浅浮雕数字建模技术研究

【摘要】运用先进的计算机技术辅助传统艺术创作,一直是计算机图形学、艺术设计学、计算机辅助设计和先进制造技术等领域的研究前沿和最富挑战性的课题之一,研究热点包括对反映视觉心理规律的艺术作品数字建模和风格化处理。本文以具有独特艺术表现形式的浅浮雕为对象,对3D模型到2.5D浅浮雕映射过程中涉及的视点选择、几何建模、编辑修改等关键技术和相关支撑算法进行了深入研究。目前主流的数字浅浮雕建模技术以2D图像建模为主,通过提取有用模型信息完成单幅图像到浮雕曲面的重构。由于单幅图像包含的深度信息有限,这种方法只有在增加用户操作或先验知识的情况下,才能得到相对精美的浮雕效果。相比而言,基于3D模型映射的浅浮雕建模技术在模型视点选择、深度信息获取、数字几何处理等方面具备明显优势,它以3D模型为输入介质,在观察视点定位后,将模型映射在背景平面或曲面上生成浮雕作品。虽然该技术目前还处于起步阶段,但随着国内外研究的不断进行,基于3D模型映射的浅浮雕建模方法必将在浮雕艺术创作领域得到广泛应用。由3D模型生成浅浮雕作品需要解决以下关键问题：(1)在输入模型已知的情况下,如何定位模型观察位置,选择最能反映模型形状特征的投影方向。(2)当模型压缩量很大时,浅浮雕视觉显著特征会变得模糊甚至丢失,如何将原始模型的细节信息“迁移”到浮雕表面,保证浅浮雕细节特征的清晰度。(3)浅浮雕映射需要具备实时性,如何在保证建模质量的前提下提高系统运算效率,实现“所见即所得”的可视化操作效果。(4)建模后的浅浮雕作品在局部形状需要调整时,如何为浅浮雕编辑提供实用、有效的解决方案。围绕上述关键技术问题,国内外研究人员已经提出了一系列的建模策略,虽然能解决部分存在问题,但距离实际应用还有一定差距。其中大部分方法在获取模型高度场信息后,采用图像增强和非线性压缩进行浅浮雕建模,这种规则化的像素操作模式丢失了原始模型的几何拓扑信息,缺少对模型不同部位的多分辨率控制,不利于浅浮雕作品的艺术再加工和后期编辑处理。与之不同,本文在3D空间域内完成数字浅浮雕建模和编辑工作,全部算法以非规则化的网格三角面片为基本处理对象,这样保持了建模前后模型拓扑结构的一致性,有利于各种网格几何处理算法在浅浮雕设计领域的应用和扩展,为具有复杂场景设计要求的浮雕艺术创作、融合和再利用奠定良好基础。具体来讲,本文在以下方面做了深入研究：(1)以信息论为理论基础,将网格面片显著度融入到视点属性的计算过程中,提出了基于模型显著度驱动的视点质量评价方法,为浅浮雕投影方向的选择构建了视点定量分析工具。本文定义了两种显著度计算方法来捕捉模型的视觉重要特征,第一种方法与视点无关,根据平均曲率梯度幅值来区分网格面片的重要度；第二种与视点相关,采用3D线画技术来标定当前视点下的面片显著度值,然后通过采样平均确定网格的显著度分布。为了提高计算效率,本文忽略了一般的视点质量评价属性,将最重要的视点信息量、视点稳定性、视点可见性等质量评价指标集合在一起,建立了视点综合质量评价标准,系统根据计算结果自动推荐最佳模型投影方案。(2)提出了一种空间域实时浅浮雕数字建模方法,解决了浅浮雕建模容易丢失细节并且生成速度较慢的难题。首先采用空间域双边滤波算法提取三维网格的多层细节信息,然后进行视点相关的坐标映射构建浮雕高度场,在以网格Z值最小点定位基准压缩平面后,将模型主体和细节特征分尺度线性压缩并进行自适应叠加,生成满足设计要求的浮雕曲面。该算法基于空间域操作,几何运算简单、高效,在细节特征保持的同时,高效重用了预处理阶段提取的几何细节信息,获得了交互级的建模和细节编辑效率,最终的浅浮雕生成结果令人满意。(3)以三维离散网格框架下的微分形变技术为理论基础,提出了一种基于微分操作的浅浮雕自动生成及编辑方法。该方法将用户的浮雕设计意图映射为微分域内网格梯度场的操纵,通过求解泊松稀疏线性方程实现浅浮雕建模和局部编辑。