三维几何数据的水印着色方法

第1章绪论

传统工序的模型铸造流程，需要专业的机械制造工程师以及各种机床才能完成工作，对复杂三维结构的物体，甚至无法制造。三维打印能轻松胜任原型制造工作。模型的实体化也能方便设计工作交付、物理性能验证等工作。三维打印的普及势必带来三维模型价值的提升，在大型项目中，模型往往被分块打印组合使用，随着碎片模型数量的增长，即会面临版权问题以及碎片化三维物体标记管理需求。虽然三维打印能让人们快速获得实体原型，但对打印前的三维模型进行简单的标注修改，依然要接触到复杂的三维模型编辑工作，修改人员需要具备基本的三维建模知识才能完成此项工作。而在一些涉及大量零件化模型的项目中，例如考古碎片模型的标注工作，若要对每个碎片化的模型都进行人工的逐一标记编辑，工作量将非常巨大。本文参考Rushmeier等人提出的基于三维模型着色图编辑的模型修复方法思路[2]，并结合Wu等人实现的三维模型重构方法[3]，实现一种基于着色绘制的三维水印添加方法，提供用户简单的二维图像明暗绘制手段来实现对模型表面的局部编辑，实现易操作的标记功能。此外，本文在提供的编辑手段中引入了光照依赖，使得最终编辑结果具有视觉隐藏性。该隐藏特性主要受启发于商品包装中使用的防伪标签技术，此类标签能在不同的观察角度下显现出特定的不同颜色，以较为便捷的途径实现内容的隐藏和防伪功能，如图1.1 (引用自[4])所示，该标签在垂直观察角度下，标签部分显示白色；水平观察角度下，标签显示青蓝色。本文的标记隐藏方式也具备了类似的属性，即三维实物处在不同的光照条件下，标记结果的显示效果会有所不同，仅在某些特定光照角度，用户才能看到清晰可辨的标记内容。相较于粘贴激光标签的方式，本文方法相对更加环保，并且有不易丢失等优点。本文方法的实现主要涉及到着色图与几何信息的关系建立以及曲面重构计算两个环节，第一个环节本文通过引入着色区间定义，实现着色图到法向间的互求解过程，能够快速计算出用户编辑对物体几何信息的影响，且将编辑结果与编辑时所处的光照条件建立关系，确保用户对几何的改变仅在当前光照条件下获得最明显的视觉可感效果。曲面重构环节则主要采用了核函数算法，确保生成曲面具有光滑无抖动边缘的良好特性，并能较好的处理用户编辑产生的非连续性数据。
鉴于本文在用户着色编辑阶段引入了着色等级量化的非真实性，以及用户编辑的着色结果与原始着色图较容易产生不连续性，在选择重构算法上，希望能够更好的处理以上数据情况，为此本文采用了 Heung-SunNg等人的工作[3]，该方法利用核函数实现曲面重构，在高维空间中求解。降低传统曲面重构算法中对生成曲面可积性的约束，降低曲面变形概率。此算法具有较好的抗噪性，能更好的保持用户编辑细节，重构出具有阶跃性法向变化的曲面。该算法还能处理稀疏不完整的数据求解。
总体而言，当前的三维水印研究集中在数字水印研究领域，尚未涉及实体水印。而最早的水印概念源于实体，即纸张制造。纸张水印通过改变纸张的厚薄程度，使得纸张部分区域与其他区域产生透光性差异，当阳光穿透纸张时，可发现水印的存在，水印起到区分不同纸张制造者的作用。本文的三维水印主要针对三维打印后的实体模型，故与三维数字水印框架存在较大差异，本文水印更像传统的纸张水印一样，着重于物体的标记和辨识作用，并在一定程度上实现其隐藏性。该隐藏性在着色图编辑环节时被引入，用户对特定单一光照下的着色图进行编辑，新法向的求解与光照方向有密切关联，顾在此光照下用户的编辑结果才能得到最真实清晰的还原。以此，实现用户编辑结果的隐藏性。
 
第3章系统实现……………….21
3.1模型预处理………………21
3.1.1参数化………………22
3.1.2法向图生成………………24
3.2着色图编辑笔刷………………25
3.2.1增量笔刷………………25
3.2.2非连续图生成………………26
3.3模型处理………………27
3.3.1点云三角化处理  ………………27
3.3.2曲面叠加………………28
3.4 GPU 力口速………………29
3.5本章小结 30
第4章实验结果………………31
4.1实验环境……………… 31
4.2实验结果………………31
4.2.1着色与形状………………31
4.2.2光照与形状………………33
4.2.3更多结果………………36
4.2.4算法效率………………38
4.3本章小结………………38
 
总结
本文最终完整实现一套基于着色图编辑的曲面水印添加方法，该方法允许用户在三维模型的着色图上进行任意明暗绘制，以随性地二维绘画手段实现三维模型的编辑修改操作。编辑结果在不同光照下具有不同程度的可视性，一定程度实现编辑的隐藏效果。二维手绘的交互方式提高了三维模型编辑的直观性、易用性和自由性。该方法主要可应用于三维打印制造中，前期对数字化三维模型的标注工作。
编辑方面，本文通过着色区间概念的引入，建立了用户着色编辑与法向求解间的不等约束关系，该方法即能提供用户卡通渲染风格的着色图，利于用户的编辑操作，又能扩展求解范围。曲面重构方面，本文利用了 [3]中核函数重构方法实现对用户编辑内容的三维构造。在系统实现中，有效利用了用户的绘制行为记录，提取额外编辑信息，优化了最终的曲面生成结果。此外依据用户感兴趣区域，剔除冗余部分，减少计算内容，提高计算效率。最后还对重构算法尝试了并行加速，一定程度改善了效率。曲面重构算法较为耗时，且计算方法数据间依赖度高，难以采用有效地并行手段进行完美加速，暂时还无法达到用户实时编辑实时查看三维结果的效果。一定程度降低了编辑的直观性，无法给出实时反馈以辅佐用户调整编辑策略。在此希望能够继续寻找一种与本文重构需求更为契合且效率能达到实时要求的重构方法。
 
参考文献
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[3]   HS Wu, TP Wu? CK Tang. Surface-From-Gradients Without Discrete IntegrabilityEnforcement: a Gaussian Kernel Approach. IEEE Transactions on Pattern Analysisand Machine Intelligence [J]，2010,32(11):2085-2099.
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