点云模型阴影线条画的绘制

摘要

随着计算机图形学的发展，用点云模型作为三维物体在计算机内的表示形式越来越受到人们的重视。一方面点云模型获取简单方便。另一方面，点云模型相比网格模型所占的存储空间少，但同样可以表现物体表面丰富的细节。目前对点云模型的研究已经涉及到从重建、绘制到应用的各个方面，点云模型已经成为一个热点研究领域。 阴影线条画是非真实感绘制的一种风格，它用各种不同类型的阴影线来表现物体表面的形状、纹理和亮度等信息。阴影线在物体表面的走向表现了物体的形状，不同宽度和密度的阴影线表现了物体表面的亮度，不同风格的阴影线表现了物体表面的纹理。阴影线条画被广泛应用于动画、科技文献插图、工业和建筑设计以及修理手册等。 目前已有很多在网格模型或光滑曲面上绘制阴影线条画的方法，但还没有在点云模型上绘制阴影线条画的系统工作。目前已有的方法主要有三大类：一类是基于图像空间的，先得到三维物体在某一视点下的二维图像，再在二维图像中绘制模型的阴影线条画；一类是基于物体空间的，直接在三维模型上绘制；最后一类是混合空间的，一部分操作在物体上进行，另一部分操作在图像上进行。每种方法基本都三个步骤组成：（1）提取模型的轮廓线；（2）计算模型表面的方向场，方向场要反映物体表面的形状信息；（3）根据亮度确定表面上的单阴影线和交叉阴影线区域，在这些区的方向场中进行流线跟踪，绘制阴影线。不同的方法在每个步骤的具体处理过程不同。 本文在前人工作的基础上，系统研究了在点云模型上绘制阴影线条画的工作。在点云模型上绘制阴影线条画的基本步骤与网格模型相似，也分为三步。但因为点云模型离散性的特点，每个步骤的具体处理过程与网格模型有很大不同。本文的阴影线条画生成采用的是混合的方法，主要是在物体空间操作，同时参照了图像空间的信息。本文的研究内容主要有：对点云模型进行高斯球映射，快速计算轮廓点；计算轮廓点的可见性；将轮廓点连成轮廓线；计算点云模型的方向场；优化方向场；计算可见点的光亮度；在方向场中进行流线跟踪来绘制阴影线。 本文的主要贡献： 1）系统研究了在点云模型上绘制阴影线条画的具体操作，总结了目前已有的工作，对目前的工作进行改进，提出适合本文的算法。 2）提出了在点云模型上判段点的可见性的方法。在利用高斯球进行点的可见性判断后，仍有少数不可见点被判定为可见点。根据点间的距离特性，提出了快速去掉这部分不可见点的算法。 3）改进了在点云模型上计算方向场的方法。在计算时，为保证主方向场具有光滑性，要确定点的主方向的计算顺序。对计算顺序的确定进行了改进，提高了效率。 4）提出适合在点云模型上进行流线跟踪的算法。包括判断阴影线是否到达轮廓线或超出绘制范围的方法和阴影线影响范围的概念。要绘制的阴影线区域可能是不连续的，阴影线影响范围的概念就是为了保证所以的阴影区域都画上线。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究意义

1.2相关研究介绍

1.3本文的工作和组织结构

第2章点云模型上点的可见性判断及轮廓线生成

2.1轮廓点的定义

2.2法向计算

2.3利用高斯球判断点的可见性

2.3.1高斯球的定义及高斯映射

2.3.2用高斯球加速判断的原理

2.4一次遍历高斯球八叉树得到轮廓点和阴影点

2.5可见性计算

2.5.1光线跟踪算法

2.5.2利用反演变换判断可见性

2.5.3本文的可见性判断算法

2.6轮廓线的提取

2.7实验结果

2.7.1高斯球效率

2.7.2模型的轮廓线

2.8本章小节

第3章点云模型主方向场的计算

3.1主方向场的定义及意义

3.2主方向的计算

3.3主方向场的优化

3.3.1点的计算顺序

3.3.2平滑方向场

3.4实验结果

3.4.1效率比较

3.4.2方向场示意图

3.5本章小节

第4章阴影线的绘制

4.1阴影线的控制参数

4.2阴影线的绘制原则

4.3流线跟踪算法

4.4阴影线的绘制算法

4.4.1一条阴影线的生成过程

4.4.2模型表面所有阴影线的生成过程

4.5实验结果

4.6本章小结

第5章总结和展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

攻读学位期间参与的科研项目