基于擠壓物體圖像的三維建模方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于擠壓物體圖像的三維建模方法及系統(tǒng)，該方法包括：提取待建模物體圖像的邊緣曲線，根據(jù)所述邊緣曲線獲取所述待建模物體圖像的底面輪廓，確定所述待建模物體的棱；確定所述棱的三維方向；根據(jù)所述棱的三維方向，獲取所述待建模物體的三維空間位置，并通過所述待建模物體的三維空間位置構建所述待建模物體的模型。該方法利用擠壓物體的二維圖像對圖像中的擠壓類物體進行三維建模，以拓寬從單張圖像建模方法的應用場合，同時增強其實用性。
【專利說明】基于擠壓物體圖像的三維建模方法及系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機圖形【技術領域】，具體涉及一種基于擠壓物體圖像的三維建模方法及系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]三維模型建模是計算機圖形學【技術領域】的重要組成部分。隨著數(shù)碼相機和互聯(lián)網(wǎng)公開圖像庫的普及，一種常見的建模方法便是利用單張圖像對圖像中的物體進行重新建模。盡管人類的視覺系統(tǒng)可以很容易感知出二維圖片中物體的三維幾何形狀，但僅憑計算機算法還是很難從單張圖片中恢復出準確可用的三維模型。因此將用戶的意圖與計算機算法有效結合并設計友好的用戶界面就顯得尤為重要。
[0003]目前一種技術方案要求用戶輸入三維的輔助信息。需要用戶直接在圖像上輸入深度圖信息，以此來幫助恢復場景。這類方法所需的用戶交互不僅十分耗時，而且對于初學者用戶來說也很具挑戰(zhàn)性。鑒于讓用戶輸入三維信息的困難性，另一種方案改為令用戶描畫圖像中物體的二維輪廓圖，在此基礎上通過計算機算法來重建三維模型。描畫完整的二維輪廓圖是一項冗長繁重而且容易出錯的任務。為了簡化用戶的輸入，一些技術方案允許用戶只提供一個粗略的輪廓草圖，并利用該輪廓草圖從已有的模型數(shù)據(jù)庫中檢索類似的模型，盡管這些技術方案使用起來很便利，但它們無法準確恢復出與圖片中物體相同的三維模型。
[0004]綜上，目前能夠準確從圖像中創(chuàng)建的物體類型還很有限，針對現(xiàn)有帶棱的一些擠壓類物體，通過上述方法并不能夠準確建模。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于擠壓物體圖像的三維建模方法及系統(tǒng)，實現(xiàn)了利用擠壓物體的二維圖像對圖像中的擠壓類物體進行三維建模。
[0006]第一方面，本發(fā)明提供一種基于擠壓物體圖像的三維建模方法，包括:
[0007]提取待建模物體圖像的邊緣曲線，根據(jù)所述邊緣曲線獲取所述待建模物體圖像的底面輪廓，確定所述待建模物體的棱；
[0008]確定所述棱的三維方向；
[0009]根據(jù)所述棱的三維方向，獲取所述待建模物體的三維空間位置，并通過所述待建模物體的三維空間位置構建所述待建模物體的模型。
[0010]可選的，所述確定所述棱的三維方向，包括:
[0011]對所述棱所在的三維方向采樣，得到所述三維方向的初值；
[0012]獲取所述底面輪廓中的直線段及采樣點；
[0013]通過所述底面輪廓中的直線段及采樣點對所述三維方向的初值進行優(yōu)化，并確定所述棱的三維方向。
[0014]可選的，利用所述底面輪廓中的直線段及采樣點通過方向準則對所述三維方向的初值進行優(yōu)化；
[0015]所述方向準則包括:平行準則、垂直準則、局部對稱準則和圖像匹配準則。
[0016]可選的，所述方法還包括:
[0017]若所述待建模物體由單個擠壓形體組成，則根據(jù)所述棱的三維方向，獲取所述待建模物體的三維空間位置；
[0018]若所述待建模物體由多個擠壓形體組成，則根據(jù)已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱均可得到待建模物體的其他擠壓形體，或者，根據(jù)待建模物體圖像其他部分的底面輪廓及其對應的棱，并通過所述棱的三維方向，獲取所述其他多個擠壓形體的三維空間位置；
[0019]檢測所述多個擠壓形體的棱的三維方向的垂直及平行關系，獲取所述多個擠壓形體間的相對位置關系，構建所述待建模物體的模型。
