基于图像的3D造型交互设计方法计算机研究

这是一篇计算机论文，笔者认为通过本文提出的一系列的方法能够为设计师节省更多的时间，在造型设计过程中，降低了时间复杂度，提高了效率。

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

随着人们生活水平的提高以及智能领域的不断完善，人们的实体需要和视觉需求越来越高，3D 造型设计也得以迅速发展。3D 造型技术在辅助设计的基础上进一步拓展成为计算机辅助设计（Computer Aided Design）的延伸，不断在图形绘制、模型加工与制造以及工艺美化等方面有所突破。在计算机技术与诸多学科融合下，3D 造型技术得以应用与发展，并逐步受到各界好评。在 3D 造型技术发展初期，计算机辅助设计能够进行相应的简易绘图操作，但不能进行模型的深入设计。随着造型技术的不断完善，辅助设计不断得到深化，逐步可以获取实体的三维信息，并能够对这些信息加以处理。随着科技不断进步，工业时代发展越来越迅速，汽车、飞机以及模型加工等相关制造业逐步步入社会，进而 3D造型技术激起研究者的兴趣，造型设计工作也逐步引起了相关人员的重视和关注。

当下社会发展越来越迅速，而人们起初所用的互联网一直都是二维模式。随着人们需求层次的提升，虚拟现实、日常购物等领域都涉及到了网络，互联网逐步以三维形式展现。3D 世界的到来带动着技术的又一次变革，企业和市场的竞争越来越激烈，产品模型设计方面也带来了更大的压力，因而产品模型的设计就需要更高的要求来满足客户的需要。通过3D 造型设计可以对图像等实体事物的认识更加明确，使事物的信息表述更为完整。

对于实体的设计过程来说，通常要经过大量推理，最终做出设计决定。特别是对于 3D造型的实体设计来说，当下的软件可以进行 3D 造型的整体设计，但是没有考虑到对于草图方面绘制的效率问题，而草图的获取也是三维几何造型的基础部分。对于这一情况，论文在研究过程中，查阅了相关国内和国外的文献，但在大多数的文献中涉及到的是对于草图的检索框架、手绘草图以及草图的图形库等方面的相关内容，相对较少的文献考虑到草图的绘制过程。因此，如何快速精确地进行草图绘制也是设计者迫切需要解决的问题。目前，相关学者对三维建模这一领域也有所研究，比如对三维重建、转换、缩放等方法均有涉及。

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1.2 研究现状

近年来，3D 世界日新月异，随着智能制造和信息技术领域的不断发展，图像方面的应用有了新的突破，三维世界越来越受到人们认可。相关学术人士在这方面进行不断的尝试，逐步将 3D 造型应用于各个领域中。1.2.1 建模软件

随着科技的进步和技术的不断提升，针对 3D 造型的设计而言，市场上出现了三款主流的基于图像的建模软件，如下所述：

（1）Creo 软件是在 Pro Engineer 软件的基础上发展起来的，是由美国 PTC 公司在 2021年的时候发行的一款用于 3D 造型的软件。

Creo 软件主要在大型公司的创新应用领域或者是技术研发部门的应用中比较常见，而美国 PTC 公司生产该软件的目的主要是为了生成一整套的方案，应该在以后产品研发、设计、制造以及维护方面等方面都能够应用。现在推行了 Creo 3.0 版本，该版本中加入了三维辅助设计的服务包，但是功能相对来说有限，随着以后版本的深入，相信 3D 内容的设计也更加的广泛。

（2）Agisoft PhotoScan 是由俄罗斯研制的一款可以用于摄影后进行细节处理的软件[5]。Photo Scan 不需要进行初始的设定，依据 Photo Scan 可在不需要控制点的情况下，完成照片的自动对齐操作，但是对物体的光影和材质要求来说比较高。

（3）Auto des 123D Catch 是一款开源的以图像为基础的图像建模软件。在该软件的平台下，用户只需要提供不同角度拍摄的照片，将其上传到 123D Catch 云服务器即可完成几何建模。但是在这种情况下对照片的拍摄角度有较高的要求，一旦云端服务器处于关闭现实，将不能完成即时需求。

通过对以上三款基于图像的建模软件进行分析得知，Creo 软件主要在大型公司使用，目前完成的功能相对有限。而 Agisoft PhotoScan 虽然能够进行 3D 造型的设计，但是对实体材质和光亮程度要求较高。最后开源的 Auto des 123D Catch 需要将图像上传到云端，但是若云端服务器关闭则不能进行下一步研究。

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第二章 图像及 3D 造型的相关知识

2.1 图像相关知识

2.1.1 图像概述

在信息迅速发展的时代，图像可以作为一种捕捉周围事物的媒介或者载体。通常在计算机屏幕上我们看到的画面有两种类型：图像和图形。图形是矢量图，图像是位图。图形是由一些点、直线、线段、圆弧和曲线等构成，而图像是通过栅格化存储所看画面的内容信息。一幅完整的图像被分为等均匀的栅格图，其中我们把每个栅格称之为像素，记录其亮度值。图像中像素点的颜色值均由 RGB 三基色构成，而我们所见到的图像就是由三基色值混合在一起所显示的画面。在计算机中内存空间有限，一般通过对图像压缩的方式来解决图像占据空间大的情况。一般来说，计算机中图像的类型主要包括灰色图像、二值图像和真彩色图像三种现实。灰色图像，指在该图像中每个像素点均由 8 位的二进制来表述，其范围控制在 0-255 之间，该图像的文件存储是通过 256 项的不同的灰色级所组成。二值图像（Binary image），指在图像中的每个像素点可能是由两种取值（0 和 1）构成，人们通常用黑白颜色或者是单色图像来进行表示。真彩色图像，指用于表示全彩色的图像，每个像素点的值由 RGB 三种分量所构成，其中每个不同的分量代表着不同颜色的值，取值范围在 0-255 之间，一共 24 位又称为 24 位真彩色。

