淺浮雕數(shù)字建模技術(shù)研究.pdf

1、運用先進的計算機技術(shù)輔助傳統(tǒng)藝術(shù)創(chuàng)作，一直是計算機圖形學(xué)、藝術(shù)設(shè)計學(xué)、計算機輔助設(shè)計和先進制造技術(shù)等領(lǐng)域的研究前沿和最富挑戰(zhàn)性的課題之一，研究熱點包括對反映視覺心理規(guī)律的藝術(shù)作品數(shù)字建模和風(fēng)格化處理。本文以具有獨特藝術(shù)表現(xiàn)形式的淺浮雕為對象，對3D模型到2.5D淺浮雕映射過程中涉及的視點選擇、幾何建模、編輯修改等關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)支撐算法進行了深入研究。
　　目前主流的數(shù)字淺浮雕建模技術(shù)以2D圖像建模為主，通過提取有用模型信息完成單幅

2、圖像到浮雕曲面的重構(gòu)。由于單幅圖像包含的深度信息有限，這種方法只有在增加用戶操作或先驗知識的情況下，才能得到相對精美的浮雕效果。相比而言，基于3D模型映射的淺浮雕建模技術(shù)在模型視點選擇、深度信息獲取、數(shù)字幾何處理等方面具備明顯優(yōu)勢，它以3D模型為輸入介質(zhì)，在觀察視點定位后，將模型映射在背景平面或曲面上生成浮雕作品。雖然該技術(shù)目前還處于起步階段，但隨著國內(nèi)外研究的不斷進行，基于3D模型映射的淺浮雕建模方法必將在浮雕藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用

3、。
　　由3D模型生成淺浮雕作品需要解決以下關(guān)鍵問題:
　　(1)在輸入模型已知的情況下，如何定位模型觀察位置，選擇最能反映模型形狀特征的投影方向。
　　(2)當(dāng)模型壓縮量很大時，淺浮雕視覺顯著特征會變得模糊甚至丟失，如何將原始模型的細節(jié)信息“遷移”到浮雕表面，保證淺浮雕細節(jié)特征的清晰度。
　　(3)淺浮雕映射需要具備實時性，如何在保證建模質(zhì)量的前提下提高系統(tǒng)運算效率，實現(xiàn)“所見即所得”的可視化操作效果。

4、　　(4)建模后的淺浮雕作品在局部形狀需要調(diào)整時，如何為淺浮雕編輯提供實用、有效的解決方案。
　　圍繞上述關(guān)鍵技術(shù)問題，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)提出了一系列的建模策略，雖然能解決部分存在問題，但距離實際應(yīng)用還有一定差距。其中大部分方法在獲取模型高度場信息后，采用圖像增強和非線性壓縮進行淺浮雕建模，這種規(guī)則化的像素操作模式丟失了原始模型的幾何拓撲信息，缺少對模型不同部位的多分辨率控制，不利于淺浮雕作品的藝術(shù)再加工和后期編輯處理。與之不同，

5、本文在3D空間域內(nèi)完成數(shù)字淺浮雕建模和編輯工作，全部算法以非規(guī)則化的網(wǎng)格三角面片為基本處理對象，這樣保持了建模前后模型拓撲結(jié)構(gòu)的一致性，有利于各種網(wǎng)格幾何處理算法在淺浮雕設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用和擴展，為具有復(fù)雜場景設(shè)計要求的浮雕藝術(shù)創(chuàng)作、融合和再利用奠定良好基礎(chǔ)。具體來講，本文在以下方面做了深入研究:
　　(1)以信息論為理論基礎(chǔ)，將網(wǎng)格面片顯著度融入到視點屬性的計算過程中，提出了基于模型顯著度驅(qū)動的視點質(zhì)量評價方法，為淺浮雕投影方向的選

6、擇構(gòu)建了視點定量分析工具。本文定義了兩種顯著度計算方法來捕捉模型的視覺重要特征，第一種方法與視點無關(guān)，根據(jù)平均曲率梯度幅值來區(qū)分網(wǎng)格面片的重要度;第二種與視點相關(guān)，采用3D線畫技術(shù)來標定當(dāng)前視點下的面片顯著度值，然后通過采樣平均確定網(wǎng)格的顯著度分布。為了提高計算效率，本文忽略了一般的視點質(zhì)量評價屬性，將最重要的視點信息量、視點穩(wěn)定性、視點可見性等質(zhì)量評價指標集合在一起，建立了視點綜合質(zhì)量評價標準，系統(tǒng)根據(jù)計算結(jié)果自動推薦最佳模型投影方案

7、。
　　(2)提出了一種空間域?qū)崟r淺浮雕數(shù)字建模方法，解決了淺浮雕建模容易丟失細節(jié)并且生成速度較慢的難題。首先采用空間域雙邊濾波算法提取三維網(wǎng)格的多層細節(jié)信息，然后進行視點相關(guān)的坐標映射構(gòu)建浮雕高度場，在以網(wǎng)格Z值最小點定位基準壓縮平面后，將模型主體和細節(jié)特征分尺度線性壓縮并進行自適應(yīng)疊加，生成滿足設(shè)計要求的浮雕曲面。該算法基于空間域操作，幾何運算簡單、高效，在細節(jié)特征保持的同時，高效重用了預(yù)處理階段提取的幾何細節(jié)信息，獲得了交互

8、級的建模和細節(jié)編輯效率，最終的淺浮雕生成結(jié)果令人滿意。
　　(3)以三維離散網(wǎng)格框架下的微分形變技術(shù)為理論基礎(chǔ)，提出了一種基于微分操作的淺浮雕自動生成及編輯方法。該方法將用戶的浮雕設(shè)計意圖映射為微分域內(nèi)網(wǎng)格梯度場的操縱，通過求解泊松稀疏線性方程實現(xiàn)淺浮雕建模和局部編輯。根據(jù)淺浮雕建模需要，本文給出了一系列具體的應(yīng)用實例，包括平面淺浮雕映射、細節(jié)特征保持、高度場連續(xù)性優(yōu)化、曲面淺浮雕映射等建模算法，以及輪廓邊高度編輯、勾畫式外形編輯

9、、骨架驅(qū)動式形狀編輯、浮雕網(wǎng)格融合等編輯算法。這些算法搭建了一個通用淺浮雕幾何處理框架，為微分域淺浮雕建模技術(shù)的應(yīng)用和擴展提供了實用的解決方案。
　　(4)提出了一種由3D模型生成數(shù)字沉雕的建模方法，將線條雕刻和沉雕高度場有效結(jié)合在一起，生成具備良好外觀和可加工性的數(shù)字沉雕作品。算法對提取的3D輪廓特征線進行裁剪、串聯(lián)、平滑等基本操作，使輪廓線具備光滑、連續(xù)的矢量特征，更好與模型主體曲面進行融合。與傳統(tǒng)的淺浮雕不同，本文采用郎伯光