曲面渲染系統及方法
2023-07-30 11:24:51
專利名稱：曲面渲染系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種曲面構建系統及方法，尤其是關於一種曲面渲染系統及方法。
背景技術：
目前較為成熟的模型重建技術是通過構建曲面來實現的，在構建曲面的過程中， 根據實物模型的點雲數據構建曲面、對曲面利用幾何圖形，例如三角形進行網格化以逼近 實物面在實踐中被廣泛應用。常用的曲面三角網格化方法有迭代法和迪式(Delaimay)算 法，然而這兩種方法都存在不足之處用迭代法直接算出曲面的控制點，再根據控制點坐標 擬合三角形的速度非常慢，且擬合出來的三角形大小不一致，速度和精度都不盡人意；用 Delaimay算法所獲得的三角網格比較規則，但Delaimay算法致力於提高剖分質量，而導致 剖分生成的三角面片的數量巨大，所以速度緩慢。
發明內容
鑑於以上內容，有必要提供一種曲面渲染系統，可以快速三角網格化曲面，並對網 格化後的曲面各區域的三角形根據該區域的平滑程度進行多級細分，提高曲面渲染的速度 及精度。此外，還有必要提供一種曲面渲染方法，可以快速三角網格化曲面，並對網格化後 的曲面各區域的三角形根據該區域的平滑程度進行多級細分，提高曲面渲染的速度及精度。一種曲面渲染系統，應用於數據處理裝置。該系統包括曲面網格化模塊，用於從 與數據處理裝置相連接的存儲設備讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據曲面控制點及曲面 邊界點對曲面進行三角網格化；曲面細分模塊，用於根據網格化後的曲面中相鄰三角形法 向量的夾角大小對曲面中的三角形進行多級細分；顯示狀態標示模塊，用於確定多級細分 後的曲面中的表面三角形及內部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏信息；及曲 面顯示模塊，用於確定與數據處理裝置相連接的顯示設備的視口顯示範圍，在所述視口顯 示範圍內顯示曲面中的表面三角形。一種曲面渲染方法，應用於數據處理裝置。該方法包括(A)從與數據處理裝置相 連接的存儲設備讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行 三角網格化；(B)根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大小對曲面中的三角形 進行多級細分；(C)確定多級細分後的曲面中的表面三角形及內部三角形，得到曲面中所 有三角形的顯示及隱藏信息；及(D)確定與數據處理裝置相連接的顯示設備的視口顯示範 圍，在所述視口顯示範圍內顯示曲面中的表面三角形。相較於現有技術，本發明提供的曲面渲染系統及方法可以快速三角網格化曲面， 對網格化後的曲面各區域的三角形根據該區域的平滑程度進行多級細分，並快速顯示曲 面，提高曲面渲染的速度及精度。
圖1是本發明曲面渲染系統較佳實施例的應用環境圖。圖2是本發明曲面渲染方法較佳實施例的總流程圖。圖3是圖2中步驟S201的細化流程圖。圖4是圖2中步驟S203的細化流程圖。圖5是圖2中步驟S205的細化流程圖。圖6是圖2中步驟S207的細化流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，是本發明曲面渲染系統10較佳實施例的應用環境圖。該曲面渲染系 統10安裝並運行於電子裝置100。該電子裝置100還包括存儲設備20、處理器30及顯示 設備40。存儲設備20用於存儲曲面相關資料及曲面渲染系統10的計算機化程序代碼。存 儲設備20可以為電子裝置100內置的存儲器，也可以為電子裝置100外接的存儲器。所述 曲面相關資料包括曲面控制點及曲面邊界點。處理器30執行曲面渲染系統10的計算機化程序代碼，實現快速三角網格化曲面、 對網格化後的曲面各區域的三角形根據實際平滑程度進行多級細分。顯示設備40用於顯示網格化前、網格化後及多級細分後的曲面。