一种基于三维点阵渲染的快速建模方法及系统与流程

1.本发明涉及三维建模技术领域，尤其是涉及一种基于三维点阵渲染的快速建模方法及系统。


背景技术：

2.伴随着vr、ar、5g等技术逐步发展普及，视觉维度升级成为大势所趋，接触3d的人越来越多。应用软件尤其是教学类系统软件快速的朝三维化、仿真化、游戏化方向发展，而用于支持三维仿真化的基础建模，依然主要依赖于人工建模绘制，效率低下。同时高端建模系统工具软件和方法大部分被国外厂商占据(如3dmax、maya等)，在当下复杂的国际形势中，如何补齐三维建模质量与效率的短板，成为我国三维应用发展的关键。
3.传统三维建模过程主要分为四个步骤，1：使用建模工具构建模型(比较知名的如3dmax、arcgis、maya及autocad等等)，通常它们都会提供一些基本的几何元素，如立方体、球体等，再通过一系列几何操作(平移、旋转、拉伸等)，来构建复杂的几何场景。2：效果编辑，依次给模型添加适当的材质纹理、进行展uv，辅助上颜色、法线等各类贴图、创建灯光效果等。3：对模型的可视化展示、正式发布。4：应用到特定场景时，根据运行环境对模型进行减面、展uv、烘焙、格式转换等各项处理，达到降低模型大小，同时不破坏本身效果，还能快捷地展示出来的目的。
4.但是传统的三维建模过程本质上是基于建模工具环境下的手工拼制和绘画过程，不可避免的会导致一系列问题。首先精确低，传统建模方法构建出来的模型与实际物体存在细微的差距(如尺寸、弧度、比例等)，而在一些高精度工艺制作和训练领域，这种差异是致命的，导致三维仿真系统失去原有的价值和意义。其次效率低且成本高，由于严重依赖建模人员的工作经验和个人能力，以一种劳动密集型的建模生产方式运作；耗时费力，无法在有效的周期去完成批量化大规模的建模工作。虽然近年市场上出现过一些基于2d平面图片进行快速三维建模的方案，但整体效果粗糙，缺乏精细度，也无法全自动完成完整的建模的全过程，依然需要人工参与干预。对于三维建模的质量和效率没有产生实际的改变与影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种基于三维点阵渲染的快速建模方法及系统，解决现有建模严重依赖于人力操作以致效率和精度都较低的问题。
6.为达到上述技术目的，本发明的技术方案第一方面提供一种基于三维点阵渲染的快速建模方法，其包括如下步骤：
7.构建一个三维点阵空间模型，并对目标实物进行360度顺时针扫描式拍摄取景；
8.提取目标实物扫描视频第一帧画面图片作为基准图片，过滤去除背景色，取中线像素作为基准线，将中线渲染至点阵空间的中心线；
9.对扫描拍摄的视频进行帧画面分解，将所有帧图的比例缩放到与基准图片完全一致；
10.将相邻下一张帧图中相对前一帧中线位置右侧的一个像素宽度的像素点阵提取出来，渲染填充至点阵中心线的右侧,以此类推进，以基准照片的中线为基准对点阵空间进行360度逆时针填充；
11.将点阵结构数据进行翻译转换，生成gltf文件。
12.本发明第二方面提供一种基于三维点阵渲染的快速建模系统，其包括如下功能模块：
13.建模取景模块，用于构建一个三维点阵空间模型，并对目标实物进行360度顺时针扫描式拍摄取景；
14.中线渲染模块，用于提取目标实物扫描视频第一帧画面图片作为基准图片，过滤去除背景色，取中线像素作为基准线，将中线渲染至点阵空间的中心线。
15.比例缩放模块，用于对扫描拍摄的视频进行帧画面分解，将所有帧图的比例缩放到与基准图片完全一致；
16.渲染填充模块，用于将相邻下一张帧图中相对前一帧中线位置右侧的一个像素宽度的像素点阵提取出来，渲染填充至点阵中心线的右侧,以此类推进，以基准照片的中线为基准对点阵空间进行360度逆时针填充；
17.数据转换模块，用于将点阵结构数据进行翻译转换，生成gltf文件。
18.本发明第三方面提供一种服务器，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种基于三维点阵渲染的快速建模方法的步骤。
19.本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种基于三维点阵渲染的快速建模方法的步骤。
20.与现有技术相比，本发明利用计算机图像处理算法，自动化完成实物到三维模型转换制作的过程，另辟蹊径，在计算机内存中自动化完成模型构建，并直接进行实物像素级复制与转移；将传统建模中的大部分工作融入到模型构建同时完成，能最大限度的确保模型与实物的比例、精确性，同时将原生色彩还原在模型上，使模型各个面的色彩与实物趋近一致，大大提高了三维模型的视觉效果，且无需人工参与，极大的提高了建模效率。
附图说明
21.图1是本发明所述的一种基于三维点阵渲染的快速建模方法的流程框图；
22.图2是本发明所述的一种基于三维点阵渲染的快速建模方法的步骤流程图；
