[发明专利]一种面向点云物体的三维素描画模拟方法

说明书

本发明公开了一种面向点云物体的三维素描画模拟方法，包含以下步骤：利用移动最小二乘法计算每点的曲率信息，设定阈值提取点云物体中的谷脊点，并利用主成份分析法分别连接脊点与谷点，形成脊线和谷线并进行优化；给定z轴正方向为视线方向，将模型点集投影到xoy平面上获取二维点集，提取其轮廓点，利用最短距离连接法将轮廓点进行连接；根据步骤1、得到的脊线和谷线，利用改进后的光线追踪方法对脊线和谷线的可见性进行判断；设定虚拟光源，给出一种阴影区域界定方法，划分阴影区域范围，同时在特定的阴影区域内，分析阴影线条的亮度分布情况，来处理阴影区域的线条亮度表达，最后结合线条模型和阴影区域表达，从而达到素描画的效果。

技术领域

本发明属于非真实感渲染技术领域，涉及一种面向点云物体的三维素描画模拟方法。

背景技术

素描画能够突出特征区域，简化图像显示，增加了图像的可理解性。例如：在医学领域中，素描画的医学图像是最简单、最直接的表达信息的方式，相比文字它更加直观。相比采用真实的器官照片，素描出的图像更容易让读者接受，可以将主要的部分或者不明显的重点部分更清晰的描绘出来，使人们对重点器官有一个更清晰、直观的了解；在工业领域中，一些机械设备的草图或者维修说明书中，使用素描画草图来摒弃多余部分，集中刻画重要细节特征，简化物体外形特征，易于观察者理解，更重要的是素描画的插图可以将不同层次的细节展露出来，让使用者能够获取重要的说明信息。

从艺术角度来看，艺术素描画是对自然景物的抽象和绘画者主观情绪的表达。因为艺术的目的不仅仅是直白的表露，更重要的是自身精神世界的展露。例如绘制人物肖像时，采用素描画，精简动作，只留其神韵，更能体现出人物的内心世界。由于素描画技术独特的特性，使其在许多领域中被广泛应用。

现有方法针对非真实绘制素描画技术概括为两大类：一类是面向二维图像的素描画绘制，一类是面向三维模型的素描画绘制。

1、面向二维图像的素描画绘制

《Paint by numbers:Abstract image representations》提出了基于笔划的半自动绘制系统，首先建立绘制中的笔划纹理模型，用户利用鼠标将笔划组合起来绘制图像来达到素描画的效果。

2015年，《A Generation Method of Chinese Meticulous Painting Based onImage》提出一种基于图像的工笔画生成算法。该方法首先将输入图像转化成灰度图像，然后通过Laplace算子提取出图像的轮廓线条；利用灰度分级方法生成第一层染墨稿，并用高斯平滑生成第二层染墨稿，将二者合并；将输入的彩色图像转到HSV色彩空间混合成色彩稿，最终通过将色彩稿和宣纸纹理融合得到最终的工笔画。该方法的关键在于提取轮廓线条，针对轮廓线条进行分层，分级处理，最终将效果进行合成。

2、面向三维模型的素描画绘制

2007年，《基于NPR的3维模型线绘算法》提出了一种基于网络模型的线素描算法。该算法首先通过离散化的曲率计算方法来确定模型上点的平均曲率；然后根据曲率阈值检测出网格模型的脊线和谷线；最后通过启发式搜索算法来提取该区域局部特征线条，二者结合可得到模型特征线，同时在绘制时设定虚拟光源，根据特征线上点的法线和光线的夹角判断特征点的受光情况，然后再进行绘制。该方法虽然加入虚拟光源，但是只对特征线进行受光分析，并没有对阴影区域做出界定。

2014年，《A stylization method of Chinese ink painting for 3D tree》给出了基于三维树木模型的水墨画生成方法。该方法首先将树木模型合理地划分为树干、树枝和树叶三部分，然后根据各部分的不同特征分别进行渲染和绘制。对于树干部分，采用二维纹理映射的渲染方式，直接将定义好的纹理图像映射到三维树干模型上生成水墨效果的树干；对于树枝部分，应用树干纹理颜色的均值直接对树枝进行颜色填充；对于树叶部分，通过模型简化、笔画面片构造、绘制方向确定、墨色确定、画笔模型构造及绘制晕染等步骤完成了树叶的水墨艺术风格化。