所述電子裝置100可以為計算機或其它任意適用的具備數據處理功能的裝置。該曲面渲染系統10包括曲面網格化模塊11、曲面細分模塊12、顯示狀態標示模 塊13及曲面顯示模塊14。曲面網格化模塊11用於從存儲設備20讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據曲面 控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網格化(具體介紹請參見圖3)。曲面控制點決定曲面 的變化趨勢。曲面邊界點決定曲面的形狀。曲面細分模塊12用於根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大小對曲 面中的三角形進行多級細分(具體介紹請參見圖4)。顯示狀態標示模塊13用於確定多級細分後的曲面中的表面三角形及內部三角 形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏信息(具體介紹請參見圖5)。曲面顯示模塊14用於確定顯示設備40的顯示範圍，在顯示範圍內顯示曲面中的 表面三角形(具體介紹請參見圖6)。一個視口(viewport)為一個二維的矩形，是顯示設備 40的實際顯示區域。曲面顯示模塊14還用於根據視口的變化顯示曲面上不同區域以及不同細分程度 的三角形。由於視口的顯示範圍是有限的，不可能一次顯示曲面的所有部分，曲面顯示模塊 14根據用戶對視口上旋轉菜單的操作調整視口顯示的曲面區域。當用戶利用視口上的縮放 菜單對視口上顯示的曲面區域進行縮小、放大操作時，曲面顯示模塊14相應顯示曲面上不 同細分級別的三角形。如圖2所示，是本發明曲面渲染方法較佳實施例的總流程圖。步驟S201，曲面網格化模塊11從存儲設備20讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據 曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網格化(具體介紹請參見圖3)
步驟S203，曲面細分模塊12根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大 小對曲面中的三角形進行多級細分(具體介紹請參見圖4)。步驟S205，顯示狀態標示模塊13確定多級細分後的曲面中的表面三角形及內部 三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏信息(具體介紹請參見圖5)。步驟S207，曲面顯示模塊14確定顯示設備40的顯示範圍，在顯示範圍內顯示曲面 中的表面三角形(具體介紹請參見圖6)。步驟S209，曲面顯示模塊14根據視口的變化顯示曲面上不同區域以及不同細分 程度的三角形。例如，曲面顯示模塊14根據用戶對視口上的旋轉菜單的操作調整視口顯示 的曲面區域。當用戶對視口上的縮放菜單對視口上顯示的曲面區域進行縮小、放大操作時， 曲面顯示模塊14相應顯示曲面上不同細分級別的三角形。如圖3所示，是圖2中步驟S201的細化流程圖。步驟S301，曲面網格化模塊11從存儲設備20讀取曲面控制點及曲面邊界點組成 的三維(three-dimensional, 3D)隊列 S。步驟S303，曲面網格化模塊11將所述3D隊列S轉換為參數平面中的二維 (two-dimensional, 2D)隊列 Q。轉換公式為:x = j(u,v),y = V (u，v)，z = c (u，v)，其中 u、v為參數，其值在0 1範圍內。曲面上的點可以用三維坐標表示，也可以用二維參數表
