基于图片的三维动漫玩具设计方法

摘要

本发明公开了一种基于图片的三维动漫玩具设计方法。利用基于深度跟踪的轮廓提取与矢量化技术，根据输入玩具图片建立动漫玩具外围轮廓线，并根据特征区域分解轮廓线，建立三维模型的二维线轮廓框架；利用曲面造型技术，根据二维轮廓框架，利用三维建模方法，分别生成三维曲面，并利用三维曲面造型方法对曲面进行修改，得到三维模型原型；利用三维模型表面彩绘与贴图技术，根据用户输入，在三维模型表面进行表面彩绘或贴图，对三维模型原型进行美化，完成三维动漫玩具模型设计。本发明直观、快速，便于学习和使用，与传统动漫玩具设计方法相比提高了效率。

说明书

技术领域

本发明涉及动漫玩具设计方法，尤其涉及一种基于图片的三维动漫玩具设计方法。

背景技术

动漫、玩具等产品的设计属于自由形态建模领域，使用者广泛。传统CAD系统多采用基于WIMP风格的用户界面，输入要求过于精确，设计工具过于复杂，无法表达自由手绘风格，不适合动漫、玩具等产品的快速设计。而近来出现的一些对草图交互界面的研究，主要集中在曲面如何构建、造型，对于大部分使用者来数，由于缺乏专业训练，在设计动漫玩具时，通常难以获得满意的效果。另外，现有动漫玩具设计多采用创意设计或模仿设计，运用手动绘制方式，不能充分发挥现有动漫玩具图片的作用，设计效率偏低。

发明内容

为了克服传统CAD系统以及草图交互界面不便于进行快速设计的问题，本发明的目的在于提供一种基于图片的三维动漫玩具设计方法，该方法不仅能够设计出精美的三维模型，并且使用方便、操作简单，可以使设计者快速完成三维动漫玩具设计。

本发明所采用的技术方案是：

利用基于深度跟踪的轮廓提取与矢量化技术，根据输入玩具图片建立动漫玩具外围轮廓线，并根据特征区域分解轮廓线，建立三维模型的二维线轮廓框架；利用曲面造型技术，根据二维轮廓框架，利用三维建模方法，分别生成三维曲面，并利用三维曲面造型方法对曲面进行修改，得到三维模型原型；利用三维模型表面彩绘与贴图技术，根据用户输入，在三维模型表面进行表面彩绘或贴图，对三维模型原型进行美化，完成三维动漫玩具模型设计。

所述基于深度跟踪的图像轮廓提取与矢量化技术，即对输入玩具图片依次采用预处理、轮廓提取、轮廓跟踪、轮廓简化和拟合处理得到矢量化的轮廓曲线。

所述特征区域分解，即根据动漫玩具不同身体部分特征进行区域分解。

所述三维建模方法，即回转建模、拉伸建模、膨胀蒙皮法建模。

所述三维曲面造型方法，即对曲面细节采用局部点集变形、对称变形、平面FFD变形对曲面细节进行调整。

所述三维模型表面彩绘，即根据鼠标输入的草图轨迹或利用弗格森曲线拟合鼠标输入的草图轨迹，进而通过拖动控制点调整彩绘图纹形状，在三维模型表面进行线条彩绘，以及对勾绘的封闭区域用特定颜色进行填充着色。

所述三维模型表面贴图，即直接从二维图片选取图像细节，拖拽至模型表面，完成三维模型表面贴图。

本发明与现有其他动漫、玩具设计方法相比，具有的有益效果是：

1)利用玩具图片进行三维模型建模，直观、快速，便于各种类型设计人员学习和设计。

2)通过运用图像轮廓提取与矢量化技术，快速得到动漫玩具外围轮廓线，免去了原本手动绘制不精确，需要反复修改等问题，降低了工作量，提高了设计效率。

3)在三维模型生成的过程中，采用了根据特征区域进行建模的方法，并提供了快速有效的三维建模方法和三维曲面便捷造型方法，为建立模型提供了便利。

4)实现了对生成的三维模型进行表面彩绘和贴图的方法，便于设计人员对模型进行美化，快速的完成设计目标。

附图说明

图1是本发明的具体技术路线。

图2是以小熊图片为例运用基于深度跟踪的图像轮廓提取与矢量化技术提取结果。

图3是以小熊图片为例，对提取得到的轮廓线进行特征区域分解结果。

图4是同一轮廓线分别采用回转、拉伸和膨胀蒙皮法生成三维曲面结果。

图5是小熊耳朵进行局部点集变形示例。

图6是小熊胳膊进行对称变形示例。

图7是小熊肚子进行平面FFD变形示例。

图8是小熊头部三维模型表面彩绘示例。

图9是小熊头部三维模型表面贴图示例。

图10是最终完成的小熊三维模型。

图11是快速深度轮廓跟踪方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明从三维动漫玩具的快速设计出发，实现一个基于图片的三维动漫玩具快速设计过程，其技术路线如图1所示，具体包含以下实施步骤：

1.基于快速深度跟踪的轮廓提取与矢量化技术，首先对输入的小熊图片(如图2a所示)进行预处理，将彩色图片转换为二值化图像，并利用形态学处理，去除噪声点(如图2b所示)；对得到的二值化图像进行坎尼(Canny)轮廓检测，得到点阵形式的目标轮廓(如图2c所示)；对点阵式的目标轮廓进行快速深度轮廓跟踪，得到有序排列的轮廓点集；运用道格拉斯-普克(Douglas-Peucker)算法对有序轮廓点集进行简化处理，提取控制点；对提取得到的控制点用弗格森(Ferguson)曲线拟合，建立小熊的外围轮廓线(如图2d所示)。

