專利名稱：一種基于紋理的三維網(wǎng)格模型變形方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于信息處理技術領域，具體涉及一種基于紋理的三維網(wǎng)格模型變形方法
及系統(tǒng)。
背景技術：
現(xiàn)今網(wǎng)格模型變形仍是3D模型建模的一種重要手段，而能把藝術家在一個網(wǎng)格 模型精心構建好的變形轉(zhuǎn)移到另一個模型上的變形轉(zhuǎn)移，也是最近幾年的熱點之一。
網(wǎng)格模型變形是3D模型建模的一種重要手段，其中一類方法是采用蒙皮技術。該 技術預先通過骨架調(diào)整得到模型的大致姿勢，然后再通過給骨架蒙皮來實現(xiàn)整個模型的變 形。最近幾年有很多研究者對圖形蒙皮、圖形變形、變形轉(zhuǎn)移等方面進行了很多研究，也得 到了不少結(jié)果。但由于三維網(wǎng)格建模和變形的復雜性，目前仍需要模型設計者耗費大量的 時間和精力，采用復雜的三維造型技術，實現(xiàn)三維網(wǎng)格模型的變形效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種基于紋理的三維網(wǎng)格模型變形方法及系統(tǒng)， 通過提取已知模型的變形特征，并把該特征轉(zhuǎn)移到另一個模型上，以達到變形轉(zhuǎn)移的目的。
基于上述目的，本發(fā)明實施例提供了一種基于紋理的三維網(wǎng)格模型變形方法，該 方法包含以下步驟 從已有的網(wǎng)格模型中提取網(wǎng)格頂點位置； 根據(jù)網(wǎng)格頂點位置和網(wǎng)絡模型對應的骨架模型及其局部標架信息構造變形紋 理； 應用變形紋理到指定模型上，生成變形效果。
相應地，本發(fā)明實施例還提供了一種三維網(wǎng)絡模型處理系統(tǒng)，包括
獲取模塊，用于從已有的網(wǎng)格模型中提取網(wǎng)格頂點位置； 構造模塊，用于根據(jù)網(wǎng)格頂點位置和網(wǎng)絡模型對應的骨架模型及其局部標架信息 構造變形紋理； 處理模塊，用于應用變形紋理到指定模型上，生成變形效果。 該變形特征稱為變形紋理，變形紋理可以起到一些特殊的蒙皮效果，如肌肉凸起 或手肘彎曲等，并且其不需針對某個特殊的模型，即變形紋理可以被用到其它用戶想用的 模型上。變形紋理被稱作紋理的原因在于，其可以被計算機顯卡讀取其它一般三維紋理般 讀取，并利用顯卡的高速并行浮點運算能力來計算，實現(xiàn)加快顯示速度、實時的響應的效 果。 變形紋理是基于骨架展開的，跟三維模型上的網(wǎng)格頂點存在對應關系。當對模型 進行調(diào)整時，可以通過選取變形紋理上的區(qū)域來得到三維模型上的區(qū)域，從而避免了直接 在三維模型上選取會產(chǎn)生遮擋的情況。 此外，本發(fā)明的方法中對骨架采用了近似極坐標的計算方法，當發(fā)生繞骨架旋轉(zhuǎn)的情況時，實質(zhì)上只是極坐標角度變量的改變，從而避免了在發(fā)生旋轉(zhuǎn)時出現(xiàn)皺褶現(xiàn)象。
變形紋理的構造，主要包括以下幾個步驟 (1)由初始姿勢及其骨架局部標架，計算得到每一點的局部坐標； (2)由約束姿勢及其骨架局部標架，計算得到每一點的局部坐標，記錄其相對應的
變形骨架角度，作為其特征角度； (3)根據(jù)前后局部坐標之差得到對應的變形變化量； [ooao] (4)將變化量標準化； (5)把標準變化量按照XY軸展開到
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的圖像作為變形紋理。 當變形紋理構造完成后，它就可以被應用到別的模型上，從而得到類似的變形效
果。應用過程可分成以下幾個步驟 (1)由初始姿勢及其骨架局部標架，計算得到每一點的局部坐標； (2)調(diào)整骨架得到新姿勢的骨架，把骨架間所形成的角度作為模型的特征角度。為
了得到新模型的某個角度的變形，需要求出每一點的局部坐標在該角度時的變化量。根據(jù)
它的局部XY軸坐標，在變形紋理讀取相應的象素點，得到訓練模型在該點的標準變化量。
標準變化量通過當前骨骼局部標架，還原成適合于當前模型的變化量。最后還要考慮當前
的變形角度在變化量中占的比重，比重和變化量相乘，從而得到所需的變化量。把變化量和