7J\ o步驟S305，曲面網格化模塊11獲取3D隊列S中Z值最大的點N，在對2D隊列Q 中查找與點N對應的點PI。Z值最大的點N為曲面上最外層的點。步驟S307,曲面網格化模塊11在2D隊列Q中查找與點P1最近的點P2，點P1、P2 構成三角形A的一條邊。步驟S309，曲面網格化模塊11在2D隊列Q中查找第三點P3，查找原則是點P1、 P2、P3構成的三角形A的外接圓內沒有2D隊列Q中的其它點，使得點PI、P2、P3構成的三 角形A接近於等邊三角形。步驟S311，曲面網格化模塊11根據上述查找原則依次在2D隊列Q中查找構成其 它三角形的頂點，得到三角網格化後的曲面。步驟S313，曲面網格化模塊11根據查找順序將曲面上的各三角形信息依次加入 三角形標示數組T。該三角形標示數組T存儲曲面上每個三角形三個頂點的坐標信息及每 個三角形在該三角形標示數組T中的標記信息。如圖4所示，是圖2中步驟S203的細化流程圖。步驟S401，曲面細分模塊12將用戶設定的角度範圍劃分為若干個細分級別。例 如，曲面細分模塊12將0 90度的範圍劃分為9個細分級別，分別為0 10度為第1級， 10 20度為第2級，20 30度為第3級，30 40度為第4級，40 50度為第5級，50 60度為第6級，60 70度為第7級，70 80度為第8級，及80 90度為第9級。其中， 第1級為最精確的細分級別。步驟S403，曲面細分模塊12根據3D隊列S、2D隊列Q計算3D隊列S中每個頂點 的向量，每個頂點的向量等於該頂點所在所有三角形的法向量的平均值。步驟S405，曲面細分模塊12讀取2D隊列Q中Z值最大的頂點P1。步驟S407，曲面細分模塊12讀取頂點P1相鄰區域的三角形。例如，曲面細分模塊12讀取頂點P1周圍3層的三角形。步驟S409，曲面細分模塊12計算該相鄰區域內(例如頂點P1周圍3層三角形) 每個三角形頂點的向量與所有其它三角形頂點的向量的夾角，得到最大夾角，例如最大夾 角 MaxAo步驟S411，曲面細分模塊12確定最大夾角MaxA所在的細分級別。例如，若MaxA =8度，則屬於細分級別中的第1級；若MaxA = 35度，則屬於細分級別中的第4級。步驟S413，曲面細分模塊12獲取所述相鄰區域內相鄰三角形的法向量夾角在該 細分級別內的三角形隊列G。步驟S415，曲面細分模塊12判斷該最大夾角(例如MaxA)是否在最精確的細分級 別，也就是上述細分級別中的第1級。如果曲面細分模塊12判斷該最大夾角在最精確的細分級別，例如MaxA = 8度，也 就是說所述相鄰區域內相鄰三角形的法向量夾角都落入最精確的細分級別(即第1級)，則 表明該相鄰區域內的三角形平滑程度較好，不需要進一步細分，則流程轉入步驟S421。如果 曲面細分模塊12判斷該最大夾角不在最精確的細分級別，例如MaxA = 35度，則流程進入 步驟S417。步驟S417，曲面細分模塊12得到三角形隊列G中各三角形任意兩邊中線的交點， 根據各三角形頂點及所述交點將各三角形分為三個小三角形。需要指出的是，曲面上的三 角形是曲面的切平面，一個三角形兩邊中線的交點可能不在曲面上。若一個三角形兩邊中 線的交點不在曲面上，則需要先將該交點調整到曲面上，再對該三角形進行細分。步驟S419，曲面細分模塊12計算各相鄰小三角形法向量夾角的最大值Maxa，確定 最大值Maxa所在的級別。之後，針對三角形隊列G中每個三角形細分後的小三角形子區域， 流程返回步驟S415，直到各小三角形子區域的細分程度滿足所述最精確的細分級別。步驟S421，曲面細分模塊12依據對頂點P1相鄰區域細分的方法繼續對曲面上的 其它區域進行細分。步驟S423，曲面細分模塊12輸出細分後的3D隊列S、2D隊列Q及三角形標示數組T。如圖5所示，是圖2中步驟S205的細化流程圖。步驟S501，顯示狀態標示模塊13建立3D隊列S的空間包圍盒，使得曲面上所有三 角形的每個頂點落入一個小包圍盒。步驟S503，顯示狀態標示模塊13讀取3D隊列S中一點，沿該點所在三角形的正反 法線方向分別作兩條射線。例如，顯示狀態標示模塊13讀取3D隊列S中的第一點P1，沿點 P1所在三角形的正反法線方向分別作兩條射線U1、U2。步驟S505，顯示狀態標示模塊13將該點所在小包圍盒向周圍擴展若干層(例如在 3D空間中擴展3*3*3層)，得到該若干層包圍盒內所有頂點周圍的若干個三角形。步驟S507，顯示狀態標示模塊13求取該兩條射線中任意一條射線與所述若干個 三角形的交點。例如，顯示狀態標示模塊13求取射線Ul、U2與點P1周圍3*3*3層包圍盒 內所有頂點周圍的三角形的交點。步驟S509，顯示狀態標示模塊13標示所述若干個三角形中與該兩條射線無交點 的三角形為表面三角形，標示所述若干個三角形中與該兩條射線有交點的三角形為內部三