根据浅浮雕建模需要,本文给出了一系列具体的应用实例,包括平面浅浮雕映射、细节特征保持、高度场连续性优化、曲面浅浮雕映射等建模算法,以及轮廓边高度编辑、勾画式外形编辑、骨架驱动式形状编辑、浮雕网格融合等编辑算法。这些算法搭建了一个通用浅浮雕几何处理框架,为微分域浅浮雕建模技术的应用和扩展提供了实用的解决方案。(4)提出了一种由3D模型生成数字沉雕的建模方法,将线条雕刻和沉雕高度场有效结合在一起,生成具备良好外观和可加工性的数字沉雕作品。算法对提取的3D轮廓特征线进行裁剪、串联、平滑等基本操作,使轮廓线具备光滑、连续的矢量特征,更好与模型主体曲面进行融合。与传统的浅浮雕不同,本文采用郎伯光照结合深度信息的方法构建沉雕高度场,建立了三个独立的描述图层：外部轮廓线图层用于勾勒物体的整体形状,内部装饰线图层用于表达物体的局部特征细节,光滑的高度场图层在承载雕刻线条的同时,用于传递场景的立体印象。通过模拟刀具雕刻过程,三个图层最终合成在一起,生成最后的数字沉雕作品。
【作者】张玉伟；
【导师】周以齐；
【作者基本信息】山东大学，机电产品创新设计与虚拟制造，2014，博士
【关键词】浅浮雕数字建模；最优视点选择；实时浅浮雕建模；微分网格形变；3D模型特征线；

【参考文献】
[1]胡春雷.潮汕地区产业结构重构研究[D].华南师范大学,人文地理学,2004,硕士.
[2]张英,吴聪俊.生物黄酮作为天然辐射防护剂的研究进展[J].天然产物研究与开发,2015,03:552-557+546.
[3]石文韬,邸静,马占芳.电化学葡萄糖传感器[J].化学进展,2012,04:568-576.
[4]杨小刚,李侃社,刘鸿翔.PVC/石墨烯/聚苯胺复合物的制备及电磁屏蔽性能研究[A].中国化学会、中国机械工程学会、中国材料研究学会.2014年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集（下册）[C].中国化学会、中国机械工程学会、中国材料研究学会:,2014:1.
[5]郭昭.增程式电动汽车动力系统参数匹配及控制策略研究[D].长安大学,车辆工程（专业学位）,2014,硕士.
[6]戴念华.第九届海峡两岸炭材料会议在新竹清华大学举行[J].新型炭材料,2010,06:479-480.
[7]程歆.儒家孝伦理视野下的当代大学生孝道教育研究[D].湖北大学,思想政治教育,2012,硕士.
[8]郭丽敏.基于量子粒子群优化算法的排课系统的设计与实现[D].南京理工大学,计算机技术,2011,硕士.
[9]孙洁丽.上海市基础教育“体教结合”后备体育人才培养模式的研究[D].华东师范大学,体育人文社会学,2013,硕士.
[10]赵丽坤.工程项目综合集成化管理模式研究[D].河北工业大学,管理科学与工程,2004,硕士.
[11]宋海龙.N-弱鞅的不等式及强大数定理的研究[D].西南交通大学,概率论与数理统计,2013,硕士.
[12]张淑锵.西迁浙大的研究生导师群体管窥[J].浙江大学学报(人文社会科学版),2015,02:78.
[13]潘红卫,杨力,郭增虎.松辽盆地中南部中浅层岩性圈闭地震识别技术[J].石油地球物理勘探,2008,S1:127-131+196+12.
[14]唐琳峰,叶胜威,郑秀,唐雄贵,廖进昆,刘永.石墨烯光调制器研究进展[J].激光杂志,2013,06:1-4.
[15]曹国超.不同路况下移动机器人的运动分析及其跟踪技术[D].河北工业大学,机械工程,2013,硕士.
[16]周燕.消脂饮治疗痰浊阻遏型高脂血症的临床观察[D].山西医科大学,中西医结合临床,2013,硕士.
[17]谷淑娟,高学东,刘燕驰,武森.基于多尺度网格模型的物流配送中心选址候选集构建方法[J].控制与决策,2011,08:1141-1146.
[18]黄辉,牟介刚,郑水华,朱波,甘建军.基于CFD的冲压离心泵导叶出口与叶轮进口匹配的优化设计[J].水泵技术,2012,03:12-15.
