基於面數據的空洞填補方法及系統的製作方法

2023-05-15 00:27:16 1

專利名稱：基於面數據的空洞填補方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及圖像處理技術領域，尤其涉及一種基於面數據的空洞填補方法及系統。
背景技術：
面重建技術被廣泛應用於三維數字影像分析處理、CAD建模、電影動畫製作、遊戲開發等方面。但是，在成像過程中或者物體點雲掃描過程中，可能造成數據的缺失，又或者是因為面重建技術本身的缺陷，從而產生帶有空洞的不完整的面數據，這種帶空洞的數據不僅可能不符合實際中的物體幾何特徵，更可能對以後面數據的處理(平滑，細化等)產生不良影響。現有的一些商用軟體如Maya、3dMax等都集成有三維模型空洞填補功能，能夠自·動識別空洞並進行空洞填補。但是在三維空間中空洞的邊緣過於複雜，可能存在多個空洞邊緣共用一個點的情況，並且對於很多面數據，因為原來的數據質量問題或者是本身面重建技術的缺陷問題，很可能有異常的片元。現有的空洞填補方案或者不能排除掉異常片元，或者不能從多個空洞邊緣中單獨提取每個空洞，最終導致空洞填補出錯；在三維空間中，空洞的邊緣可能呈現複雜的拓撲結構，空洞的邊緣可能並非處於一個相對平坦的曲面上，現有的空洞填補方案對於這種複雜的邊緣填補可能產生異常的填補面，填補面會可能自相交甚至導致執行程序崩潰。綜上可知，現有的空洞填補方法，在實際使用上顯然存在不便與缺陷，所以有必要加以改進。

發明內容
針對上述的缺陷，本發明的目的在於提供一種基於面數據的空洞填補方法及系統，能有效的填補三維數據模型的空洞。為了實現上述目的，本發明提供一種基於面數據的空洞填補方法，所述方法包括識別並提取三維數據模型的空洞邊緣；單獨提取每個空洞邊緣；將所述每個空洞邊緣進行三角化填補。根據本發明的基於面數據的空洞填補方法，所述識別並提取三維數據模型的空洞邊緣步驟包括掃描三維數據模型的面數據的點及其片元數據，獲取所述空洞邊緣的點和邊數據。根據本發明的基於面數據的空洞填補方法，所述方法還包括刪除所述空洞異常的邊緣邊。根據本發明的基於面數據的空洞填補方法，所述刪除所述空洞異常的邊緣邊步驟包括搜索空洞的邊緣點；刪除只被一條邊緣邊使用的邊緣點，同時將使用所述邊緣點的邊緣邊刪除。根據本發明的基於面數據的空洞填補方法，所述將所述每個空洞邊緣進行三角化填補的步驟包括設置權重函數，並根據所述權重函數連接所述空洞的邊緣點產生三角面片。根據本發明的基於面數據的空洞填補方法，所述權重函數的權重為三角面片的面積大小；或者
所述三角面片的面積大小加上三角面片與其它所構造的三角面片的二面角大小；或者所述三角面片的面積大小加上三角面片與其它所構造的三角面片的二面角大小再加上所形成的三角面片的最大的最小內角。本發明還提供一種基於面數據的空洞填補系統，包括識別模塊，用於識別並提取三維數據模型的空洞邊緣；提取模塊，用於單獨提取每個空洞邊緣；填補模塊，用於將所述每個空洞邊緣進行三角化填補。本發明還提供一種基於面數據的空洞填補系統，所述識別模塊包括掃描子模塊，用於掃描三維數據模型的面數據的點及其片元數據，獲取所述空洞邊緣的點和邊數據。本發明還提供一種基於面數據的空洞填補系統，所述系統還包括刪除模塊，用於刪除所述空洞異常的邊緣邊。本發明還提供一種基於面數據的空洞填補系統，所述刪除模塊包括搜索子模塊，用於搜索空洞的邊緣點；刪除子模塊，用於刪除只被一條邊緣邊使用的邊緣點，同時將使用所述邊緣點的邊緣邊刪除。本發明通過掃描三維數據模型的面數據的點及其片元數據，獲取所述空洞邊緣的點和邊數據，識別和提取到空洞邊緣，然後單獨提取出每個空洞邊緣，對每個所述每個空洞邊緣進行三角化填補，使之成為封閉的面數據模型。更好的是，本發明還可以刪除空洞異常的邊緣邊。藉此,本發明能夠針對任意多個空洞,及具有任何複雜空洞邊緣的空洞進行填補。


