一种书法浮雕建模方法技术

本发明专利技术公开了一种书法浮雕建模方法，属于书法浮雕建模方法领域，要解决的技术问题为现有浮雕模型中缺乏多样化、高度和截面形状调节受限；其方法包括：S1、将字体网格化：将书法图像中的字体进行三角网格化处理，得到多个封闭的笔画区域，并对每个笔画区域的边界环进行优化；S2、基于法向估计构建均匀高度场：通过谐波传播计算该笔画区域的内部顶点法向，从而将2D笔画区域转换为3D浮雕形式的均匀高度场；S3、基于笔画宽度构建非均匀高度场：通过拉普拉斯增量变换插值内部顶点的高度坐标值，生成非均匀高度场；S4、合成并风格化高度场：非线性压缩混合高度场，生成可调节参数的高度场；S5、通过参数调节，构建多样书法浮雕。

Calligraphy relief modeling method

The invention discloses a calligraphy relief modeling method, which belongs to the field of calligraphy relief modeling method, to solve the technical problems existing in the lack of relief model diversification, height and section shape adjustment is limited; the method comprises the following steps: S1, the font grid: calligraphy image in the font of the triangulation, get more the closed area of each stroke and stroke, the boundary loop optimization; S2, based on the method to estimate the construction of uniform height field: the harmonic propagation calculation of internal vertex method to the stroke area, so as to convert 2D to 3D regional stroke relief in the form of uniform height; S3, stroke width construction of non uniform height field based on Laplasse interpolation increment height coordinate internal vertex value, generating non-uniform height field; S4, synthesis and style of height field: nonlinear The compressed mixing height field generates a height field with adjustable parameters; S5 constructs a variety of calligraphic reliefs through parameter adjustment.