7角形。例如，顯示狀態標示模塊13設置點Pl周圍3*3*3層包圍盒內所有頂點周圍的三角 形中與射線Ul及U2無交點的三角形的標誌為「flag = 1」，設置點Pl周圍3*3*3層包圍盒 內所有頂點周圍的三角形中與射線Ul或U2有交點的三角形的標誌為「flag = O」。則若一 個三角形的標誌為「flag = 1」，表示該三角形為曲面的表面三角形；若標誌為「flag = 0」， 表示該三角形為曲面的內部三角形。步驟S511，顯示狀態標示模塊13對3D隊列S中其它點重複步驟S503至步驟 S509，直到曲面上的所有三角形都標示完畢(例如曲面上的所有三角形都有標誌「flag = 1」或「flag = 0」)，得到3D隊列S對應的顯示及隱藏隊列I。若圖6所示，是圖 2中步驟S207的細化流程圖。步驟S601，曲面顯示模塊14讀取用戶輸入的視口的最小頂點及最大頂點的坐標 確定顯示設備40上視口的顯示範圍。步驟S603，曲面顯示模塊14讀取3D隊列S的顯示及隱藏隊列I。步驟S605，曲面顯示模塊14在視口的顯示範圍內顯示曲面的表面三角形。由於曲 面的內部三角形及超出視口顯示範圍的表面三角形都不顯示，所以可以實現曲面的快速顯
7J\ ο最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照 較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的 技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。例如，將此方法應 用於在清晰的邊界線上尋找邊界點。
權利要求
一種曲面渲染方法，應用於數據處理裝置，其特徵在於，該方法包括曲面網格化步驟從與數據處理裝置相連接的存儲設備讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網格化；曲面細分步驟根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大小對曲面中的三角形進行多級細分；曲面顯示及隱藏信息確定步驟確定多級細分後的曲面中的表面三角形及內部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏信息；及曲面顯示步驟確定與數據處理裝置相連接的顯示設備的視口顯示範圍，在所述視口顯示範圍內顯示曲面中的表面三角形。
2.如權利要求1所述的曲面渲染方法，其特徵在於，該方法還包括曲面顯示變化步驟 根據視口的變化顯示曲面上不同區域以及不同細分程度的三角形。
3.如權利要求1所述的曲面渲染方法，其特徵在於，所述曲面網格化步驟包括 從所述存儲設備讀取曲面控制點及曲面邊界點組成的三維隊列；將所述三維隊列轉換為參數平面中的二維隊列；獲取所述三維隊列中表示曲面上最外層的點，在所述二維隊列中查找該最外層的點的 對應點，視該對應點為二維隊列中的第一點；在所述二維隊列中查找與第一點最近的第二點，該第一點、第二點構成三角形的一條邊；在所述二維隊列中查找第三點，查找原則是第一點、第二點、第三點構成的三角形的外 接圓內沒有所述二維隊列中的其它點，使得第一點、第二點、第三點構成的三角形接近於等 邊三角形；根據上述原則依次在所述二維隊列中查找構成其它三角形的頂點，得到三角網格化後 的曲面；及根據查找順序將曲面上的各三角形信息依次加入三角形標示數組。
4.如權利要求3所述的曲面渲染方法，其特徵在於，所述三角形標示數組存儲曲面上 每個三角形三個頂點的坐標信息及每個三角形在該三角形標示數組中的標記信息。