[19]马景战.基于加强约束节点的增大截面法加固RC柱受压承载力研究[D].重庆大学,土木工程,2014,硕士.
[20]于珊.西部高校人力资源管理机制研究[D].广西大学,2005.
[21]张宏.结合电子病历的PACS系统集成及归档技术研究[D].内蒙古科技大学,计算机技术,2014,硕士.
[22]刘巍.中国家蚕蛾属的系统分类学研究[D].湖南农业大学,植物保护,2012,硕士.
[23]邱月.内蒙古民族文化类电视栏目的现状与发展策略研究[D].东北师范大学,广播电视艺术,2012,硕士.
[24]谢建华.基层农技推广体系发展与改革研究[D].中国农业大学,种植业,2004,硕士.
[25]秦洁.电子政务系统的应用研究[D].首都经济贸易大学,2002.
[26]胡海涛.汉代私学教育及特点[D].青海师范大学,中国古代史,2012,硕士.
[27]田立康.文本分类在电子取证领域的应用研究[D].北京化工大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[28]钱文欢.仿象鼻混合关节连续型机器人的设计与分析[D].中国科学技术大学,机械电子工程,2014,硕士.
[29]洪吉松.同传课程中顺句驱动原则的教学研究[D].北京外国语大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[30]方立华.网络监控系统中音视频实时流同步技术的研究与设计[D].浙江工业大学,2012.
[31]苏璐.陕西省青少年竞技体操培养模式与发展对策的研究[D].西安体育学院,体育教育训练学,2013,硕士.
[32]巩帅.清末民初军官团体专业化历程及政治取向研究[D].首都师范大学,中国近现代史,2013,硕士.
[33]王雪琴,曹丽华,陈正坚,罗军,王红军,涂克华,蒋宏亮,王利群.用于抗肿瘤药物评价的三维肿瘤细胞体系的构建及性能[J].高分子学报,2014,06:808-814.
[34]李璐璐.传统山水画中的渔父形象研究[D].江苏师范大学,美术学,2013,硕士.
[35]娄贞贞.三类六角系统图的谱及其应用[D].新疆大学,应用数学,2013,硕士.
[36]许雅婷.基于组合全显色结构的纹理效果数码提花织物设计研究与实践[D].浙江理工大学,纺织材料与纺织品设计,2014,硕士.
[37]赵海娟.低频穴位电刺激与电针改善中风后上肢功能障碍痉挛期的对比研究[D].黑龙江中医药大学,针灸推拿学（专业学位）,2014,硕士.
[38]平俊彪.共炮域波动方程叠前深度偏移技术在委内瑞拉探区的应用[J].石油地球物理勘探,2007,S1:46-50+140+6-7.
[39]刘发升,杨惠.一种启发式精简规则挖掘算法及其SQL实现[J].计算机应用,2003,10:117-118+123.
[40]黄继武,程卫东,岳韬.一种图像2-D水印算法[J].自动化学报,2002,03:470-473.
[41]赖光熙,谢伟升.热媒式换热器的设计与应用[J].石油化工设备.1989(04)
[42]高琪,袁宁一,马飞飞,丁建宁.石墨烯/聚苯胺/凹凸棒土聚氯乙烯复合材料掺杂改性[J].化工新型材料,2014,01:143-145.
[43]余辉.低碳城市的地域性营造[D].华中科技大学,建筑技术科学,2013,硕士.
[44]吕慧敏.单亲家庭学生教育管理工作的研究[D].内蒙古师范大学,教育管理（专业学位）,2012,硕士.
[45]时岩.青年肺癌与老年肺癌临床病例特点对比研究[D].河北医科大学,肿瘤学,2013,硕士.
[46]王惠贞.CO_2浓度增高对北方水稻生理代谢影响的研究[D].沈阳农业大学,气象学,2014,硕士.
[47]吴国阳.基于核心能力的企业战略[D].沈阳工业大学,企业管理,2004,硕士.
[48]王婷婷.微博环境下的城市形象传播研究——以2013“微博达人重庆行”为例[J].青年记者,2014,05:74-75.
[49]刘树良.基于信息实体模拟的火电运维项目财务决策仿真研究[D].华北电力大学,管理科学与工程,2014,博士.
[50]王涛.基于双酚A和甘脲的有机多孔材料制备与表征[D].南京理工大学,物理化学,2013,硕士.