[0020]可選的，所述若所述待建模物體由多個擠壓形體組成，則根據(jù)已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱均可得到待建模物體的其他擠壓形體，或者，根據(jù)待建模物體圖像其他部分的底面輪廓及其對應的棱，并通過所述棱的三維方向，獲取所述其他多個擠壓形體的三維空間位置，包括:
[0021]若所述待建模物體由多個擠壓形體組成，且由已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱均可得到待建模物體的其他擠壓形體，則根據(jù)建模后的多個擠壓形體通過優(yōu)化獲取多個擠壓形體的三維空間位置；
[0022]若所述待建模物體由多個擠壓形體組成，且由已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱得不到待建模物體的其他擠壓形體，根據(jù)待建模物體圖像其他部分的底面輪廓及其對應的棱，并通過所述棱的三維方向，獲取所述其他多個擠壓形體的三維空間位置。
[0023]可選的，所述對所述三維方向的初值進行優(yōu)化，并確定所述棱的三維方向，用于使構建后的所述待建模物體的擠壓形體的底面形狀與所述待建模物體圖像滿足平行、垂直、和/或對稱的關系，同時使構建后的所述待建模物體的擠壓形體的頂面投影的平面圖像與所述待建模物體圖像一致。
[0024]可選的，所述根據(jù)建模后的多個擠壓形體通過優(yōu)化獲取多個擠壓形體的三維空間位置，用于使經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱變換后的擠壓形體的底面形狀與所述待建模物體圖像滿足平行、垂直、和/或對稱的關系，同時使構建后的所述待建模物體的擠壓形體的頂面投影和底面投影的平面圖像均與所述待建模物體圖像一致。
[0025]第二方面，本發(fā)明還提供了一種基于擠壓物體圖像的三維建模系統(tǒng)，包括:
[0026]提取模塊，用于提取待建模物體圖像的邊緣曲線，根據(jù)所述邊緣曲線獲取所述待建模物體圖像的底面輪廓，確定所述待建模物體的棱；
[0027]確認模塊,用于確定所述棱的三維方向；
[0028]模型構建模塊，用于通過所述棱的三維方向，獲取所述待建模物體的三維空間位置，并構建所述待建模物體的模型。
[0029]可選的，所述確認模塊，用于:
[0030]對所述棱所在的三維方向采樣，得到所述三維方向的初值；
[0031]獲取所述底面輪廓中的直線段及采樣點；
[0032]通過所述底面輪廓中的直線段及采樣點對所述三維方向的初值進行優(yōu)化，并確定所述棱的三維方向。
[0033]可選的，所述模型構建模塊，用于:
[0034]在所述待建模物體由單個擠壓形體組成時，根據(jù)所述棱的三維方向，獲取所述待建模物體的三維空間位置；
[0035]在所述待建模物體由多個擠壓形體組成是，根據(jù)已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱均可得到待建模物體的其他擠壓形體，或者，根據(jù)待建模物體圖像其他部分的底面輪廓及其對應的棱，并通過所述棱的三維方向，獲取所述其他多個擠壓形體的三維空間位置；
[0036]檢測所述多個擠壓形體的棱的三維方向的垂直及平行關系，獲取所述多個擠壓形體間的相對位置關系，構建所述待建模物體的模型。
[0037]由上述技術方案可知，本發(fā)明提供的一種擠壓物體圖像的三維建模方法及系統(tǒng)，該方法利用擠壓物體的二維圖像對圖像中的擠壓類物體進行三維建模，以拓寬從單張圖像建模方法的應用場合，同時增強其實用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明一實施例提供的基于擠壓物體圖像的三維建模方法的流程示意圖；
[0039]圖2本發(fā)明另一實施例提供的基于擠壓物體圖像的三維建模方法的流程示意圖；
[0040]圖3為本發(fā)明一實施例提供的基于擠壓物體圖像的三維建模系統(tǒng)的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0041]下面結合附圖，對發(fā)明的【具體實施方式】作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0042]本發(fā)明具體涉及基于擠壓類物體的二維圖像進行三維建模的方法和系統(tǒng)，所謂擠壓類物體，是指由一“底面”沿著垂直于該底面的方向，擠壓一段距離所形成的物體，與擠壓方向平行的線段族稱為“棱”，由于由單個或者多個擠壓形體組成的物體在生活中比較常見，因此對該類物體的三維建模具有十分重要的意義。
