[发明专利]一种特征保持的模型简化方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维建模和三维模型简化方法，属于计算机图形学领域。

背景技术

随着三维游戏、动漫技术的不断发展，对三维场景的真实感要求越来越高，这必然导致场景中对象的三维模型越来越复杂，使得三维模型的数据量快速膨胀。而另一方面，如在三维游戏中要求玩家可以与三维场景进行实时交互，这就要求能对模型进行快速的处理、传输与储存，因此，模型简化技术成为一种必要。

对于三维游戏、动漫设计、三维服装CAD设计、虚拟试穿、服装立体裁剪等应用，都需要大量的三维人体模型。目前，对三维人体模型进行建模的方法主要有两种：一种是利用现有的造型软件，如3DS Max、Poser、Maya等；另一种方法是是利用三维扫描仪，对人体进行扫描，并根据扫描数据生成三维人体模型。采用软件进行人体建模的缺点是：造型工作繁琐、工作量大，所得到的三维人体模型显得呆板、真实感差。采用三维扫描设备得到的人体模型省去了复杂的建模工作、三维模型精度高、真实感强，但缺点是模型的数据量很大，例如：著名的大卫雕塑扫描后生成的几何数据就达到有数十亿三角形之巨。

受限于内存容量、总线带宽和CPU处理性能，绘制这类三维扫描的网格模型具有很大挑战。因此，对复杂的三维扫描模型进行简化，自动得到一系列的简化模型，并在绘制游戏、动漫场景时，根据绘制对象的尺寸、位置，使用不同的简化模型进行绘制，可以极大地提高场景绘制的速度。

模型简化最常用的方式是采用删减法，包括顶点删除，三角形删除以及边的折叠。顶点删除主要是寻找模型中对特征影响不大的点，删除一个顶点后，重新计算一个新的顶点，然后将其边和三角形重新与其组合。三角形删除法是针对模型中比较平坦的三角面片或者是面积比较小的三角面片，将其折叠成一个顶点，消去三角形达到简化的目的。边折叠是通过折叠两个三角形的某条公共边为一个顶点来进行简化，通常这个新顶点需要通过公共边的两个顶点来计算得到。

发明内容

本发明提出了一种对三维扫描所得到的网格模型进行模型简化的方法，使用本发明所提出的方法，可以自动得到一系列不同精度的简化模型，大大提高对象建模的工作效率，并借组于场景调度方法最终提高游戏、动漫场景的绘制速度。

本发明的核心思想是对经过三维扫描仪扫描得到的物体三维网格数据，采用一种特征保持的边折叠方法进行模型简化，得到一系列特征保持良好的不同精度的简化模型，通过构造原始网格模型的多个逼近表示，当采用多分辨率技术进行虚拟场景绘制时，结合硬件资源的绘制能力和绘制误差，选择最优的细节层次进行绘制，并在保证绘制速度的前提下尽可能提高场景的绘制质量。

本发明提出的特征保持的模型简化方法，在保留模型更好的视觉特征的同时，也相应提高了模型简化速度。本发明的突出优点是：当简化的网格模型的三角面片数较少的情况下，也能保持较好的视觉特征，同时，通过减少计算代价，提高了模型简化速度。

本发明将顶点筛选和边折叠两种方法进行结合，从而将复杂模型简化成最大化视觉特征保留的精简模型。本发明采用以下步骤实现模型简化：

一种特征保持的模型简化方法，包括如下步骤：

1)采用三维扫描仪，对对象进行扫描，得到原始网格模型；

2）选取原始模型默认的公共顶点，判断相邻的顶点并组合成四面体；

3)计算公共顶点的特征度权值，并与特征度均值进行比较，如果该公共顶点的特征度权值大于特征度均值，转向第4)步，否则，转向第5)步；

4）将公共顶点加入特征度索引列表，该特征度索列表中的顶点将优先不进行处理，即得到保留；

5）公共顶点放回原顶点索引列表中，并且标记为已处理；

6）对原顶点索引列表中的剩余顶点联合相邻的边与三角形进行边折叠优化；

7）重复3）、4）、5），直至所有顶点处理完成，模型简化完成。

所述公共顶点的特征度权值的选择与以及特征度大小判断方法如下：

1）在组合四面体时，默认公共顶点选取第一个相邻边有3条以上的顶点，若有三个及三个以上的顶点共线，分别选取最小点和最大点；

2）分别计算公共顶点到剩余三点组成的底面的距离、底面法向量与公共顶点相邻三角形法向量的夹角、公共顶点的高斯曲率，所述距离、夹角、高斯曲率这三个因子作为权值共同决定顶点的特征度大小；

3）判断并选取每个公共顶点的特征度权值的最小值与最大值，然后取特征度最小值与最大值的平均值作为特征度均值，当公共顶点特征度权值大于特征度均值的点加入特征度顶点索引列表，反之放回原顶点索引列表。