【技术实现步骤摘要】
一种书法浮雕建模方法
本专利技术涉及书法浮雕建模方法领域，具体地说是一种书法浮雕建模方法。
技术介绍
汉字是中国历史文化的重要传承工具，而书法则是基于汉字的一种艺术表达形式，一般用毛笔书写而成。为了能长久保存，许多书法作品以浮雕的形式雕刻在石块或木板上，呈现出独特的艺术魅力。常见的书法浮雕有扁平型和曲面型两种形式，扁平型浮雕的高度值均匀一致，结构相对简单；曲面型浮雕为光顺的流型曲面，具有更强的立体感。传统书法浮雕由手艺匠人手工制作，费时、费力，效率不高。近年来，随着计算机辅助艺术设计和数控加工技术的不断发展，书法浮雕的多样性和可加工性得到了极大提高。利用ArtCAM、Zbrush等建模软件，用户可以设计多种类型浮雕作品，并输出到数控设备进行模型加工制作。虽然现有软件能完成书法浮雕的常规设计工作，但对于复杂曲面形状并未提供完整的解决方案，建模流程往往需要较多的人机交互，已经出现的自动建模方法虽然满足一定的设计要求，但在字体截面形状、笔画一致性方面仍存在不足。
技术实现思路
本专利技术的技术任务是针对以上不足，提供一种书法浮雕建模方法，来解决现有浮雕模型中缺乏多样化、高度和截面形状调节受限的问题。本专利技术的技术任务是按以下方式实现的：一种书法浮雕建模方法，包括如下步骤：S1、将字体网格化：以单幅书法图像为输入，将书法图像中的字体进行三角网格化处理，得到多个封闭的笔画区域，并对每个笔画区域的边界环进行优化；S2、基于法向估计构建均匀高度场：根据笔画区域的边界顶点法向，通过谐波传播计算该笔画区域的内部顶点法向，并通过顶点法向的z分量计算该笔画区域的顶点的高度坐标值，从而将2D笔画区域转换为3D浮雕形式的均匀高度场；S3、基于笔画宽度构建非均匀高度场：根据步骤S2中笔画区域的边界顶点的高度坐标值，通过拉普拉斯增量变换插值内部顶点的高度坐标值，生成非均匀高度场；S4、合成并风格化高度场：将均匀高度场和非均匀高度场线性叠加为混合高度场后，非线性压缩混合高度场，生成可调节参数的高度场；S5、通过参数调节，构建多样书法浮雕。通过均匀高度场和非均匀高度场的叠加，可根据需要调节参数，生成不同风格的书法浮雕。进一步的，步骤S1中，输入的书法图像为灰度图像，且书法图像中笔画边缘清晰且连续。对于分辨率不高或者字体模糊的图像，可采用图像处理方法或者专用软件进行预处理。进一步的，步骤S1中，将书法图像中的字体进行三角网格化处理时，遵循三角网格面片的拓扑连接规则，根据像素灰度值将相邻像素拓扑连接为三角网格面片；三角网格面片的拓扑连接规则包括：规则1：四个相邻的像素分别为像素Ⅰ、像素Ⅱ、像素Ⅲ和像素Ⅳ，像素Ⅰ、像素Ⅱ、像素Ⅲ和像素Ⅳ按逆时针方向呈矩形矩阵排布，如果上述四个像素的灰度值均大于给定阈值，则像素Ⅰ、像素Ⅱ和像素Ⅲ连接为一个三角网格面片，像素Ⅲ、像素Ⅳ和像素Ⅰ连接为一个三角网格面片；规则2：根据规则1，如果三角网格面片中一个像素的灰度值大于阈值，另外两个像素的灰度值在阈值范围之外，则该三角网格面片保留；规则3：根据规则1，如果三角网格面片中两个像素的灰度值均大于阈值，第三个像素的灰度值在阈值范围之内，则该三角网格面片去除；规则4：根据规则1，如果三角网格面片中三个像素的灰度值均大于阈值，则该三角网格面片去除。对字体进行三角网格化处理，以剔除背景像素，提高后续建模效率。进一步的，步骤S1中，对每个笔画区域的边界环进行优化的方法为：采用分段样条函数对边界环进行参数拟合，具体为：S101、以拟合前和拟合后边界顶点的位置变动量为狄利克雷边界条件，采用硬约束对笔画区域进行变形操作，通过求解线性系统(1)计算该笔画区域中所有顶点的位置变动量，线性系统(1)为：其中，n为顶点的总数量，n'为内部顶点的数量，k为边界顶点的数量，k＝n-n'，pi(i＝0,10......k)为拟合前边界顶点的位置，ci(i＝0,1,……k)为拟合后边界顶点的位置，di为边界顶点的位置变动量，di＝ci-pi，L为拉普拉斯-贝尔特拉米算子，L∈Rn×n，Ik为单位矩阵，L的矩阵元素如稀疏矩阵(1)所示，稀疏矩阵(1)为：N(vi)为顶点vi的一环邻域，wij＝(cotαij+cotβij)/2，αij和βij是网格边vivj相对的三角形内角；S102、将拟合前顶点的位置和顶点的位置变动量进行线性叠加，得到变形后顶点的位置v′i，v′i＝vi+di(i＝0,1,……k)。在剔除背景像素实现字体网格化后，笔画边缘不可避免的产生锯齿现象，边界锯齿会影响字体浮雕的外观效果，同时影响后续法向差值构建高度场。采用分段样条函数对边界环进行参数拟合，可在不影响笔画区域内各顶点的拓扑连接关系的情况下，对笔画区域的边界环进行平顺处理。进一步的，步骤S2中，基于法向估计构建均匀高度场，包括如下步骤：S201、初始化边界顶点法向的z分量为零；S202、以边界顶点法向的x分量和边界顶点法向的y分量为狄利克雷边界条件，通过拉普拉斯变换差值内部顶点法向的x分量nix和内部顶点法向的y分量niy，具体为：采用硬约束求解线性系统(2)，线性系统(2)为：其中，f为内部顶点法向的x分量nix或内部顶点法向的y分量niy，为拉普拉斯-贝尔特拉米算子，表示为稀疏矩阵(1)的形式；S203、根据内部顶点法向的x分量nix和内部顶点法向的y分量niy，通过矢量归一化条件得到内部顶点法向的z分量niz，S204、根据边界顶点法向的z分量和内部顶点法向的z分量，以顶点的高度坐标值构建均匀高度场Z1，Z1(xi,xj)＝niz。进一步的，步骤S3中，基于笔画宽度构建非均匀高度场，包括如下步骤：S301、以边界顶点的高度坐标值为狄利克雷边界条件，边界顶点的高度坐标值为零；S302、通过求解泊松方程计算顶点的高度坐标值，以顶点的高度坐标值构建非均匀高度场Z2，泊松方程如下：其中，s为常数，s取值范围为0～0.1。进一步的，将非均匀高度场Z2中顶点的高度坐标值归一化到[0.0,1.0]范围内。进一步的，步骤S4中，混合高度场Z为：Z＝(1-β)Z1+βZ2对混合高度场Z非线性压缩后，混合高度场Z的扁平度H表示为：H＝λ·Clamp[α·Z/(1+α·Z)]其中，β为均匀因子，且β∈[0,1]，用于控制混合高度场顶部的均匀性，λ为高度比例因子，Clamp表示将高度值归一化到[0.0,1.0]范围内，α为扁平度因子。进一步的，步骤S2和步骤S3中，顶点的高度坐标值为正值或负值，顶点的高度坐标值为正值时，所述书法浮雕为凸起的浮雕，顶点的高度坐标值为负值时，所述书法浮雕为凹陷的浮雕。进一步的，步骤S1中，书法图像中字体的个数超过预定值时，通过分块建模再合并的方式创建书法浮雕，包括如下步骤：(L1)、对书法图像进行分块处理，得到多个分块书法图像；(L2)、将每个分块书法图像作为单幅书法图像，依次依照步骤S1、步骤S2、步骤S3和步骤S4进行处理，生成各个分块书法图像的书法浮雕；(L3)、将各个书法浮雕进行合并，得到所述书法图像的书法浮雕。本专利技术的一种书法浮雕建模方法具有以下优点：1、本专利技术以书法图像为输入，无须提取字体的骨架线，方法简单以实现；2、在网格域构建一种浮雕混合高度场模型，用户可实时调整浮雕字体的高度和截面形状，实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种书法浮雕建模方法，其特征在于包括如下步骤：S1、将字体网格化：以单幅书法图像为输入，将书法图像中的字体进行三角网格化处理，得到多个封闭的笔画区域，并对每个笔画区域的边界环进行优化；S2、基于法向估计构建均匀高度场：根据笔画区域的边界顶点法向，通过谐波传播计算该笔画区域的内部顶点法向，并通过顶点法向的z分量计算该笔画区域的顶点的高度坐标值，从而将2D笔画区域转换为3D浮雕形式的均匀高度场；S3、基于笔画宽度构建非均匀高度场：根据步骤S2中笔画区域的边界顶点的高度坐标值，通过拉普拉斯增量变换插值内部顶点的高度坐标值，生成非均匀高度场；S4、合成并风格化高度场：将均匀高度场和非均匀高度场线性叠加为混合高度场后，非线性压缩混合高度场，生成可调节参数的高度场；S5、通过参数调节，构建多样书法浮雕。

