一种基于拓扑结构流形空间的树状三维模型重建方法技术

本发明专利技术涉及面绘制的三维模型重建技术，其公开了一种基于拓扑结构流形空间的树状三维模型重建方法，只需少量输入树状样本即可生成大量树形模型，解决传统树状三维模型构建方法的时间代价昂贵的问题。该方法包括以下步骤：a、输入两个三维树形模型并分别进行骨架提取；b、基于三维树形模型的骨架数据，对两个三维树形模型的分支点和树枝进行匹配，并通过插值算法使得两个三维树形模型的树枝一一对应；c、基于经步骤b处理后获得的两个树形模型，计算其在预定义流形空间中的测地线，并通过插值采样从测地线上采样出预设个数的树形模型的骨架数据；d、将步骤c中获得的树形模型的骨架数据还原为三维树形模型。还原为三维树形模型。还原为三维树形模型。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拓扑结构流形空间的树状三维模型重建方法


[0001]本专利技术涉及面绘制的三维模型重建技术，具体涉及一种基于拓扑结构流形空间的树状三维模型重建方法。

技术介绍

[0002]树木、灌木、农作物或植物等树形结构在城市和景观环境中无处不在。近年来，他们的3D模型用于许多应用领域，包括农业，植物生物学，建筑，城市建模，游戏和电影等。在计算机图形学中，逼真的植物3D模型可以为虚拟环境增加很多真实感。目前，树木和植物几乎属于每部动画电影或计算机游戏。为了减少树形结构模型开发的时间成本，大量的模型制作方法和商业模型制作工具被研发出来。构建三维树形模型的方法主要有两种：第一种是较为真实的三维模型构建方法，直接从现实中的植物捕捉特征按照外型体绘制或面绘制一个一个构建；第二种是交互式的模型构建道具，通过已经开发好的软件自己调节参数，面绘制构建树形三维模型。现实中，为了节约成本，基本上所有的商业工具都采用第二种方式。
[0003]尽管多种树形三维模型构建工具已经提出多年，但他们还是有一个不能忽视的缺陷，那就是使用的成本太高，经常需要精通这个软件的技术员，对于处于特定环境的树形模型，甚至需要植物学家给定参数。而且对于大量的模型要求，还是需要针对每个模型依次建模。
[0004]近年来，随着计算机图形学在三维建模应用中的不断探索和神经网络的不断发展，建模工具逐渐分化为基于拓扑结构建模的面绘制方法和基于GAN网络的对抗生成器方法。神经网络的优点是应用范围广，一次可以生成大量不同样本，但是最大缺点就是需要大量的样本，而且针对不同拓扑结构的树形结构，还要分出不同的训练集，训练出拥有不同特点的生成器，训练集代价十分昂贵。但基于拓扑结构的方法不仅不需要训练集而且还可以设定自己需要的拓扑结构，但构建模型只能单个构建，时间成本高。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：提出一种基于拓扑结构流形空间的树状三维模型重建方法，只需少量输入树状样本即可生成大量树形模型，解决传统树状三维模型构建方法的时间代价昂贵的问题。
[0006]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：
[0007]一种基于拓扑结构流形空间的树状三维模型重建方法，包括以下步骤：
[0008]a、输入两个三维树形模型并分别进行骨架提取；
[0009]b、基于三维树形模型的骨架数据，对两个三维树形模型的分支点和树枝进行匹配，并通过插值算法使得两个三维树形模型的树枝一一对应；
[0010]c、基于经步骤b处理后获得的两个树形模型，计算其在预定义流形空间中的测地线，并通过插值采样从测地线上采样出预设个数的树形模型的骨架数据；
[0011]d、将步骤c中获得的树形模型的骨架数据还原为三维树形模型。
[0012]作为进一步优化，步骤a具体包括：
[0013]输入两个obj格式的树形模型，分别通过PyrLK光流处理进行骨架提取，生成对应树形模型骨架的txtskl数据，并将txtskl格式的三维骨架数据转换为newick格式数据。
[0014]作为进一步优化，步骤a中，所述骨架提取具体包括：
[0015]对树形模型按其树枝的递进层次进行分层，并按层按树枝对每个树枝进行点采样，对每个树枝的采样以其分支点作为起点沿树枝生长方向进行，且至少包括其分支点和末端端点，每个点包括三维坐标属性和厚度属性。
[0016]作为进一步优化，步骤b中，所述对两个三维树形模型的分支点和树枝进行匹配具体包括：
[0017]b1、通过采样点计算对应树枝的三维B样条曲线；
[0018]b2、统计输入的两个树形模型在对应的各层上的分支点个数；
[0019]b3、以对应层上分支点个数较少的树形模型在该层的第一个分支点作为起始，最后一个分支点作为末端，进行插值算法，在该层插入虚拟分支点和虚拟树枝，插入数量为两个树形模型对应层上分支点个数的差值；
[0020]b4、对经过步骤b3处理后获得的树形模型，按照各层分支点顺序，对每段树枝进行标识，并按设定的采样数量进行再采样，使得两个树形模型的树枝一一对应。
[0021]作为进一步优化，步骤b3中，所述进行插值算法，在该层插入虚拟分支点和虚拟树枝，具体包括：假设两个树形模型在对应层上的分支点数分别为t1和t2，其中t1小于t2，则在分支点数为t1的树形模型的该层，按其第一个分支点到最后一个分支点之间在三次B样条算法拟合的曲线长度，将拟合的曲线等分为t2