圖I是本發明一實施例的空洞填補系統的結構示意圖；圖2是本發明另一實施例的空洞填補系統的結構示意圖；圖3A是本發明一實施例的具有空洞的三維數據模型的結構示意圖；圖3B是本發明另一實施例的具有空洞的三維數據模型的結構示意圖；圖4是本發明邊緣邊提取後的結構示意圖；圖5是本發明單獨提取邊緣邊後的結構示意圖；圖6A是圖3A所示實施例的三維數據模型填補後的結構示意圖；圖6B是圖3B所示實施例的三維數據模型填補後的結構示意圖7是本發明一實施例的空洞填補方法的流程圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。為便於理解本發明，在此將部分術語作如下說明。一個面數據是由一系列的三維頂點和由這些點構成的一系列片元所組成，片元是指一個小的三角形或四邊形等多邊形，這些片元是按一定順序的邊連接面數據中的某三個或四個或者多個頂點所組成的。共用一條邊的兩個片元成為相鄰片元，而在面數據中，如果一條邊只被一個片元所使用，那麼這種邊稱為邊緣邊，邊緣點就是指構成邊緣邊的兩個端點。面數據中，空洞是由一系列的邊緣邊首尾相連構成的一個封閉的圈，這種封閉的圈在三維空間中可能任意的複雜。 參見圖I和圖2，本發明提供了一種基於面數據的空洞填補系統，其可以對三維數據模塊的空洞進行填補。該空洞填補系統100包括識別模塊10、提取模塊20、填補模塊30及刪除模塊40，具體的識別模塊10用於識別並提取三維數據模型的空洞邊緣。實際應用中的三維數據模型可能包括有若干空洞，識別模塊10具有一掃描子模塊11。結合圖3A 圖4，識別模塊10通過其掃描子模塊11掃描三維數據模型的面數據點和其片元數據，獲取到邊緣邊的點數據和邊數據，藉此將所有的空洞邊緣都提取出來。提取模塊20用於單獨提取每個空洞邊緣。具體的，識別模塊10獲取的面數據空洞有任意多個，處理時還需要分別提取構造一個獨立空洞的邊緣邊。另外，在面重建過程中，可能產生一些異常的片元，這些片元的邊也產生邊緣邊。故在該處理過程中，本發明通過刪除模塊40消除異常邊緣邊，並通過提取模塊20單獨提取每個空洞邊緣信息，如圖5所示。前述已經說明，空洞是由一系列的邊緣邊首尾相連構成的一個封閉的圈。在一個封閉的圈中，任意一個邊緣點都被兩個以上的邊緣邊使用，也即是說在前述提取的邊緣邊中，邊緣點只被一條邊緣邊使用的點為異常的邊緣邊，需要被刪除。本發明實施例中具體的刪除過程如下搜索子模塊41搜索提取出的邊緣點；刪除子模塊42刪除只被一條邊緣邊使用的邊緣點，並且將該邊緣邊也刪除。然後搜索子模塊41繼續在剩餘的邊緣點和邊緣邊中搜索，刪除只被一條邊緣邊使用的邊緣點和使用該點的邊緣邊，重複以上操作，直到所有的邊緣點都被兩條及兩條以上的邊緣邊使用。藉此使剩下的邊緣邊都構成了一個或多個空洞邊緣(首尾相連的封閉圈)。