5.如權利要求1所述的曲面渲染方法，其特徵在於，所述曲面細分步驟包括 將用戶設定的角度範圍劃分為若干個細分級別；根據所述三維隊列、二維隊列計算所述三維隊列中每個頂點的向量，每個頂點的向量 等於該頂點所在所有三角形的法向量的平均值； 讀取二維隊列中的第一點； 讀取該第一點相鄰區域的三角形；計算該相鄰區域內每個頂點的向量與所有其它頂點的向量的夾角，得到最大夾角； 確定該最大夾角所在的細分級別；讀取所述相鄰區域內相鄰三角形的法向量夾角在該細分級別內的三角形隊列； 判斷所述最大夾角是否在最精確的細分級別；當該最大夾角不在最精確的細分級別時，得到所述三角形隊列中各三角形任意兩邊中 線的交點，根據各三角形頂點及所述交點將各三角形分為三個小三角形；計算各相鄰小三角形法向量夾角的最大值，確定該最大值所在的級別，針對三角形隊列中每個三角形細分後的小三角形子區域，流程自所述判斷步驟開始重複，直到各小三角 形子區域的細分程度滿足所述最精確的細分級別；及依據對二維隊列中第一點相鄰區域細分的方法對曲面上的其它區域進行多級細分。
6.如權利要求5所述的曲面渲染方法，其特徵在於，若一個三角形兩邊中線的交點不 在曲面上，先將該交點調整到曲面上，再對該三角形進行細分。
7.如權利要求1所述的曲面渲染方法，其特徵在於，所述曲面顯示及隱藏信息確定步 驟包括建立所述三維隊列的空間包圍盒，使得曲面上三角形的每個頂點落入一個小包圍盒； 讀取所述三維隊列中表示曲面最外層的點，沿該點所在三角形的正反法線方向分別作 兩條射線；將該點所在小包圍盒向周圍擴展若干層，得到該若干層包圍盒內所有頂點周圍的若干 個三角形；求取該兩條射線與所述若干個三角形的交點；標示所述若干個三角形中與該兩條射線均無交點的三角形為曲面的表面三角形，標示 所述若干個三角形中與該兩條射線中任意一條射線有交點的三角形為曲面的內部三角形； 及對所述三維隊列中的其它點自所述讀取步驟開始重複，直到曲面上的所有三角形都標 示為曲面的表面三角形或內部三角形，得到所述三維隊列的顯示及隱藏隊列。
8.如權利要求1所述的曲面渲染方法，其特徵在於，所述曲面顯示步驟包括 讀取用戶輸入的視口的最小頂點及最大頂點的坐標確定與所述數據處理設備相連接的顯示設備的視口顯示範圍；讀取所述三維隊列的顯示及隱藏隊列；及 在所述視口顯示範圍內顯示曲面的表面三角形。
9.一種曲面渲染系統，應用於數據處理裝置，其特徵在於，該系統包括曲面網格化模塊，用於從與數據處理裝置相連接的存儲設備讀取曲面控制點及曲面邊 界點，根據曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網格化；曲面細分模塊，用於根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大小對曲面中的 三角形進行多級細分；顯示狀態標示模塊，用於確定多級細分後的曲面中的表面三角形及內部三角形，得到 曲面中所有三角形的顯示及隱藏信息；及曲面顯示模塊，用於確定與數據處理裝置相連接的顯示設備的視口顯示範圍，在所述 視口顯示範圍內顯示曲面中的表面三角形。
10.如權利要求9所述的曲面渲染系統，其特徵在於，所述曲面顯示模塊還用於根據視 口的變化顯示曲面上不同區域以及不同細分程度的三角形。
全文摘要
本發明提供一種曲面渲染方法，應用於數據處理裝置。該方法包括從與數據處理裝置相連接的存儲設備讀取曲面控制點及曲面邊界點，根據曲面控制點及曲面邊界點對曲面進行三角網格化；根據網格化後的曲面中相鄰三角形法向量的夾角大小對曲面中的三角形進行多級細分；確定多級細分後的曲面中的表面三角形及內部三角形，得到曲面中所有三角形的顯示及隱藏信息；及確定與數據處理裝置相連接的顯示設備的顯示範圍，在所述顯示範圍內顯示曲面中的表面三角形。本發明還提供一種曲面渲染系統。
文檔編號G06T15/00GK101872488SQ20091030188
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月27日 優先權日2009年4月27日
發明者吳新元, 孫小超, 張旨光 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司;鴻海精密工業股份有限公司