基于运动的几何建模，又称运动法（shape from motion）。其原理是通过在几幅图像里检测匹配度较高的点，构建点云数据集，最后重建相机的运动参数。它只是对物体表面的三维几何进行稀疏逼近，在这种方法中会通过图像检测关键点。主流的检测算子包括Harris 算子、Sift 算子和 Sobel 算子等，它们可以检测到不同程度的特征点，但不可避免存在不同程度的误差。

...........................2.2 3D 造型分类

在 3D 造型设计之前，我们先来了解下相关的 3D 造型分类。通过造型技术可以设计出各种各样的模型，通常依据数据结构对这些模型进行分类，主要分为线框模型、表面模型、曲面模型、实体模型以及特征模型这五种。下面依次对这几种模型进行详细阐述，并对几种模型的优缺点进行汇总。

（1）线框模型

线框模型作为二维工程图的衍生，是最早的三维空间模型。线框模型是在二维工程图的基础上加入深度坐标，把最初平面中的直线表示为模型的边界，原有的圆弧表示为外部轮廓。如今，随着模型设计的复杂多样，简易的线框模型已经不能满足客户的实体需求，但是线框模型作为其它模型的基础，还具有一定的优势与价值。为了更清楚的对线框模型加以理解，以图 2-1 正方体的线框模型为例进行展示，而正方体的线框模型存储结构图如图 2-2 所示。在计算机中，通过顶点表和边表的方式对线框模型进行存储，分别如表 2-1和表 2-2 所示。

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第三章 3D 造型轮廓生成 ........................... 14

3.1 Bezier 基函数构造 ............................. 14

3.2 图像输入及其处理 ............................ 15

第四章 基于图像的 3D 造型交互设计方法 ...................... 21

4.1 基于图像的 3D 造型交互设计思想 ..................... 21

4.2 Power Crust 曲面重建算法 .................... 22

第五章 编程实现 ............................ 30

5.1 建模描述 ......................... 30

5.2 主要实验及结果展示 ........... 30

第五章 编程实现

5.1 建模描述

针对 3D 造型设计过程中存在界面复杂多样和草图绘制效率低的情况，本文提出基于图像的 3D 造型交互设计方法。在建模初期根据客户提供的待建模图像，为了保证图像清晰度和造型的美观，首先用中值滤波和 DWT 去噪算法对图像进行去噪等相关处理。其次构建 Bezier 基函数，生成三次 Bezier 曲线，依据特征点插值勾勒封闭草图轮廓。为进一步符合客户标准，将草图交于设计师或者相关设计人员交互审核完成草图设计工作。最后，通过基于 Bezier 曲面的三角划分完成曲面重建，对造型进行曲面渲染更加符合客户的审美需求和视觉需要。本文实验是在 MATLAB 平台下，机器配置为 Windows 7 操作系统，4GB 内存，CPU 2.60GHz Core(i5)的 PC 机上运行。对于 3D 造型设计来说，最初在在工业生产和制造领域中占据比重较大，随着生活水平的不断提升和人们视觉的不断追求，3D 造型的应用领域更加广泛。在本文实验中，我们选择机械中的部件、日常生活中的用品等为例进行分析。下面对 3D 造型设计过程中所涉及的主要实验及其关键代码进行展示。........................

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

3D 造型技术在 CAD/CAM 系统中，均有所应用，受到研究人员广泛关注。但在造型设计过程中，设计效率比较低，因此，本文提出基于图像的 3D 造型交互设计方法。以图像为基础，通过样条相关技术完成初始草图绘制工作，设计师按照客户基准对初始草图评价、提议或修复，交互完成草图轮廓的绘制。在草图基础上，通过三次 Bezier 曲面划分完成造型设计，为进一步达到客户视觉需求并进行曲面渲染。通过本文的系列方法不仅降低了时间复杂度，同时提高了草图及造型的绘制效率。文章任务比较明确，能够满足普通用户的相关需求。本文完成工作如下：

（1）分析 3D 造型设计过程中草图绘制工作。查阅草图绘制方法和 3D 造型设计的相关文献，论述了 3D 造型技术的国内外研究趋势。对造型设计过程中，草图绘制方法的优缺点归纳并总结。详细论述了图像和草图的相关知识，结合样条相关理论，提出基于图像的 3D 造型交互设计方法。

（2）本文从图像着手进行处理，通过中值滤波和 DWT 去噪算法对待建模的图像去噪处理，获得清晰图像。在去噪基础上对传统 Harris 算法进行改进，通过 CSS-Harris 算法获得图像特征点并对其跟踪。

（3）本文考虑曲线平滑性的需求，结合样条所学知识，通过样条曲线对关键点进行插值拟合，生成封闭曲线轮廓。

（4）由于經典 Power Crust 算法在曲面重建过程中迭代次数较高，本文基于网格思想，在草图基础上通过三次 Bezier 曲面划分完成曲面重建。最后，通过分片渲染方式完成造型整体的渲染，更加符合客户的审美和视觉需求。

参考文献（略）