[0043]圖1示出了本發(fā)明實施例提供的一種基于擠壓物體圖像的三維建模方法，如圖1所示,上述三維建模方法包括如下步驟:
[0044]101、提取待建模物體圖像的邊緣曲線，根據(jù)所述邊緣曲線獲取所述待建模物體圖像的底面輪廓，確定所述待建模物體的棱。
[0045]舉例來說，上述步驟具體包括，首先提取已進行相機校準的圖像，在上述圖像中提取圖像的邊緣信息，將提取出的邊緣信息連接成連續(xù)的邊緣曲線；根據(jù)所述邊緣曲線獲取所述待建模物體圖像的底面輪廓，在底面輪廓曲率較大處檢測在底面輪廓之外的直線段，將該條線段定義為待建模物體的棱，即底面輪廓尖角處的直線段定義為待建模物體的棱。
[0046]102、確定所述棱的三維方向；
[0047]在具體應用中，利用所述底面輪廓中的直線段及采樣點通過方向準則對所述三維方向的初值進行優(yōu)化。
[0048]舉例來說，上述步驟102還包括圖1中未出的子步驟:
[0049]1021、對所述棱所在的三維方向采樣，得到所述三維方向的初值；
[0050]舉例來說，對棱所在的潛在三維方向進行采樣，記錄采樣過程中得到的最佳方向。
[0051]1022、獲取所述底面輪廓中的直線段及采樣點；
[0052]上述步驟具體是指，在底面輪廓中檢測直線段，同時對底面輪廓進行點采樣，記錄底面輪廓中的直線段及采樣點。
[0053]1023、通過所述底面輪廓中的直線段及采樣點對所述三維方向的初值進行優(yōu)化，并確定所述棱的三維方向。
[0054]在具體應用中，利用所述底面輪廓中的直線段及采樣點通過方向準則對所述三維方向的初值進行優(yōu)化；
[0055]其中方向準則包括:平行準則、垂直準則、局部對稱準則和圖像匹配準則。
[0056]上述優(yōu)化用于使構建后的所述待建模物體的擠壓形體的底面形狀與所述待建模物體圖像滿足平行、垂直、和/或對稱的關系，同時使構建后的所述待建模物體的擠壓形體的頂面投影的平面圖像與所述待建模物體圖像一致。
[0057]103、根據(jù)所述棱的三維方向，獲取所述待建模物體的三維空間位置，并通過所述待建模物體的三維空間位置構建所述待建模物體的模型。
[0058]舉例來說，上述待建模物體可以包括單個擠壓形體，也可以包括多個擠壓形體。根據(jù)棱的三維方向，計算該擠壓形體的三維空間位置，并構建對應的三角網(wǎng)格模型，同時結合圖像獲取該三角網(wǎng)格的紋理信息。
[0059]上述方法還包括圖1中未示出的步驟104-106:
[0060]104、若所述待建模物體由單個擠壓形體組成，則根據(jù)所述棱的三維方向，獲取所述待建模物體的三維空間位置。
[0061]舉例來說，若輸入圖像中待建模的物體只由單個擠壓形體組成，則建模過程完成。
[0062]105、若所述待建模物體由多個擠壓形體組成，則根據(jù)已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱均可得到待建模物體的其他擠壓形體，或者，根據(jù)待建模物體圖像其他部分的底面輪廓及其對應的棱，并通過所述棱的三維方向，獲取所述其他多個擠壓形體的三維空間位置。
[0063]舉例來說，若所述待建模物體由多個擠壓形體組成，且由已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱均可得到待建模物體的其他擠壓形體，則根據(jù)建模后的多個擠壓形體通過優(yōu)化獲取多個擠壓形體的三維空間位置；
[0064]上述優(yōu)化用于使經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱變換后的擠壓形體的底面形狀與所述待建模物體圖像滿足平行、垂直、和/或對稱的關系，同時使構建后的所述待建模物體的擠壓形體的頂面投影和底面投影的平面圖像均與所述待建模物體圖像一致。
[0065]若所述待建模物體由多個擠壓形體組成，且由已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱得不到待建模物體的其他擠壓形體，根據(jù)待建模物體圖像其他部分的底面輪廓及其對應的棱，并通過所述棱的三維方向，獲取所述其他多個擠壓形體的三維空間位置。
