[發明專利]一種高質量的實時等值面網絡生成方法

在審

• 申請號: 202010900806.1
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN112070895A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 郝家輝;任重
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06T17/20
• 分類號: G06T17/20
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明公開了一種高質量的實時等值面網絡生成方法，該方法以Marching Cubes算法為藍本進行改進來高效生成三維模型的高質量網格，重新審視MC算法中的判例表，提出了等價邊緣的概念；結合網格重分技術從三方面優化了MC算法：利用連接性修改和頂點插入技術從判例表中刪除表現最差的等價邊緣；通過改變活動邊的幾何形狀促使其與等值面更加垂直；以及移動立方體單元格的共享割點。本發明以接近標準MC算法的運行速度生成較高質量的網格，網格質量接近耗時極高的后處理網格重分算法；可以集成到常用的實時三維重建算法中，大大提高重建質量，應用空間巨大，算法具有良好的網格保真性與魯棒性，可靠性高。

技術領域

本發明屬于計算機圖形學領域，尤其涉及一種高質量的實時等值面網絡生成方法。

背景技術

等值面提取算法是眾多算法與應用的處理流水線中的主要計算組件之一，尤其是在三維場景的實時重建中。以增強現實技術為基礎的科學可視化應用幾乎都需要實時渲染等值面的能力，這往往是通過首先將一個隱式曲面轉換為三角形網格，然后再對其進行渲染來實現。當然，更多的應用還需要在生成的網格上進行后續操作與處理，例如碰撞與形變的模擬、虛擬場景與現實場景的交互等。這些應用要求不僅輸入的網格質量要較好，而且還需要保證網格生成算法的高度實時性。計算等值面的方法中最為經典和廣泛應用的是Marching Cubes算法(后文簡稱MC算法)。MC算法之所以能夠成為最為流行的等值面提取算法，主要依賴于其綜合了簡單性、高效性以及魯棒性等重要的算法特點。然而，MC算法會產生大量低質量的三角形。因此，MC算法及其變體生成的網格仍然需要額外的后處理步驟來提升三角形網格的質量。隨著計算能力的不斷提高，現在的實時應用程序中的仿真過程已經十分復雜，標準MC算法生成的低質量網格掣肘了它們的表現。強大的后處理算法可以顯著的提升網格質量，它們通過優秀的網格重分算法甚至可以將網格處理至幾乎全部都是等邊三角形的高質量網格，但它們動輒分鐘級的時間消耗導致其根本無法用于實時應用程序中。因此，可以通過改進MC算法的核心步驟來在生成網格并實時提升網格質量，這恰恰可以在保證良好的實時性的同時得到較高質量的網格。Marching Cubes算法可以參考文獻“Lorensen W E,Cline H E.Marching cubes:A high resolution 3D surfaceconstruction algorithm[J].ACM siggraph computer graphics,1987,21(4):163-169”；網格重分算法可以參考文獻：“Alliez P,Ucelli G,Gotsman C,et al.Recent advancesin remeshing of surfaces[M]//Shape analysis and structuring.Springer,Berlin,Heidelberg,2008:53-82.”；Marching Cubes算法的改進可以參考文獻：“Newman T S,YiH.A survey of the marching cubes algorithm[J].ComputersGraphics,2006,30(5):854-879.”。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種高質量的實時等值面網絡生成方法。本發明利用三維模型的等值面提取技術，基于Marching Cubes算法實時生成高質量網格。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種高質量的實時等值面網絡生成方法，包括以下步驟：

(1)構建MC算法判例中各三角形的等價邊緣；

(2)輸入某個三維模型的體素數據，并給定一個等值面值；

(3)將體素數據均勻劃分為單個的立方體單元格，根據單元格頂點處的值與等值面值之間的大小關系為每個單元格頂點標記正負號；

(4)根據步驟(3)標記的正負單元格頂點，通過與MC算法中的判例進行對比確定當前單元格所屬的判例；