實際應用中，面數據的空洞邊緣可能相互連接，一個空洞的邊緣可能與另外一個甚至多個空洞邊緣共用一個邊緣點，從而兩個甚至多個空洞邊緣相交在一起，因此，本發明在空洞填補前將每個空洞邊緣分離提取出來，單獨處理。具體的，在經刪除模塊40處理後獲得的空洞邊緣邊和點數據中，從任意一個邊緣點作為起始點開始，沿其中一條使用該邊緣點的邊緣邊往下搜索下一個邊緣點,在記錄中順次記錄搜索過的邊緣點，並且標記搜索過的邊緣邊，一直搜索到一個邊緣點，如果該邊緣點已經被記錄搜索過，則在記錄中從該邊緣點開始到記錄末尾，中間被記錄的點構成一個空洞邊緣(依次首尾相接形成一個封閉的圈)。將以上獲取到的空洞邊緣點記錄信息從記錄中刪除，如果以上獲取空洞邊緣時搜索到的邊緣點還有相連的邊緣邊未被標記過，則將該點重新記錄在記錄中。如果記錄中還有記錄的點則從記錄中的最後一個點開始繼續搜索，如果記錄中沒有被記錄的點，則從剩下的其他點任意一個開始重新下一輪的搜索，直到全部點被搜索完畢。藉此可使全部空洞邊緣都被分別提取出來，這些邊緣點依次首尾相接，構成邊緣邊。填補模塊30，用於將提取的每個空洞邊緣進行三角化填補。對於每個空洞邊緣，本發明的填補模塊30根據一定的權重函數連接邊緣點產生三角面片，藉此形成三角網格填補空洞邊緣。本發明利用空洞邊緣上的邊緣點構造三角面片，進而產生三角網格填補空洞。需要說明的，選擇不同的邊緣點可以產生不同的三角面片，具體應用中需要設計權重函數來產生質量最好的三角面片。本發明實施例中的權重函數定義了在構造空洞邊緣三角網格過程中可能出現的三角面片的權重大小，權重可以是三角面片的面積大小，也可以是三角面片的面積大小加上三角面片與其它所構造的三角面片的二面角大小，也可以三角面片的面積大小加上三角面片與其它所構造的三角面片的二面角大小加上所形成的三角面片的最大的最小內角。實際應用中的每個權重值最多可能是三元組，假設M為所求三角形最大的最小內角，D為所求`三角形與已構造的相鄰三角形的最大二面角，S為所求三角形的面積，則所求三個標準的權重(M，D，S)的大小關係為(M1,D1,S1) M2)或者(Ml = M2且 Dl < D2)或者(Ml = M2 且 Dl = D2 且 SI < S2)，權重(M，D，S)的和計算為(M1，Dl,S1) + (M2，D2，S2) = (min(Ml，M2)，max(Dl，D2)，Sl+S2)。權重可以依次只選取 D 和 S，或者只選取S作為標準，從而權重可以是二元組或者一元組，它們的大小關係和和計算方式只需要根據三元組的計算方式去掉相應的項即可，最後選取權重最小的三角形構造三角網格填補空洞。對於任一空洞邊緣的所有邊緣點，首先從第一點開始到倒數第二個點，賦值任意兩個點形成的邊(可看做是一個特殊的三角形)權重為O;再從第一個點開始到倒數第三個點，根據選取的權重標準計算賦值任意三個相鄰的邊緣點構成的三角形。此後繼續增量式計算在構造空洞邊緣點三角形過程中可能出現的所有三角形的權值大小。最後根據計算出的權重值用遞歸構建的方法，選擇最小權重值的三角形構建三角網格填補空洞。本實施例中，一開始便賦值了空洞邊緣的邊權值為0，所以本發明在最後構建三角網格時保留了空洞邊緣，藉此能夠很好地填補空洞，如圖6A和6B，並且根據權重值能夠構建有效的三角網格。參見圖7，本發明還提供了一種基於面數據的空洞填補方法，其可以通過如圖I或圖2所示的系統100實現，具體的，該方法包括步驟S70l，識別模塊I0識別並提取三維數據模型的空洞邊緣。