、Vulkan等底层图形库自行开发实现。

为了更好地理解本发明的上述技术方案，以下就本发明中三维模型表面图案展平提取方法的原理进行如下说明：

首先将所述三维模型中需要进行图案展平提取的表面区域近似看作一个可由一根样条线在某一确定方式下进行一系列平移、旋转而形成的曲面，根据上述样条线的长度与该样条线在上述确定方式下进行一系列平移、旋转所形成的路径的长度的比例，确定该路径上用于采样的样条线数及每根用于采样的样条线上要进行的采样次数，以此来形成采样网格；

然后，计算上述采样网格中各网格点处朝向三维模型的法向量，结合各网格点位置确定位于三维模型上的采样点，在采样点处获取该点处的材质信息和UV坐标信息，并进一步计算获得该点处的渲染颜色值；

最后利用各采样点处获得的渲染颜色值进行图像编码并输出为二维图片文件(一般选择编码为PNG格式)以保存。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明通过构建三维模型中需要进行图案展平提取的表面区域的采样网格，并根据所构建的采样网格进行渲染采样，将从各采样网格点处进行渲染采样获得的颜色值进行组织并按图像编码输出为二维图片文件以保存，从而实现了三维模型表面图案展平提取全部流程，得到了进行图案展平提取的表面区域的二维图片输出结果，该方法的输出结果基本保留了该表面区域上图案的形态和比例，且方法中兼容各类来源的三维模型，具有较好的通用性，不依赖任何特定平台的私有算法，适合跨平台使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、针对三维模型中需要进行图案展平提取的表面区域，在特定方式的运作下，构建采样网格；

S2、对构建的采样网格进行渲染采样，并计算渲染采样的渲染颜色值；

S3、采用二维数组对渲染颜色值进行组织暂存；

S4、对组织暂存的渲染颜色值进行图像编码，输出二维图片文件并进行保存。

2.根据权利要求1所述的一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，其特征在于，所述表面区域为一个由一根样条线在进行一系列平移、旋转后形成的曲面。

3.根据权利要求2所述的一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，其特征在于，所述构建采样网格的特定方式包括以下步骤：根据所述样条线的长度与所述形成曲面的路径相比，确定样条线的数量及采样的次数，并构建采样网格。

4.根据权利要求2所述的一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，其特征在于，所述三维模型为旋转体的三维模型。

5.根据权利要求2所述的一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，其特征在于，所述构建采样网格使用的样条线及样条线的路径根据实际三维模型及需要进行图案展平提取的表面区域手动设置。

6.根据权利要求1所述的一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，其特征在于，所述对构建的采样网格进行渲染采样，并计算渲染采样的渲染颜色值还包括以下步骤：

S21、在采样网格中根据样条线计算每个网格点处朝向三维模型的法向量；

S22、在各网格点处，利用所述法向量定位三维模型的采样点；

S23、获取所述采样点的材质信息和UV坐标信息。

S24、利用材质信息和UV坐标信息，获取该点的渲染颜色值。

7.根据权利要求6所述的一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，其特征在于，所述利用材质信息和UV坐标信息，获取该点的渲染颜色值还包括以下步骤：

S241、根据所述材质信息获取到该材质的漫反射贴图；

S242、根据所述UV坐标信息及所述漫反射贴图的分辨率计算该UV坐标在该漫反射贴图上所对应的像素点，获得该点的渲染颜色值。

8.根据权利要求7所述的一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，其特征在于，所述二维图片的分辨率公式如下：

w*h＝2πr：l；

其中，r为样条线上各采样点到其旋转轴距离的平均值，l为样条线长度。

9.根据权利要求6所述的一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，其特征在于，所述获取所述采样点处的材质信息和UV坐标信息还包括以下步骤：

S231、利用射线检测技术定位于三维模型的采样点并获取该点处的材质信息和UV坐标信息。

10.根据权利要求9所述的一种基于渲染采样的三维模型表面图案展平提取方法，其特征在于，所述射线检测技术包括以各采样网格点为射线起点，以该网格点处朝向三维模型的法向量为射线方向来发起射线检测；

若击中三维模型，则击中点处即为所述采样点，并提供该点处的材质信息和UV坐标信息；

若未击中三维模型，则使用预先设置的固定颜色值替代渲染采样的结果。

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