其中快速深度轮廓跟踪方法的具体步骤如下：

1)从图像(如图11a所示)的左上角开始寻找轮廓的起点，找到后将该点(图11a中标记点)设置已跟踪标记，开始轮廓跟踪；

2)寻找该轮廓点周围8个像素中是否存在待跟踪轮廓点(如图11b所示)；

3)如存在待跟踪轮廓点，则将该点设置为当前轮廓点，并设置已跟踪标记，转向2)。如果该像素周围8个像素中不存在待跟踪轮廓点，则转向4)；

4)找到当前轮廓点的上一个轮廓点，根据两点斜率，预测下一个像素点位置，并在预测得到的像素点的8个周围像素上寻找是否存在待跟踪轮廓点，如果存在则将由预测得到的像素点设置为轮廓点，并设置已跟踪标记，并将该待跟踪轮廓点设置为当前点，设置已跟踪标记，转向2)；如果该点周围不存在待跟踪像素点转向5；

5)在当前轮廓点周围寻找待跟踪轮廓点，若不存在，且搜索范围没有超出限制，则扩大搜索范围，转向5)，如果搜索范围已经超出了限制则转向6)；如果存在待跟踪轮廓点，将该点设置为当前轮廓点，并设置已跟踪标记，转向2)；

6)搜索结束。

2.由于对相同的曲线(如图4a所示)分别采用回转(如图4b所示)、拉伸(如图4c所示)或膨胀蒙皮法(如图4d所示)会生成不同的三维模型，因此为了实现设计效果，必须根据轮廓所代表的特征区域对小熊的外围轮廓线(如图3a所示)进行分解，建立小熊的二维线轮廓框架(如图3b所示)。

3.根据二维线轮廓框架中不同的轮廓线(如图3b所示)所对应的特征区域，选择运用合适的三维建模方法，分别生成小熊各个身体部分特征的三维曲面。

4.根据识别的轮廓进行建模，可以快速的得到与动漫玩具图片轮廓相近的三维曲面，但对于局部细节还必须运用三维曲面造型方法进行进一步处理。

本发明在实现时提供了3种工具进行造型：

(1)局部点集变形，以选中的点为圆心，设定半径r为影响范围，将选中点的变形量通过线性或者非线性方法分布到影响区域内的点上。运用此方法对小熊耳朵(图5a)进行局部点集变形处理，效果如图5b所示。

(2)对称变形，对于对称分布的结构，选取其中部件，进行对称复制，通过调节对称中心轴位置，可以较好的生成对称部件。运用此方法对小熊胳膊(如6a)进行对称变形处理，效果如图6b所示。

(3)平面FFD变形，实现较大范围局部形状调整(如图7所示)。用户在目标部件上绘制轴线P₀P₁，自动生成控制多边形，设V_i为部件模型上任意一点，其变形算法如下：

(a)将目标部件的3D网格点{V_i}转换为2D点{V_{i_2d}}.

(b)将目标部件和FFD控制多边形旋转至水平位置，得到水平放置的目标部件网格{V_{i_2d}′}和FFD控制多边形(P₀′P₁′，{P_ti′}).

(c)对于任一网格点V_{i_2d}′，根据其V_{i_2d，x}′找到控制矩形的对应点I_t′，根据比例关系，FFD控制多边形驱动网格点V_{i_2d}′变形.

(d)将目标部件{V_{i_2d}′}随FFD控制多边形的轴P₀′P₁′转回到原来位置，并将2D网格点转换回3D网格点，完成2D FFD变形。图7显示了通过2D FFD变形，可以将部件变形到与图片吻合的轮廓形状。

根据小熊不同身体部分特征，选用合适的方法对上一步生成的各个三维曲面进行处理，得到小熊的三维模型原型(如图8b所示)。

5.三维模型表面彩绘包括线条绘制(如图8a所示)和区域填充两部分。线条绘制通过获取鼠标输入的二维坐标，将二维坐标转换为三维坐标，再在对应的三维模型表面进行着色处理实现线条绘制，而因为直接用鼠标绘制时很难获得光滑曲线，因此被发明还是用弗格森(Ferguson)曲线对鼠标输入进行拟合，得到光滑曲线形状，进而可以通过拖动控制点，控制三维模型表面彩绘形状。对于已经勾绘的封闭区域，可以进行颜色填充，实现特定区域统一着色。

参照小熊图片对4中得到的小熊的三维模型原型(如图8b所示)进行三维模型表面彩绘(如图8c所示)。

6.三维模型表面贴图技术，其具体算法如下：

1)选取二维图片上细节封闭区域M_ig，拖曳至模型表面。

2)将目标模型的3D网格M＝{V_i}转化为2D网格M_2d＝{V_{i_2d}}，将图片细节封闭区域轮廓映射至M_2d，通过切割操作，获得对应的2D网格区域M_{2d_cut}.

3)将M_{2d_cut}与M_ig进行参数化映射，进而得到目标模型的3D封闭区域网格M_{3d_cut}与M_ig的参数化映射关系，从而方便实现二维图片细节到三维模型表面贴图。

运用三维模型表面贴图技术，将小熊图片上的心形图案(如图9a所示)贴到经上一步处理的小熊三维模型上(如图9b所示)，得到了最终的小熊三维模型，图10a所示为小熊三维模型的正视图，图10b所示为侧面视图。