具體的，其通過掃描三維數據模型的面數據的點及其片元數據，獲取所述空洞邊緣的點和邊數據。步驟S702，刪除模塊40刪除空洞異常的邊緣邊。具體應用中，刪除模塊40通過搜索子模塊41搜索提取出的邊緣點；通過刪除子模塊42刪除只被一條邊緣邊使用的邊緣點，並且將該邊緣邊也刪除。然後搜索子模塊41繼續在剩餘的邊緣點和邊緣邊中搜索，刪除只被一條邊緣邊使用的邊緣點和使用該點的邊緣邊，重複以上操作，直到所有的邊緣點都被兩條及兩條以上的邊緣邊使用。步驟S703，提取模塊20單獨提取每個空洞邊緣。經刪除模塊40處理後獲得的空洞邊緣邊和點數據中，從任意一個邊緣點作為起始點開始，沿其中一條使用該邊緣點的邊緣 邊往下搜索下一個邊緣點，在記錄中順次記錄搜索過的邊緣點，並且標記搜索過的邊緣邊，一直搜索到一個邊緣點，如果該邊緣點已經被記錄搜索過，則在記錄中從該邊緣點開始到記錄末尾，中間被記錄的點構成一個空洞邊緣(依次首尾相接形成一個封閉的圈)。將以上獲取到的空洞邊緣點記錄信息從記錄中刪除，如果以上獲取空洞邊緣時搜索到的邊緣點還有相連的邊緣邊未被標記過，則將該點重新記錄在記錄中。如果記錄中還有記錄的點則從記錄中的最後一個點開始繼續搜索，如果記錄中沒有被記錄的點，則從剩下的其他點任意一個開始重新下一輪的搜索，直到全部點被搜索完畢。藉此可使全部空洞邊緣都被分別提取出來，這些邊緣點依次首尾相接，構成邊緣邊。步驟S704，填補模塊30將每個空洞邊緣進行三角化填補。本實施例中，通過系統100預設權重函數，並根據權重函數連接空洞的邊緣點產生三角面片。具體的，權重函數的權重可以為三角面片的面積大小；或者所述三角面片的面積大小加上三角面片的與其它所構造的三角面片的二面角大小；或者所述三角面片的面積大小加上三角面片的與其它所構造的三角面片的二面角大小再加上所形成的三角面片的最大的最小內角。實際應用中的每個權重值最多可能是三元組，假設M為所求三角形最大的最小內角，D為所求三角形與已構造的相鄰三角形的最大二面角，S為所求三角形的面積，則所求三個標準的權重(M，D，S)的大小關係為(Ml，Dl, SI) M2)或者(Ml = M2 且 Dl < D2)或者(Ml = M2 且 Dl = D2 且 SI < S2)，權重(M，D，S)的和計算為(M1，D1，S1) + (M2，D2，S2) = (min (Ml，M2)，max (Dl，D2)，S1+S2)。權重可以依次只選取D和S，或者只選取S作為標準，從而權重可以是二元組或者一元組，它們的大小關係和和計算方式只需要根據三元組的計算方式去除相應的項即可，最後選取權重最小的三角形構造三角網格填補空洞。對於任一空洞邊緣的所有邊緣點，首先從第一點開始到倒數第二個點，賦值任意兩個點形成的邊(可看做是一個特殊的三角形)權重為O;再從第一個點開始到倒數第三個點，根據選取的權重標準計算賦值任意三個相鄰的邊緣點構成的三角形。此後繼續增量式計算在構造空洞邊緣點三角形過程中可能出現的所有三角形的權值大小。最後根據計算出的權重值用遞歸構建的方法，選擇最小權重值的三角形構建三角網格填補空洞。本實施例中，一開始便賦值了空洞邊緣的邊權值為0，所以本發明在最後構建三角網格時保留了空洞邊緣,藉此能夠很好地填補空洞,並且根據權重值能夠構建有效的三角網格。