[0066]若所有的擠壓形體部分均已得到，則建模完成。
[0067]106、檢測所述多個擠壓形體的棱的三維方向的垂直及平行關系，獲取所述多個擠壓形體間的相對位置關系，構建所述待建模物體的模型。
[0068]舉例來說，上述構建后的所述待建模物體的模型投影后的平面圖像與所述提取待建模物體圖像一致。
[0069]上述方法能夠快捷的從單張圖像獲得該圖像的三維模型，該方法利用圖像中擠壓物體的底面投影形狀及擠壓方向，可以建模出底面形狀復雜的擠壓物體，本方法適用場景廣泛，同時，該方法結合簡潔的優(yōu)化目標設計，能夠較快的獲取擠壓物體圖像的三維模型，具有較強的實用性。
[0070]其中，上述步驟中由棱的三維方向確定擠壓形體三維空間位置的方法為:以棱的三維方向作為法線方向確定該擠壓形體的三維底平面，接著將圖像平面上的底面輪廓反向投影到該三維底平面，以確定此擠壓形體的三維底面的形狀和空間位置，最后將該擠壓形體的底面沿著棱的三維方向平移(平移的距離為棱的長度)，便得到了該擠壓形體的頂面的空間位置，整個擠壓形體的基本幾何及位置信息也由此確定。構建三角網(wǎng)格模型的方法為:首先對已經(jīng)得到的擠壓形體的底面和頂面做三角剖分，由此就得到了底面和頂面的三角網(wǎng)格；接著用一組三角形條帶將底面和頂面連接起來，便得到了整體的三角網(wǎng)格模型。計算三角網(wǎng)格模型紋理信息的方法為:將原始輸入圖像當作一塊紋理，把如前述得到的三角網(wǎng)格模型的每個三維頂點投影至圖像平面，對應的顏色值就作為該頂點的紋理顏色，對應的圖像坐標則作為該頂點的紋理坐標。
[0071]為了更清楚的說明上述方法，本發(fā)明采用如下步驟更進一步的說明。
[0072]圖2示出了本發(fā)明實施例提供的一種基于擠壓物體圖像的三維建模方法，如圖2所示,上述三維建模方法具體包括如下步驟:
[0073]201:獲取已進行相機校準的圖像；
[0074]202:提取待建模物體圖像的邊緣信息，接著將提取出的邊緣信息連接成連續(xù)的邊緣曲線；
[0075]203:根據(jù)所述邊緣曲線獲取所述待建模物體圖像的底面輪廓，得到底面輪廓后，在底面輪廓的尖角處檢測直線段，并將該直線段作為該擠壓形體的棱；
[0076]204:在底面輪廓中檢測直線段，同時對底面輪廓進行點采樣，記錄檢測出的直線段和離散采樣點；
[0077]205:對棱所在的三維方向進行采樣，記錄采樣過程中得到的最佳方向；
[0078]對棱所在的三維方向采樣時，理論上需要在圖像平面負方向的整個半球上采樣，但由于棱在圖像上的二維投影方向給出了限制條件，實際只需在該半球的一個四分之一圓弧上采樣。對于每一個采樣方向，均根據(jù)該方向計算出對應的三維底面和頂面的形狀及三維位置。選取最佳方向準則是使得對應的三維底面形狀盡可能規(guī)則(即盡可能多出現(xiàn)平行、垂直和局部對稱關系)，同時使得三維頂面形狀投影回圖像平面后的輪廓與原始圖像輪廓盡可能貼近。具體的各項準則的定義如下:
[0079]平行準則:

【權利要求】
1.一種基于擠壓物體圖像的三維建模方法，其特征在于，包括: 提取待建模物體圖像的邊緣曲線，根據(jù)所述邊緣曲線獲取所述待建模物體圖像的底面輪廓，確定所述待建模物體的棱； 確定所述棱的三維方向； 根據(jù)所述棱的三維方向，獲取所述待建模物體的三維空間位置，并通過所述待建模物體的三維空間位置構建所述待建模物體的模型。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定所述棱的三維方向，包括: 對所述棱所在的三維方向采樣，得到所述三維方向的初值； 獲取所述底面輪廓中的直線段及采樣點； 通過所述底面輪廓中的直線段及采樣點對所述三維方向的初值進行優(yōu)化，并獲取所述棱的三維方向。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，利用所述底面輪廓中的直線段及采樣點通過方向準則對所述三維方向的初值進行優(yōu)化； 所述方向準則包括:平行準則、垂直準則、局部對稱準則和圖像匹配準則。