[发明专利]基于图像的复杂三维模型绘制方法

摘要

本发明提供一种基于图像的复杂三维模型绘制方法，在包围模型的球面上均匀选择顶点作为相机坐标位置，以球心为相机的目标点，获得模型在此采样视角下的彩色图像与深度图像。根据采样点坐标对球面进行三角划分，确定虚拟视角所在的三角形，取以三角形的顶点为采样点所对应的视角为参考视角，使用参考视角下的深度图像与彩色图像绘制虚拟视角下的模型首先，利用参考视角的参数分别计算虚拟视角与三个参考视角中像素之间的映射关系；其次，以深度图像为参考，选择合适的参考视角像素或者背景像素绘制虚拟视角的图像；最后，对绘制得到的彩色图像进行优化。本发明能够满足实时性的要求，同时得到十分逼真的绘制效果。

主权项

基于图像的复杂三维模型绘制方法，其特征包含如下过程：(1)虚拟视角的标定：根据采样点相机位置坐标对包围模型的球面进行三角划分，确定虚拟视角所在的三角面片，取此三角面片的三个顶点所对应的视角为参考视角，虚拟视角可以被表示成参考视角的线性组合；以不同采样点的深度图像、彩色图像与采样点相机参数表示物体的三维模型，三维模型M用一个二元组<K,V>表示，其中K是一单纯复形，表示了采样点的连接关系；V表示采样点的集合，V＝(vi|i＝1,2,3...|V||)，|V|表示采样点的个数；Vi＝(ci,di,pi)表示第i个采样点，ci和di分别表示第i个采样点彩色图像和深度图像,pi表示了第i个采样点的相机参数，pi＝(pci,poi,aspi,fovi,zni,zfi)，pci表示相机位置,poi表示相机目标位置，aspi表示相机视野的纵横比，fovi表示相机的视野的广度，zni、zfi分别表示相机有效深度的最小值与最大值；在绘制虚拟视角下的模型之前，需要求出与虚拟视角最近的三个采样点，即进行虚拟视角的标定，因为所有的采样点在包围物体的球面上是均匀分布的，在球面按照采样点坐标进行三角划分后，只需要确定虚拟视角所在的三角面片，则以此三角面片三个顶点就是所需的最近采样点，这三个最近采样点被称为虚拟视角的参考点，<v1,v2,v3>＝f(v)                         (1)其中，v是虚拟视角，<v1,v2,v3>是虚拟视角所在的三角面片，v1,v2,v3是v的参考点，通过求解从虚拟视角相机位置指向球心的向量与逼近包围物体球面的多面体的交点，根据交点所在的三角面片确定三个最近参考点；虚拟视角可以由参考点线性合成，且满足：其中，分别代表由虚拟视角坐标点和三个参考点坐标指向球心的向量；三个参考点的坐标与球心构成四面体结构，虚拟视角的坐标位于参考点坐标所围成的三角面片内，令向量四面体体积可以表示成不在同一个平面内的三 条边的混合积的形式：公式（2）变形得：将公式(4)带入公式(3)的后半部分得到如下公式：同理，可以得到：只需要在所有的面片当中进行遍历，利用公式(5)、(6)求出每一个三角面片中α、β，如果α、β满足公式(2)中的约束条件，则虚拟视角就在此面片的包围之中，且此虚拟视角可以根据公式(2)由参考点线性表示；(2)计算与绘制:根据虚拟视角、参考视角的位置和相机参数，计算三个参考视角图像中每个像素的坐标与虚拟视角下的像素坐标之间的映射关系；根据映射关系，将参考视角下彩色图像中的每一个像素映射到虚拟视角下的图像中，计算该像素在虚拟视角下图像中的坐标和深度值，对于有多个参考视角的像素映射到同一位置的情况，取深度值小的像素值；同时标记虚拟视角下图像中所有已被参考视角像素填充的像素，构造一幅反映从参考视角到虚拟视角映射情况的灰度图；(3)图像的优化：对于虚拟视角下图像中的空洞，即经过(2)计算没有参考图像映射到该位置的像素，从反映参考视角到虚拟视角映射情况的灰度图中提取边缘轮廓信息，沿着边缘轮廓对生成的彩色图像进行中值滤波，用邻居像素的值填补空洞；同时，通过中值滤波过滤掉噪声像素；通过步骤(1)实现对虚拟视角的标定，确定用于虚拟视角绘制的参考视角，通过步骤(2)建立参考视角下的像素到虚拟视角下像素之间的映射关系，实现对虚拟视角下的复杂模型绘制；在步骤(2)与步骤(3)中使用CUDA并行计算，加速虚拟视角下的绘制与优化速度，达到实时交互的要求；该基于图像的复杂三维模型绘制方法利用三个参考点对虚拟视角下的模型进行绘制， 这样既可以保证虚拟视角能够在水平与竖直两个维度上自由的移动，又最大限度的降低算法的输入量与存储开销；该基于图像的复杂三维模型绘制方法非常稳定，算法的时间复杂度与场景的复杂度耦合性低，尤其适用于复杂模型的绘制。