23.图3是本发明所述的一种基于三维点阵渲染的快速建模系统的模块框图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种基于三维点阵渲染的快速建模方法，其包括如下步骤：
26.s1、构建一个三维点阵空间模型，并对目标实物进行360度顺时针扫描式拍摄取景。
27.具体的，首先根据实物大小尺寸构建一个三维点阵空间模型，所述模型与实物是1：1尺寸建构，优选的是，所述三维点阵空间模型的长宽高应略微超出实物的最大长宽高，否则保持点阵空间长宽高比例与实物一致即可。
28.由于在构建具有光滑曲面的模型时，使用常用的像素立方体结构会导致构建出的曲面具有大面积的颗粒感，对于复杂结构的模型构建显得粗糙。因此，在本发明实施例所述三维点阵空间模型中，将三维点阵空间模型进行像素级划分，每四个像素点，构成一个由三个等腰直角三角形组成的三角锥空间结构作为最小元素。所述三角锥空间结构是在正方体像素结构上进行两次对角斜切得到，一个正方体像素结构能够分解得到四个大小一致的三角锥空间结构，通过将一个正方体像素空间进一步拆解为四个空间结构，从而能够使模型曲面的基础面处理更细腻与准确。
29.然后对目标实物进行360度顺时针扫描式拍摄取景，当目标实物为小型物件时，将实物放置于系统取景画面正中心，通过轮廓识别算法选取处目标实物轮廓。当目标实物为大型物件如船舶、建筑物等时，则可以借助无人机携带取景设备进行辅助扫描，设定好无人机起始位置与圆周飞行半径，确保目标物位于圆周范围之内。取景时，以实物中心为圆心等距半径的圆周扫描拍摄，得到目标实物的全角度等距视频。
30.s2、提取目标实物扫描视频第一帧画面图片作为基准图片，过滤去除背景色，取中线像素作为基准线，将中线渲染至点阵空间的中心线。
31.即确立了三维模型的基准图片和渲染像素的起始线(也是结束线)。
32.s3、对扫描拍摄的视频进行帧画面分解，将所有帧图的比例缩放到与基准图片完全一致。
33.具体的，对扫描拍摄的视频进行帧画面分解，按标准24帧/秒的码率计算，小型实物的拍摄视频拆分帧图片数量约为2000-3000张，大型实物的拍摄视频拆分帧图片数量约为8000-15000张。
34.在基准图片取出至少三个能够构建平面空间的标志点，则三个点中至少有一个点的y轴坐标与其他两个点的y轴坐标不同，且三个点的x坐标彼此之间的差值不超过100像素。
35.调用算法计算得到三个标志点区域范围内的像素变化特征值，即确定帧图某一区域中的特征值，然后需要在临近的帧图中匹配到相同的区域，即对临近帧图的所有像素值进行索引与比对，将临近帧图存在同样像素变化特征值的区域检索出来；计算两帧图片之间的区域相对比例，根据比例对临近帧图做相应缩放操作，即将整个临近帧图缩放到基准图片尺寸大小；利用完成比例缩放的帧图去缩放下一张临近帧图，以此类推处理完所有帧图，从而将所有帧图的比例缩放到与基准图片完全一致，完成了对所有帧图像的比例(摄像距离)一致化处理。
36.s4、将相邻下一张帧图中相对前一帧中线位置右侧的一个像素宽度的像素点阵提取出来，渲染填充至点阵中心线的右侧,以此类推进，以基准照片的中线为基准对点阵空间进行360度逆时针填充。
37.以第一帧图片作为基准图片，其中线已渲染至三维点阵中心线；自基准图片相邻
下一张帧图中，取其对应前一帧图片中线像素线右侧一个像素宽度的纵列像素，填充至点阵中线的右侧,以此类推进，对点阵空间以中线为准进行360度逆时针填充。按顺序处理完所有帧图片，最后一张帧图片取出的像素线正好渲染在点阵空间原始像素线的右侧，形成闭环。
38.在渲染填充点阵的过程中，由根据像素颜色深浅值差异选用不同填充策略(处理曲面或菱角)，对于色差小于标准值，则填充完整的由四个最小三角锥单位组成的正方体空间范围；对于色差大于标准值，在靠近相邻像素一侧填充单个锥形空间范围。
39.s5、将点阵结构数据进行翻译转换，生成gltf文件。
40.gltf数据结构能够保证最大的兼容性以及可伸缩性，它使用json格式进行描述，也可以编译成二进制的内容：bgltf。gltf可以包括场景、摄像机、动画等，也可以包括网格、材质、纹理，甚至包括了渲染技术(technique)、着色器以及着色器程序。同时由于json格式的特点，它支持预留一般以及特定供应商的扩展。目前几乎所有的三维建模框架与工具，都能较好的兼容这种格式。
41.本发明所述基于三维点阵渲染的快速建模方法，其通计算机图像处理算法，自动化完成实物到三维模型转换制作的过程，另辟蹊径，在计算机内存中自动化完成模型构建，并直接进行实物像素级复制与转移；将传统建模中的大部分工作融入到模型构建同时完成，能最大限度的确保模型与实物的比例、精确性，同时将原生色彩还原在模型上，使模型各个面的色彩与实物趋近一致，大大提高了三维模型的视觉效果，且无需人工参与，极大的提高了建模效率。
42.如图3所示，本发明实施例还公开了一种基于三维点阵渲染的快速建模系统，其包括如下功能模块：
