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手绘现实:手绘草图的真实感解释

陈雪锦  
【摘要】: 真实感绘制是计算机图形学的重要研究课题之一。从针对几何的物理建模和针对光照的物理建模,到基于图像的绘制等方法,已经被广泛的研究和应用。然而在设计新的场景时,生成场景的几何模型和定义表面特征是比较繁琐和费时的。手绘草图作为一种设计手段,以其对于表达、研究和交流设计理念的有效性,倍受设计师的欢迎,尤其是在概念设计阶段。长期以来,关于手绘草图的理解和建模一直是计算机视觉和计算机图形学中的难点和热点。本文提出了手绘现实的思想,旨在有效地从二维设计草图生成具有真实感的几何模型及绘制效果图。 本文将手绘现实的思想应用到不同领域,主要研究了对手绘建筑草图和树木草图的建模和真实感解释算法,具体如下: 1.对建筑设计草图的建模和真实感解释。作者提出了一种基于最大似然算法,对建筑设计草图中不同类型物体的进行真实感解释的统一模型。我们将建筑草图中的不同元素分成三类:基本几何,细节几何和纹理。针对不同的物体,抽取和分析不同的草图特征来得到相应物体的几何或纹理解释。对于基本几何,通过分析连接点类型、边方向和面的拓扑结构,得到基本几何形体的几何模型。在此基础上,通过分析细节结构的草图形状和相对几何位置,可以得到特定建筑的细节结构的几何模型。纹理也可以通过绘图方式从数据库中索引到和草图最相似的纹理样本,并映射到相应的几何表面上。通过加以光照和背景,最终得到物体的真实感绘制结果。我们的系统中还包括了基于手绘草图的多种编辑功能,使用户可以快捷方便地修改自动解释的几何或者纹理结果。文中列举了对不同建筑类型的设计草图进行真实感解释的结果,展示了我们系统在设计初级阶段从手绘草图进行真实感建模的有效性和灵活性。 2.对树木草图的建模和真实感解释。作者提出了一种从二维草图重建足够复杂和具有真实感的三维树木模型的方法。用户只需徒手画出主要树枝的线条,可选择地定义树冠的形状,我们的系统就可以自动生成相应树木的三维模型。该系统通过马尔可夫随机场对树枝间的相互关系进行建模,对所绘树枝的深度进行最优化得到所绘枝干的三维模型。树枝间相互关系通过相邻两代树枝片段的几何变换进行模拟。我们构建了一个包含不同树种的数据库,通过对草图和数据库中树木样本在不同视点下的二维形状上的比较,得到最匹配的树木样本。并用所选样本中表示树木分枝形状的全局参数来指导树枝的重建。然后基于树枝结构的自相似性进行树枝繁殖来添加更多细枝以达到自然树木的复杂度。在繁殖过程中,用户可以有选择地绘出树冠形状来约束树木的整体形状。最后通过生成叶子得到具有足够复杂度和真实感的三维树木模型。该方法可以让用户通过手绘草图灵活方便地获得不同形状和类型的树木模型。 手绘草图作为一种自然、高效的概念表达方式,使得基于手绘草图的建模系统能大大减少设计师在设计初级阶段为得到真实感表现图的工作量。手绘现实的思想正是结合各种先验知识最大限度地减少用户交互量,通过对几何关系的建模和优化得到草图的三维模型和真实感解释。我们将手绘现实思想成功地应用到建筑设计和树木建模领域,并生成了具有一定复杂度和多样性的结果,充分体现了该方法在设计草图的真实感建模和解释上的有效性和易用性。


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