綜上所述，本發明通過掃描三維數據模型的面數據的點及其片元數據，獲取所述空洞邊緣的點和邊數據，識別和提取到空洞邊緣，然後單獨提取出每個空洞邊緣，對每個所述每個空洞邊緣進行三角化填補，使之成為封閉的面數據模型。更好的是，本發明還可以刪除空洞異常的邊緣邊。藉此，本發明能夠針對任意多個空洞，及具有任何複雜空洞邊緣的空洞進行填補。當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可 根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種基於面數據的空洞填補方法，其特徵在於，所述方法包括 識別並提取三維數據模型的空洞邊緣； 單獨提取每個空洞邊緣； 將所述每個空洞邊緣進行三角化填補。
2.根據權利要求I所述的基於面數據的空洞填補方法，其特徵在於，所述識別並提取三維數據模型的空洞邊緣步驟包括 掃描三維數據模型的面數據的點及其片元數據，獲取所述空洞邊緣的點和邊數據。
3.根據權利要求2所述的基於面數據的空洞填補方法，其特徵在於，所述方法還包括 刪除所述空洞異常的邊緣邊。
4.根據權利要求3所述的基於面數據的空洞填補方法，其特徵在於，所述刪除所述空洞異常的邊緣邊步驟包括 搜索空洞的邊緣點； 刪除只被一條邊緣邊使用的邊緣點，同時將使用所述邊緣點的邊緣邊刪除。
5.根據權利要求I所述的基於面數據的空洞填補方法，其特徵在於，所述將所述每個空洞邊緣進行三角化填補的步驟包括 設置權重函數，並根據所述權重函數連接所述空洞的邊緣點產生三角面片。
6.根據權利要求5所述的基於面數據的空洞填補方法，其特徵在於，所述權重函數的權重為 三角面片的面積大小；或者 所述三角面片的面積大小加上三角面片與其它所構造的三角面片的二面角大小；或者所述三角面片的面積大小加上三角面片與其它所構造的三角面片的二面角大小再加上所形成的三角面片的最大的最小內角。
7.一種基於面數據的空洞填補系統，其特徵在於，包括 識別模塊，用於識別並提取三維數據模型的空洞邊緣； 提取模塊，用於單獨提取每個空洞邊緣； 填補模塊，用於將所述每個空洞邊緣進行三角化填補。
8.根據權利要求7所述的空洞填補系統，其特徵在於，所述識別模塊包括掃描子模塊，用於掃描三維數據模型的面數據的點及其片元數據，獲取所述空洞邊緣的點和邊數據。
9.根據權利要求8所述的空洞填補系統，其特徵在於，所述系統還包括 刪除模塊，用於刪除所述空洞異常的邊緣邊。
10.根據權利要求8所述的空洞填補系統，其特徵在於，所述刪除模塊包括 搜索子模塊，用於搜索空洞的邊緣點； 刪除子模塊，用於刪除只被一條邊緣邊使用的邊緣點，同時將使用所述邊緣點的邊緣邊刪除。
全文摘要
本發明適用於圖像處理技術領域，提供了一種基於面數據的空洞填補方法，所述方法包括識別並提取三維數據模型的空洞邊緣；單獨提取每個空洞邊緣；將所述每個空洞邊緣進行三角化填補。優選的，本發明還可以刪除所述空洞異常的邊緣邊。此外，本發明還相應的提供一種基於面數據的空洞填補系統。藉此，本發明能夠針對任意多個空洞，及具有任何複雜空洞邊緣的空洞進行填補。
文檔編號G06T17/30GK102945571SQ20121042067
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月29日 優先權日2012年10月29日
發明者葉建平, 張吉帥, 李恆, 塗雲霞 申請人:深圳市旭東數字醫學影像技術有限公司