初始姿勢的點的局部坐標結(jié)合，得到新的局部坐標； (3)最后，由骨架局部標架的全局坐標和各頂點的新的局部坐標，計算出各頂點的 全局坐標。 實施本發(fā)明實施例，具有如下有益效果可以避免三維網(wǎng)格模型變形過程中出現(xiàn) 的皺褶情況，從而避免大多數(shù)變形方法會碰到的在大角度旋轉(zhuǎn)時出現(xiàn)畸形情況的問題。根 據(jù)紋理和3D模型的頂點對應關系，通過選取紋理上的一個區(qū)域來選取3D模型上的區(qū)域，在 進行變形調(diào)整，因此操作方式更為簡單且快捷。將3D變形和3D渲染流水線結(jié)合在一起，在 進行操作時可以提供實時效果，在實際應用中，將得到更快的執(zhí)行速度。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可 以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發(fā)明實施例中的基于紋理的三維網(wǎng)格模型變形方法的流程圖；
圖2為本發(fā)明實施例中的三維網(wǎng)絡模型處理系統(tǒng)結(jié)構示意圖；
圖3為通過本發(fā)明實施例中方法實現(xiàn)的變形效果圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明實施例。 如圖1所示，圖1示出了本發(fā)明實施例中的基于紋理的三維網(wǎng)格模型變形方法，該 方法主要包含以下步驟 S101 :從已有的網(wǎng)格模型中提取網(wǎng)格頂點位置；
S102:根據(jù)網(wǎng)格頂點位置和網(wǎng)絡模型對應的骨架模型及其局部標架信息構造變形 紋理； S103 :應用變形紋理到指定模型上，生成變形效果。 具體的，本發(fā)明方法中的變形紋理是一種應用于變形的特征描述方式。計算變形 紋理時，使用兩個比較重要的定義初始姿勢和約束姿勢。初始姿勢，一般是模型盡可能舒 展開的一種姿勢。此時，表皮的形狀會盡可能只受其所附著的骨骼影響。初始姿勢主要包 括初始姿勢的模型包括模型上每個頂點的位置、形成網(wǎng)格的三角面片的網(wǎng)格拓撲結(jié)構，和 當前姿勢想對應的骨架及其局部標架，還有每塊骨骼的影響映射。由于任一點都只考慮受 一塊骨架的影響，所以這個影響映射可以和頂點位置記錄在一起，以骨架的塊號來表示。約 束姿勢， 一般是由初始姿勢，經(jīng)過一些骨架調(diào)整，相應地引起表皮變形，而得到的姿勢。相比 與初始姿勢，網(wǎng)格拓撲結(jié)構和影響映射是一樣，可以直接使用。 為計算變形紋理，基于已知模型的初始姿勢和約束姿勢，構造從世界坐標向局部 坐標轉(zhuǎn)換的函數(shù)如下
V。， = C(S。， V。) 其中S。為初始姿勢的骨架，V。為初始姿勢的頂點世界坐標，函數(shù)C把世界坐標V。 轉(zhuǎn)換成S。定義的坐標系統(tǒng)的局部坐標V。'。相應地，可以計算出約束姿勢的頂點局部坐標 V/。對應不同的骨架，函數(shù)C有以下幾種方式
共性設置沿著骨骼方向為X軸。 上臂型以x軸上任一點為原點作極坐標系。繞x軸的角度a、該方向上的長度r。 只會修改r的大小。 前臂型以x軸上任一點為原點作極坐標系。繞x軸的角度a、該方向上的長度r。 會修改a和r的大小。 腰部型以x軸上任一點為原點作極坐標系。繞x軸的角度a、該方向上的長度r。 會修改a和r的大小，且x軸可彎曲。 手掌型和掌面平行，且于x軸垂直作z軸，xz平面上任一點為原點，作一軸坐標 系為y軸。 得到初始姿勢和約束姿勢的局部坐標后，就對它們求差值，以便得到相應的變化
dV = V「V。
標準化可以有很多種處理方法，這里采用方法如下 沿X軸的變化量一般下于骨骼長度的一半，所以采用 x = (x+0. 5*骨骼長度)/ (2*骨骼長度)=(x/ (2*骨骼長度))+0. 25 沿Y軸(角度)的變化量一般小于180度，所以采用 y= (y+pi)/(2*pi) = (y/(2*pi))+0. 5 和X軸類似，對Z軸采用 z = (x+0. 5*骨骼長度)/ (2*骨骼長度)=(x/ (2*骨骼長度))+0. 25 根據(jù)初始姿勢的局部坐標XY軸坐標，可以把標準變化量預先插值展成一張圖像。
這個過程可以利用顯示卡的渲染流水線的繪制功能，把變化量當作是顏色值，就可以很快
插值出一張
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的圖像。得到該圖像后，當需要把變形轉(zhuǎn)移到另一個模型上時，可
5以將該模型的初始姿勢的頂點局部坐標作為訪問紋理的坐標，即可從圖像上讀取到相應的 標準變化量。 當使用變形紋理時，首先對新模型進行計算局部坐標
V， = C(S， V) S為骨架，V為原世界坐標，函數(shù)C把原世界坐標V轉(zhuǎn)換成S定義的坐標系統(tǒng)的局 部坐標V'。同時，因為并不是所有的新模型都是處于初始姿勢的狀態(tài)，所以也需要計算其特 征角度a 。 接著，可由用戶對骨架進行操縱，以以下方式來獲取新的骨架
