[发明专利]一种带纹理约束的三维模型顶点聚类简化方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维地理信息可视化技术领域，特别是涉及一种针对纹理误差条件下的复杂三维模型顶点聚类简化方法。

背景技术

纹理是三维模型的一个重要属性信息，直接关系到三维模型在虚拟现实中表达的真实性。在模型简化过程中，即使模型的几何特征保持的再好，如果无法保证纹理映射的正确性，其视觉效果将会大打折扣。

尽管随着虚拟现实技术的不断发展，目前已有的三维模型简化技术在模型几何简化方面已经十分成熟，但对于简化过程中保持模型纹理特征的研究并不多。

对于纹理误差度量，有关文献提出的一种常用的方法是将(X, Y, Z)三维空间的度量算法扩展占到(X, Y, Z, R, G, B)的6维空间中，Garland, M. Multi-Resolution Modeling: Survey & future opportunities[C]. Proceedings of the Eurographics’99. 1999；沈旭昆, 赵学伟, 赵沁平. 一种保留特征的网格简化和压缩递进传输方法[J]. 计算机研究与发展, 2007, Vol.44(7): 1097-1104；冯翔, 周明全. 带纹理的三维模型简化算法[J]. 计算机辅助设计与图形学学报，2009，Vol.21(6): 842-846。其基本原理如下：根据顶点的纹理坐标(u, v)在纹理图像上找到对应于该顶点的颜色信息(r, g, b)。在模型简化过程中，根据简化模型M₁和原始模型M₂的顶点对应关系，定义其纹理误差为其顶点颜色空间的距离误差，如下公式所示，其中(r₁, g₁, b₁)， (r₂, g₂, b₂)分别为顶点v1、v2的颜色值：

其中顶点v1、v2分别属于模型M₁、M₂；

这一误差度量方法在能够对模型简化过程起到了一定的约束效果，能够在一定程度上保持模型的纹理特征，但仍不能满足于实际应用的需要。其不足之处主要体现在以下两个方面：

（1） 降低模型简化效率。采用这一纹理误差度量方法指导模型简化过程，需要根据纹理坐标来获得纹理图像上对应的顶点颜色。因此，需要频繁的将模型纹理数据装载进内存，并且需要对每一个顶点进行(u, v) →(r, g, b)的映射操作，无疑大大增加了简化算法的资源开销，增加了模型简化的时间。

（2）不适合纹理信息复杂的三维模型。在三维模型的纹理表达中，模型顶点和纹理图像的映射关系并不是纹理坐标(u, v)到纹理颜色(r, g, b)的简单关系。对与每一个3D空间下三角形，都可以根据其顶点的纹理坐标，在纹理中定义一个对应的2D三角形区域，并将这一2D三角形区域的纹理映射的该3D三角形单元中。在图1中左边为3D空间下的三角形，在以O为原点建立的XYZ坐标系中，顶点Q₁, Q₂, Q₃分别的坐标为(x₁, y₁, z₁)，(x₂, y₂, z₂)，(x₃, y₃, z₃)；右边为该三角形对应的2D三角形纹理区域，在UV坐标系中，顶点Q₁, Q₂, Q₃分别的坐标为(u₁, v₁)，(u₂, v₂)，(u₃, v₃)。

若顶点Q₁, Q₂, Q₃对应的纹理颜色值相同，即三个顶点在颜色空间中的距离为0。假设在简化过程中顶点Q₁是Q₂, Q₃替代顶点，那么如果采用公式进行误差度量时，所得纹理误差值也为0。然而在实际情况下，这一简化操作带来的视觉影响远大于误差度量的估计值。

因此，采用纹理颜色进行误差度量只适合于纹理颜色分布较为均匀的三维模型，对于纹理较为复杂的三维模型（如城市复杂三维建筑模型）并不合适。