【技术特征摘要】
1.一种书法浮雕建模方法，其特征在于包括如下步骤：S1、将字体网格化：以单幅书法图像为输入，将书法图像中的字体进行三角网格化处理，得到多个封闭的笔画区域，并对每个笔画区域的边界环进行优化；S2、基于法向估计构建均匀高度场：根据笔画区域的边界顶点法向，通过谐波传播计算该笔画区域的内部顶点法向，并通过顶点法向的z分量计算该笔画区域的顶点的高度坐标值，从而将2D笔画区域转换为3D浮雕形式的均匀高度场；S3、基于笔画宽度构建非均匀高度场：根据步骤S2中笔画区域的边界顶点的高度坐标值，通过拉普拉斯增量变换插值内部顶点的高度坐标值，生成非均匀高度场；S4、合成并风格化高度场：将均匀高度场和非均匀高度场线性叠加为混合高度场后，非线性压缩混合高度场，生成可调节参数的高度场；S5、通过参数调节，构建多样书法浮雕。2.根据权利要求1所述的一种书法浮雕建模方法，其特征在于步骤S1中，输入的书法图像为灰度图像，且书法图像中笔画边缘清晰且连续。3.根据权利要求1所述的一种书法浮雕建模方法，其特征在于步骤S1中，将书法图像中的字体进行三角网格化处理时，遵循三角网格面片的拓扑连接规则，根据像素灰度值将相邻像素拓扑连接为三角网格面片；三角网格面片的拓扑连接规则包括：规则1：四个相邻的像素分别为像素Ⅰ、像素Ⅱ、像素Ⅲ和像素Ⅳ，像素Ⅰ、像素Ⅱ、像素Ⅲ和像素Ⅳ按逆时针方向呈矩形矩阵排布，如果上述四个像素的灰度值均大于给定阈值，则像素Ⅰ、像素Ⅱ和像素Ⅲ连接为一个三角网格面片，像素Ⅲ、像素Ⅳ和像素Ⅰ连接为一个三角网格面片；规则2：根据规则1，如果三角网格面片中一个像素的灰度值大于阈值，另外两个像素的灰度值在阈值范围之外，则该三角网格面片保留；规则3：根据规则1，如果三角网格面片中两个像素的灰度值均大于阈值，第三个像素的灰度值在阈值范围之内，则该三角网格面片去除；规则4：根据规则1，如果三角网格面片中三个像素的灰度值均大于阈值，则该三角网格面片去除。4.根据权利要求1所述的一种书法浮雕建模方法，其特征在于步骤S1中，对每个笔画区域的边界环进行优化的方法为：采用分段样条函数对边界环进行参数拟合，具体为：S101、以拟合前和拟合后边界顶点的位置变动量为狄利克雷边界条件，采用硬约束对笔画区域进行变形操作，通过求解线性系统(1)计算该笔画区域中所有顶点的位置变动量，线性系统(1)为：其中，n为顶点的总数量，n'为内部顶点的数量，k为边界顶点的数量，k＝n-n'，pi(i＝0,10......k)为拟合前边界顶点的位置，ci(i＝0,1,……k)为拟合后边界顶点的位置，di为边界顶点的位置变动量，di＝ci-pi，L为拉普拉斯-贝尔特拉米算子，L∈Rn×n，Ik为单位矩阵，L的矩阵元素如稀疏矩阵(1)所示，稀疏矩阵(1)为：

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉伟，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37