S， = M(S， U) U為用戶操作，函數(shù)M根據(jù)用戶操作U把原骨架S轉(zhuǎn)換成期望骨架S'。 根據(jù)骨架的變化量來計算出模型相應的變化量，利用前面得到的變形紋理，可以
通過以下形式得到各頂點的變化量 V" = D(V'， S， S'， T) 設dS為骨架變化量，即由S'和S算得特征角度的差，T為變形紋理，函數(shù)D根據(jù) dS和T把V'轉(zhuǎn)換成新的局部坐標V"。函數(shù)D中包括了讀取紋理T，根據(jù)dS計算權重，再對 所得的標準變化量基于S進行非標準化的V"。 最后通過計算所得的局部坐標配合新的骨架，計算出新的頂點坐標
V = C—乂S，，V") 由新骨架S'和新局部坐標V"算出新的世界坐標V。 上述過程提供一個方便快速的變形轉(zhuǎn)移的方法，但是由于不同模型間必然存在差 異性，這樣進行的變形轉(zhuǎn)移以后，可能并不能立即得到完美的結(jié)果。因此本方法包含一個模 型調(diào)整的過程。 變形紋理是跟3D模型上的點是一一對應的，即用戶使用時能夠感受到一種3D模
型被展開的感覺，因此可以在變形紋理上選取到一個和他想要選取的區(qū)域相近的區(qū)域。當
他選取了某個紋理區(qū)域后，系統(tǒng)在3D模型上相對應的區(qū)域變成高亮。基于這個已選區(qū)域，
再進行一些細微調(diào)整選取邊界，就可以得到用戶想要的選取區(qū)域。選取操縱區(qū)域后，用戶可
以通過方向鍵來調(diào)整整個區(qū)域中頂點的局部坐標，以此來對變形結(jié)果進行調(diào)整。 相應地，圖2示出了本發(fā)明實施例中的三維網(wǎng)絡模型處理系統(tǒng)結(jié)構示意圖，包括 獲取模塊201，用于從已有的網(wǎng)格模型中提取網(wǎng)格頂點位置； 構造模塊202，用于根據(jù)網(wǎng)格頂點位置和網(wǎng)絡模型對應的骨架模型及其局部標架 信息構造變形紋理； 具體的，該構造模型202實現(xiàn)變形紋理方式如下 由模型初始姿勢及初始姿勢骨架局部標架，計算得到初始姿勢每一點的局部坐 標； 由模型約束姿勢及約束姿勢骨架局部標架，計算得到約束姿勢每一點的局部坐 標，記錄約束姿勢相對應的變形骨架角度，作為約束姿勢特征角度；
由模型出初始勢和模型約束姿勢的局部坐標之差得到對應的變形變化量；
將變化量標準化； 把標準變化量按照XY軸展開到
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的圖像作為變形紋理
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處理模塊203，用于應用變形紋理到指定模型上，生成變形效果。 具體的，該處理模塊203應用變形紋理到指定模型上處理方式如下 由模型初始姿勢及初始姿勢骨架局部標架，計算得到指定模型下每一點的局部坐
標； 調(diào)整骨架得到指定模型下的骨架，把骨架間所形成的角度作為指定模型的特征角
度，并求出指定模型每一點的局部坐標在該特征角度時的變化量； 把變化量和初始姿勢的點的局部坐標結(jié)合，得到新的局部坐標； 由指定模型下骨架局部標架的全局坐標和各頂點的局部坐標，計算出指定模型下
各頂點的全局坐標。 相應地，圖3示出了通過本發(fā)明實施例中方法實現(xiàn)的變形效果圖，其中(a)為輸 入的三維網(wǎng)格模型的初始姿勢；(b)為約束姿勢；(c)為使用本發(fā)明方法提取得到的變形紋 理；(d)為變形后所得的結(jié)果。 綜上，實施本發(fā)明，可以避免三維網(wǎng)格模型變形過程中出現(xiàn)的皺褶情況，從而避免 大多數(shù)變形方法會碰到的在大角度旋轉(zhuǎn)時出現(xiàn)畸形情況的問題。根據(jù)紋理和3D模型的頂 點對應關系，通過選取紋理上的一個區(qū)域來選取3D模型上的區(qū)域，在進行變形調(diào)整，因此 操作方式更為簡單且快捷。將3D變形和3D渲染流水線結(jié)合在一起，在進行操作時可以提 供實時效果，在實際應用中，將得到更快的執(zhí)行速度。 通過以上的實施方式的描述，本領域的技術人員可以清楚地了解到本發(fā)明可借助 軟件加必需的硬件平臺的方式來實現(xiàn)，當然也可以全部通過硬件來實施?；谶@樣的理解， 本發(fā)明的技術方案對背景技術做出貢獻的全部或者部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來， 該計算機軟件產(chǎn)品可以存儲在存儲介質(zhì)中，如ROM/RAM、磁碟、光盤等，包括若干指令用以使 得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網(wǎng)絡設備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例 或者實施例的某些部分所述的方法。 以上所揭露的僅為本發(fā)明一種較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發(fā)明之權 利范圍，因此依本發(fā)明權利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
