[發明專利]一種數字化浮雕的設計方法

無效

• 申請號: 201010581260.4
• 申請日: 2010-12-10
• 公開（公告）號: CN102169599A
• 公開（公告）日: 2011-08-31
• 發明（設計）人: 程志全;黨崗;陳寅;李寶;姜巍;李宏華;李俊;方皓;周競文;林帥;田艷花;金士堯
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

技術領域

本發明屬于計算機圖形學與工業設計技術領域，具體涉及一種數字化浮雕的設計方法。

背景技術

浮雕表現了模型表面低高度的細節特征，它是雕塑與繪畫結合的產物，用壓縮的辦法來處理對象，靠透視等因素來表現三維空間。浮雕一般是附屬在另一個物體(基表面)上的，被廣泛用來裝飾和識別人造物體，例如商品上的商標，硬幣和瓷器上的雕刻以及建筑物上的裝飾品。當前，浮雕的制作是一項費時費力的工作，需要熟練的雕刻師才能完成。伴隨著計算機數控加工技術的成熟，現今已有越來越多的數控加工設備可以應用到浮雕的實際生產中，如數控雕刻機等等。但是，浮雕圖案線條曲折、層次豐富，構圖復雜，如何生成數字化的浮雕加工模型就成為了整個浮雕機械加工流程的關鍵環節。傳統手工數字化浮雕制作方法由專業的浮雕制圖技術人員手工完成，培養一名專業的浮雕制圖技術人員需要三至五年的時間，合格的技術人員設計數字化浮雕也需三/四天時間。這樣的缺點是對手工技術過分依賴，數字化浮雕的制作周期長，勞動力成本高。

發明內容

本發明需要解決的技術問題是如何高效、精確地設計數字化浮雕。傳統的設計方法是浮雕制圖人員手工建模，制作周期長，且勞動力成本高。為了克服這些不足，需要開發一種新的數字化浮雕設計方法。本發明的目的是提供一種采用逆向工程技術的數字化浮雕設計方法。

本發明的一種操作簡便且工作效率高的數字化浮雕設計方法，通過激光掃描設備獲取數字化的浮雕數據；將浮雕從背景表面中提取出來，直接完成浮雕的初步建模；利用編輯工具修改浮雕的位置和形狀，而后與背景表面合成在一起，實現數字化浮雕的設計處理。該方法的步驟如下：

第一步，使用激光掃描設備獲取數字化模型：通過三維激光掃描系統，設定掃描的幅面、范圍等，就可以簡單、快速的完成樣板的掃描獲取過程，將數字化的浮雕數據輸入到計算機中；

第二步，從網格化的輸入模型中提取出浮雕部分：通過微分坐標的方法得到光滑的法向量，然后利用光滑后的法向量場修改坐標函數的梯度場g，將g作為引導矢量場通過泊松方程重建出基表面，進而評估輸入模型上每個頂點到基表面的距離，通過閾值分割的方法分離出背景部分和浮雕部分。

步驟1，通過對法向量變化較大的位置施加較大的光滑權重，輸入模型通過法向光滑得到光滑的法向量場。

步驟2，利用光滑后的法向量場修改坐標函數的梯度場g，將g作為引導矢量場，通過求解離散的泊松方程評估出一個光滑的基表面。

步驟3，評估輸入模型M上各個頂點到基表面的高度，并通過閾值分割的方法將M分為背景G和浮雕R。

第三步，基于提取的浮雕進行編輯，包括全局的變形操作和修改細節的局部變形操作。全局的變形操作允許用戶在背景表面上整體平移，旋轉或者縮放浮雕，而局部的變形操作允許用戶在背景表面上局部地修改模型的細節，從而改變模型的姿態，這種局部變形是非剛性變形，因此可以采用泊松變形的方法進行操作。

第四步，采用基于泊松方程的合成技術，將浮雕合成在背景表面上，實現數字化浮雕的設計。

需要指出的是，上述的第一步和第二步只需執行一次，第三步和第四步可以多次重復執行。

本發明的有益效果是數字化浮雕的設計方法，該方法實現了浮雕掃描、建模、設計的工藝流程，操作人員可以方便快捷地操作和使用，而不需要專業的背景知識和培訓。三維掃描儀只需對一般操作人員進行短期培訓，即可操作；用戶可根據自己的設計偏好，通過拖拽控制手柄，即可完成浮雕的編輯；編輯完成后，浮雕與基表面合成在一起，形成全新的設計結果。本方法減少對手工技術的過分依賴，降低勞動力成本，節省大量時間，縮短數字化浮雕的設計周期。更重要的是，具有比傳統的手工雕刻方法更突出的效益——設計的可重復性，可直接獲取經典設計，重復利用并修改其數字化浮雕模型，創作出更引人入勝的浮雕設計結果。

附圖說明

圖1為本發明數字化浮雕設計的步驟流程圖。

圖2為本發明中浮雕提取的示意圖。

圖3為本發明中在基表面上移動浮雕的原理圖。

具體實施方式

圖1表示本發明的實現流程圖。圖中的步驟為：

a.使用激光掃描設備獲取數字化模型：通過三維激光掃描系統，設定掃描的幅面、范圍等，就可以簡單、快速的完成樣板的掃描獲取過程，將數字化的浮雕數據輸入到計算機中；

b.重建浮雕模型的基表面；

c.基于基表面求解高度域，采用雙高斯混合函數將浮雕從背景表面中提取出來；

d.組合使用下述移動、縮放、旋轉和非剛性變形等操作，實現數字化浮雕的編輯；