[发明专利]几何图案编码方法和设备，以及几何图案解码方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及对相似几何图案（如，多组件三维网格模型的若干组件）进行高效编码。

背景技术

本节旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本发明的各个方面相关的本技术领域的各个方面。这种讨论被认为有助于向读者提供背景信息以便更好地理解本发明的各个方面。因此，应该理解的是，应该从这个角度阅读这些陈述，而不是当作对现有技术的认可。

在各种应用中使用最广泛的3D模型是那些具有大量的较小到中等大小的相互连通的组件的模型，其中平均每个组件具有多达几百个的多边形。这种模型被称为多连通或者多组件3D模型。它们在生物学、物理学、工程学和艺术等不同的领域发挥着重要的作用。这种模型可以用于例如机械CAD设计、建筑设计和化学工厂，在各种现实世界的应用中正越来越多地使用。

紧凑表示是紧凑存储和高效传输的关键问题之一。3D模型通常用由坐标数组和面片数组（face array）组成的“索引化面片集（indexed face set）”表示。坐标数组列出所有顶点的坐标，面片数组通过给它在坐标数组中的三个顶点编索引列出每个面片。索引面集不涉及压缩。“三角形条带”¹是一种广泛使用的可以被大多数图形卡很好地支持的3D模型的紧凑表示。三角形条带方法尝试将三维网格分割成若干的三角形长条带，如图l所示，然后对这些条带进行编码。在图1中，顶点v₀，……，v₇定义一个三角形条带，它是三维网格模型的一部分。

最著名的三维压缩算法都提出了它们自己的三维模型紧凑表示以提升压缩比。这些紧凑表示对具有密集的小三角形网格的光滑表面最为有效。然而，大型多连通3D模型具有大量有着较少数量的大三角形并通常具有任意连通性的连通组件。建筑和机械CAD模型通常具有许多使得这些方法更加不适用的非光滑表面。此外，大多数已知的方法对每个连通的组件分开进行处理。因此，这些三维模型表示在大型多组件三维模型上的表现不是很好。

近来已经提出一些专门设计用于大型多组件三维模型的紧凑表示。[CAI09VRST]²和[CAI09VRCAI]³提出了一种用于大型多组件三维模型紧凑表示方法，可以检测出无论旋转、平移和/或缩放情况下的重复实例。此外，在[SKU2008]⁴中描述了用于定义三维网格模型的表面细节的位移图（displacement map）。这些细节被称为细微结构（mesostructure）（与定义物体形状的宏观结构相对），并包括提供纹理或灯光效果的高频几何细节。因此，它们相对较小，但仍然可见，如表面上的凸起。

发明内容

本发明人已经认识到上述得益于检测出重复图案的紧凑表示方法只能够检测出预定义变换类型（即旋转、平移和缩放）下精确相等的重复图案。在实际应用中，只有少量3D模型包含此类组件。

本发明正是基于认识到下述事实：大型多组件3D模型紧凑表示的效率可以通过检测并表示其并不精确相等的组件之间的相似性而得到较大的提升。一般情况下，这些组件是几何图案（geometry pattern）。

本发明的一个创新方面是使用位移图基于单个基础模型（single base model）对两个或更多不同但相似的几何图案进行差分编码。

根据本发明的一个方面，一种用于对多个几何图案进行编码的方法包括下列步骤：检测并聚类相似的几何图案；生成聚类代表表面（例如，通过求取所有聚类几何图案的平均）；为至少一个聚类几何图案生成位移图；以及编码共同表面和位移图。可以在一个归一化步骤之后确定几何图案的相似性。

根据本发明的一个方面，一种用于对多个（可以是一个或多个三维网格模型中连通的组件的）几何图案进行编码的方法包括下列步骤：检测相似的几何图案；将检测出的相似的几何图案聚类到一个共同聚类；生成该共同聚类的聚类代表表面；为被聚类在所述聚类中的至少两个几何图案生成若干单独的位移图，其中每个位移图定义聚类代表表面的顶点和被聚类的几何图案的顶点之间的位移；以及通过对聚类代表表面进行编码和对位移图进行编码来对多个几何图案进行编码。对位移图进行的编码还可以包括缩放、位置、方向和/或复制信息。