權利要求
一種基于紋理的三維網(wǎng)格模型變形方法，其特征在于，該方法包含以下步驟從已有的網(wǎng)格模型中提取網(wǎng)格頂點位置；根據(jù)網(wǎng)格頂點位置和網(wǎng)絡模型對應的骨架模型及其局部標架信息構造變形紋理；應用變形紋理到指定模型上，生成變形效果。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)網(wǎng)格頂點位置和網(wǎng)絡模型對應的 骨架模型及其局部標架信息構造變形紋理步驟包括由模型初始姿勢及初始姿勢骨架局部標架，計算得到初始姿勢每一點的局部坐標； 由模型約束姿勢及約束姿勢骨架局部標架，計算得到約束姿勢每一點的局部坐標，記 錄約束姿勢相對應的變形骨架角度，作為約束姿勢特征角度；由模型出初始勢和模型約束姿勢的局部坐標之差得到對應的變形變化量； 將變化量標準化；把標準變化量按照XY軸展開到
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的圖像作為變形紋理。
3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述應用變形紋理到指定模型上，生成變形 效果步驟包括由模型初始姿勢及初始姿勢骨架局部標架，計算得到指定模型下每一點的局部坐標； 調(diào)整骨架得到指定模型下的骨架，把骨架間所形成的角度作為指定模型的特征角度， 并求出指定模型每一點的局部坐標在該特征角度時的變化量；把變化量和初始姿勢的點的局部坐標結(jié)合，得到新的局部坐標；由指定模型下骨架局部標架的全局坐標和各頂點的局部坐標，計算出指定模型下各頂 點的全局坐標。
4. 一種三維網(wǎng)絡模型處理系統(tǒng)，其特征在于，包括 獲取模塊，用于從已有的網(wǎng)格模型中提取網(wǎng)格頂點位置；構造模塊，用于根據(jù)網(wǎng)格頂點位置和網(wǎng)絡模型對應的骨架模型及其局部標架信息構造 變形紋理；處理模塊，用于應用變形紋理到指定模型上，生成變形效果。
5. 如權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述構造模塊具體用于 由模型初始姿勢及初始姿勢骨架局部標架，計算得到初始姿勢每一點的局部坐標； 由模型約束姿勢及約束姿勢骨架局部標架，計算得到約束姿勢每一點的局部坐標，記錄約束姿勢相對應的變形骨架角度，作為約束姿勢特征角度；由模型出初始勢和模型約束姿勢的局部坐標之差得到對應的變形變化量； 將變化量標準化；把標準變化量按照XY軸展開到
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的圖像作為變形紋理。
6. 如權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理模塊具體用于 由模型初始姿勢及初始姿勢骨架局部標架，計算得到指定模型下每一點的局部坐標； 調(diào)整骨架得到指定模型下的骨架，把骨架間所形成的角度作為指定模型的特征角度，并求出指定模型每一點的局部坐標在該特征角度時的變化量；把變化量和初始姿勢的點的局部坐標結(jié)合，得到新的局部坐標；由指定模型下骨架局部標架的全局坐標和各頂點的局部坐標，計算出指定模型下各頂 點的全局坐標。
全文摘要
本發(fā)明實施例公開了一種基于紋理的三維網(wǎng)格模型變形方法，該方法包含以下步驟從已有的網(wǎng)格模型中提取網(wǎng)格頂點位置；根據(jù)網(wǎng)格頂點位置和網(wǎng)絡模型對應的骨架模型及其局部標架信息構造變形紋理；應用變形紋理到指定模型上，生成變形效果。相應地，本發(fā)明實施例還公開了一種三維網(wǎng)絡模型處理系統(tǒng)，實施本發(fā)明，在進行操作時可以提供實時效果，在實際應用中，將得到更快的執(zhí)行速度。
文檔編號G06T15/00GK101794462SQ20101012632
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權日2010年3月12日
發(fā)明者李崢, 羅笑南, 蘇卓, 趙仲明, 鄧正杰 申請人:中山大學