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 若所述待建模物體由單個擠壓形體組成，則根據(jù)所述棱的三維方向，獲取所述待建模物體的三維空間位置； 若所述待建模物體由多個擠壓形體組成，則根據(jù)已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱均可得到待建模物體的其他擠壓形體，或者，根據(jù)待建模物體圖像其他部分的底面輪廓及其對應的棱，并通過所述棱的三維方向，獲取所述其他多個擠壓形體的三維空間位置； 檢測所述多個擠壓形體的棱的三維方向的垂直及平行關系，獲取所述多個擠壓形體間的相對位置關系，構建所述待建模物體的模型。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述若所述待建模物體由多個擠壓形體組成，則根據(jù)已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱均可得到待建模物體的其他擠壓形體，根據(jù)待建模物體圖像其他部分的底面輪廓及其對應的棱，并通過所述棱的三維方向，獲取所述其他多個擠壓形體的三維空間位置，包括: 若所述待建模物體由多個擠壓形體組成，且由已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱均可得到待建模物體的其他擠壓形體，則根據(jù)建模后的多個擠壓形體通過優(yōu)化獲取多個擠壓形體的三維空間位置； 若所述待建模物體由多個擠壓形體組成，且由已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱得不到待建模物體的其他擠壓形體，或者，根據(jù)待建模物體圖像其他部分的底面輪廓及其對應的棱，并通過所述棱的三維方向，獲取所述其他多個擠壓形體的三維空間位置。
6.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述對所述三維方向的初值進行優(yōu)化，并確定所述棱的三維方向，用于使構建后的所述待建模物體的擠壓形體的底面形狀與所述待建模物體圖像滿足平行、垂直、和/或對稱的關系，同時使構建后的所述待建模物體的擠壓形體的頂面投影的平面圖像與所述待建模物體圖像一致。
7.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)建模后的多個擠壓形體通過優(yōu)化獲取多個擠壓形體的三維空間位置，用于使經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱變換后的擠壓形體的底面形狀與所述待建模物體圖像滿足平行、垂直、和/或對稱的關系，同時使構建后的所述待建模物體的擠壓形體的頂面投影和底面投影的平面圖像均與所述待建模物體圖像一致。
8.一種基于擠壓物體圖像的三維建模系統(tǒng)，其特征在于，包括: 提取模塊，用于提取待建模物體圖像的邊緣曲線，根據(jù)所述邊緣曲線獲取所述待建模物體圖像的底面輪廓，確定所述待建模物體的棱； 確認模塊，用于確定所述棱的三維方向； 模型構建模塊，用于通過所述棱的三維方向，獲取所述待建模物體的三維空間位置，并構建所述待建模物體的模型。
9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述確認模塊，用于: 對所述棱所在的三維方向采樣，得到所述三維方向的初值； 獲取所述底面輪廓中的直線段及采樣點； 通過所述底面輪廓中的直線段及采樣點對所述三維方向的初值進行優(yōu)化，并確定所述棱的三維方向。
10.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述模型構建模塊，用于: 在所述待建模物體由單個擠壓形體組成時，根據(jù)所述棱的三維方向，獲取所述待建模物體的三維空間位置； 在所述待建模物體由多個擠壓形體組成是，根據(jù)已建模后的擠壓形體經(jīng)三維平移、旋轉、和/或鏡面對稱均可得到待建模物體的其他擠壓形體，或者，根據(jù)待建模物體圖像其他部分的底面輪廓及其對應的棱，并通過所述棱的三維方向，獲取所述其他多個擠壓形體的三維空間位置； 檢測所述多個擠壓形體的棱的三維方向的垂直及平行關系，獲取所述多個擠壓形體間的相對位置關系，構建所述待建模物體的模型。
【文檔編號】G06F17/50GK104200525SQ201410462662
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權日:2014年9月12日
【發(fā)明者】胡事民, 曹炎培, 居濤, 付釗 申請人:清華大學