‑
t1+1份，等分所获得的等分点即为虚拟分支点，然后在虚拟分支点上添加长度为零的虚拟树枝，所述虚拟树枝首末端端点的采样属性相同。
[0022]作为进一步优化，步骤c中，所述插值采样包括：
[0023]c1、输入树形模型序列，并以树形模型序列中的由步骤a输入并经步骤b处理所获得的两个树形模型作为初始模型S和T，以S和T分别作为起始点计算其在流形空间中的测地线作为初始测地线；
[0024]c2、基于步骤c1输入的树形模型序列，根据各树形模型在流形空间的映射点对初始测地线进行分段；
[0025]c3、激活与分段数量相一致的插值采样流程，各插值采样流程的输入分别为对应分段两端对应的树形模型；
[0026]c4、判定采样数量是否达到预设个数，达到则结束本步骤并进入步骤d，否则将本轮获得的树形模型添加至树形模型序列，并将更新后的树形模型序列输入至步骤c1进行新一轮的插值采样。
[0027]作为进一步优化，步骤c3中，所述插值采样流程包括：
[0028]c31、随机选取当前输入的模型输入对中的一个树形模型作为质心C，并将质心C放入队列Q中，设定当前迭代次数j＝0；
[0029]c32、选取当前输入的模型输入对中未被选为质心C的另一个树形模型作为M，计算出质心C与树形模型M间的测地线距离L，再计算出与质心C之间的距离为(1/(j+1))L的树形
模型N，并将树形模型N赋值给C作为新的质心，更新迭代次数j；
[0030]c33、遍历队列Q中的所有树形模型，计算Q中树形模型与新的质心C的测地线距离D，如果D>σ，σ为预设距离阈值，则将队列Q中的所有树形模型清除，将新的质心C加入队列Q后返回步骤c32；否则，进入步骤c34；
[0031]c34、将新的质心C加入队列Q，如果Q的大小达到预设队列长度，则视为收敛，停止迭代并输出新加入的质心C作为本轮获得的插值模型；如果队列Q的大小小于预设队列长度，则返回步骤c32，如果j达到预设迭代次数，队列Q仍未收敛，则结束本流程。这里的预设队列长度的值可以依据计算机性能来设置，如果设置较大，生成效果更好，但生成的时间会延长，综合考量下，将预设队列长度设置为5较为合理。
[0032]作为进一步优化，步骤d具体包括：
[0033]循环读取步骤c中输出的树形模型序列的骨架数据，将其树枝按照三次B样条曲线还原方式还原，其末层以外的树枝轮廓为分支点与分支点间采用多边形椎台、分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑结构流形空间的树状三维模型重建方法，其特征在于，包括以下步骤：a、输入两个三维树形模型并分别进行骨架提取；b、基于三维树形模型的骨架数据，对两个三维树形模型的分支点和树枝进行匹配，并通过插值算法使得两个三维树形模型的树枝一一对应；c、基于经步骤b处理后获得的两个树形模型，计算其在预定义流形空间中的测地线，并通过插值采样从测地线上采样出预设个数的树形模型的骨架数据；d、将步骤c中获得的树形模型的骨架数据还原为三维树形模型。2.如权利要求1所述的一种基于拓扑结构流形空间的树状三维模型重建方法，其特征在于，步骤a具体包括：输入两个obj格式的树形模型，分别通过PyrLK光流处理进行骨架提取，生成对应树形模型骨架的txtskl数据，并将txtskl格式的三维骨架数据转换为newick格式数据。3.如权利要求1所述的一种基于拓扑结构流形空间的树状三维模型重建方法，其特征在于，步骤a中，所述骨架提取具体包括：对树形模型按其树枝的递进层次进行分层，并按层按树枝对每个树枝进行点采样，对每个树枝的采样以其分支点作为起点沿树枝生长方向进行，且至少包括其分支点和末端端点，每个点包括三维坐标属性和厚度属性。4.如权利要求1所述的一种基于拓扑结构流形空间的树状三维模型重建方法，其特征在于，步骤b中，所述对两个三维树形模型的分支点和树枝进行匹配具体包括：b1、通过采样点计算对应树枝的三维B样条曲线；b2、统计输入的两个树形模型在对应的各层上的分支点个数；b3、以对应层上分支点个数较少的树形模型在该层的第一个分支点作为起始，最后一个分支点作为末端，进行插值算法，在该层插入虚拟分支点和虚拟树枝，插入数量为两个树形模型对应层上分支点个数的差值；b4、对经过步骤b3处理后获得的树形模型，按照各层分支点顺序，对每段树枝进行标识，并按设定的采样数量进行再采样，使得两个树形模型的树枝一一对应。5.如权利要求4所述的一种基于拓扑结构流形空间的树状三维模型重建方法，其特征在于，步骤b3中，所述进行插值算法，在该层插入虚拟分支点和虚拟树枝，具体包括：假设两个树形模型在对应层上的分支点数分别为t1和t2，其中t1小于t2，则在分支点数为t1的树形模型的该层，按其第一个分支点到最后一个分支点之间在三次B样条算法拟合的曲线长度，将拟合的曲线等分为t2
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t1+1份，等分所获得的等分点即为虚...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢宁，刘星佑，申恒涛，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：