43.建模取景模块，用于构建一个三维点阵空间模型，并对目标实物进行360度顺时针扫描式拍摄取景；
44.中线渲染模块，用于提取目标实物扫描视频第一帧画面图片作为基准图片，过滤去除背景色，取中线像素作为基准线，将中线渲染至点阵空间的中心线。
45.比例缩放模块，用于对扫描拍摄的视频进行帧画面分解，将所有帧图的比例缩放到与基准图片完全一致；
46.渲染填充模块，用于将相邻下一张帧图对应前一帧基准线的像素提取出来渲染填充至点阵中心线的右侧,以此类推进，以一个像素为纵列宽度，以中线为基准对点阵空间进行360度逆时针填充；
47.数据转换模块，用于将点阵结构数据进行翻译转换，生成gltf文件。
48.本实施例一种基于三维点阵渲染的快速建模系统的执行方式与上述基于三维点阵渲染的快速建模方法基本相同，故不作详细赘述。
49.本实施例服务器为提供计算服务的设备，通常指具有较高计算能力，通过网络提供给多个消费者使用的计算机。该实施例的服务器包括：存储器、处理器以及系统总线，所述存储器包括存储其上的可运行的程序，本领域技术人员可以理解，本实施例的终端设备结构并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
50.存储器可用于存储软件程序以及模块，处理器通过运行存储在存储器的软件程序
以及模块，从而执行终端的各种功能应用以及数据处理。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、数值计算功能等)等；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据(比如图像数据、文本数据等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
51.在存储器上包含一种基于三维点阵渲染的快速建模方法的可运行程序，所述可运行程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由处理器执行，以完成信息的获取及实现过程，所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述服务器中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割为建模取景模块10、中线渲染模块20、比例缩放模块30、渲染填充模块40、数据转换模块50。
52.处理器是服务器的控制中心，利用各种接口和线路连接整个终端设备的各个部分，通过运行或执行存储在存储器内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，执行终端的各种功能和处理数据，从而对终端进行整体监控。可选的，处理器可包括一个或多个处理单元；优选的，处理器可集成应用处理器和图形处理器gpu，其中，应用处理器主要处理操作系统、应用程序等，图形处理器gpu主要用于深度学习模型并行计算加速。可以理解的是，上述图形处理器gpu也可以不集成到处理器中。
53.系统总线是用来连接计算机内部各功能部件，可以传送数据信息、地址信息、控制信息，其种类可以是例如pci总线、isa总线、vesa总线等。处理器的指令通过总线传递至存储器，存储器反馈数据给处理器，系统总线负责处理器与存储器之间的数据、指令交互。当然系统总线还可以接入其他设备，例如网络接口、显示设备等。
54.所述服务器应至少包括cpu、芯片组、内存、磁盘系统等，其他构成部件在此不再赘述。
55.在本发明实施例中，该终端所包括的处理器执行的可运行程序具体为：一种基于三维点阵渲染的快速建模方法，其包括如下步骤：
56.构建一个三维点阵空间模型，并对目标实物进行360度顺时针扫描式拍摄取景；
57.提取目标实物扫描视频第一帧画面图片作为基准图片，过滤去除背景色，取中线像素作为基准线，将中线渲染至点阵空间的中心线；
58.对扫描拍摄的视频进行帧画面分解，将所有帧图的比例缩放到与基准图片完全一致；
59.将相邻下一张帧图对应前一帧基准线的像素提取出来渲染填充至点阵中心线的右侧,以此类推进，以一个像素为纵列宽度，以中线为基准对点阵空间进行360度逆时针填充；
60.将点阵结构数据进行翻译转换，生成gltf文件。
61.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
62.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
63.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实施例的
模块、单元和/或方法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
64.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。