本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于透視變換的3d畫(huà)施工圖自動(dòng)生成方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，裸眼3d畫(huà)以其特殊的藝術(shù)表現(xiàn)、超強(qiáng)的視覺(jué)震撼力以及極具趣味的互動(dòng)性受到越來(lái)越多的關(guān)注與追捧，覆蓋了裝修，廣告，展會(huì)，家居等多個(gè)領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。3d畫(huà)藝術(shù)可以分成墻畫(huà)、地畫(huà)、墻地畫(huà)、凹?jí)钱?huà)等。其中3d地畫(huà)以地面做為創(chuàng)作的載體，利用平面透視的原理在二維平面上制造出三維虛擬立體效果。3d地畫(huà)繪制時(shí)需要遵循反透視“近小遠(yuǎn)大”這種視錯(cuò)覺(jué)技術(shù)將不同距離的圖像在人眼視網(wǎng)膜中重疊在一個(gè)平面中，從而產(chǎn)生立體的錯(cuò)覺(jué)。因此裸眼3d立體畫(huà)要求觀賞者必須站在特定的角度才能達(dá)到最佳的視覺(jué)效果，若從其他角度觀看便體會(huì)不到對(duì)比強(qiáng)烈的視覺(jué)震撼效果。然而3d畫(huà)的施工圖設(shè)計(jì)是非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的，對(duì)畫(huà)家的經(jīng)驗(yàn)和水平也有著一定的要求。在傳統(tǒng)模式下，畫(huà)家需要熟練運(yùn)用繪畫(huà)中的各種透視關(guān)系，在地上或墻上畫(huà)出網(wǎng)格，在指定位置和視角上進(jìn)行模擬透視，標(biāo)記處關(guān)鍵點(diǎn)在網(wǎng)格上的位置，需要非常強(qiáng)的空間感才能繪制出一副好的3d畫(huà)。這種手工設(shè)計(jì)施工圖方式效率低下、技術(shù)門(mén)檻高、大大提高了創(chuàng)作成本。一些較低成本的新人畫(huà)師也因?yàn)槿狈?jīng)驗(yàn)無(wú)法獨(dú)立設(shè)計(jì)3d畫(huà)，成為3d畫(huà)繪制行業(yè)的一個(gè)痛點(diǎn)。如何快速的基于用戶(hù)所需要的位置和視角以及可用的施工范圍設(shè)計(jì)出3d畫(huà)施工圖是目前急需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于透視變換的3d畫(huà)施工圖自動(dòng)生成方法，所述方法能夠針對(duì)一幅3d畫(huà)效果圖一鍵生成對(duì)應(yīng)的施工圖，與傳統(tǒng)方法相比具有省時(shí)省力，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和用戶(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)，提高了市場(chǎng)效率。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于透視變換的3d畫(huà)施工圖自動(dòng)生成方法，包括：

步驟1，接收用戶(hù)輸入的待處理3d畫(huà)圖像src、用戶(hù)選擇的3d畫(huà)種類(lèi)和所需參數(shù)；所述3d畫(huà)種類(lèi)包括地畫(huà)、墻地畫(huà)和墻角畫(huà)，所需參數(shù)包括可繪制場(chǎng)地的范圍、最佳觀測(cè)距離d和最佳觀測(cè)高度b；所述可繪制場(chǎng)地的范圍指各個(gè)方向的平面s的長(zhǎng)h和寬w；

步驟2，基于預(yù)設(shè)的三種3d畫(huà)示意圖在三維空間中的任一標(biāo)準(zhǔn)頂點(diǎn)坐標(biāo)(x⁰,y⁰,z⁰)、其所在平面s的長(zhǎng)h和寬w，計(jì)算得到用戶(hù)繪制場(chǎng)地的對(duì)應(yīng)點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)(x,y,z)；計(jì)算完所有的頂點(diǎn)后，將結(jié)果存入集合t1；

步驟3，遍歷頂點(diǎn)坐標(biāo)集t1中y軸上值最小的點(diǎn)，結(jié)合最佳觀測(cè)距離d和最佳觀測(cè)高度b，確定觀賞者視點(diǎn)的三維坐標(biāo)以及視覺(jué)感知平面p；

步驟4，計(jì)算坐標(biāo)集t1中的各頂點(diǎn)在視覺(jué)感知平面p上的投影坐標(biāo)集t2；

步驟5，將t2中的點(diǎn)變換成二維平面坐標(biāo)點(diǎn)，得到集合t3，對(duì)t3進(jìn)行歸一化處理獲得新的坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成集合t4；

步驟6，對(duì)輸入的3d畫(huà)圖像src進(jìn)行剪裁得到裁剪效果圖e，并將t4中的點(diǎn)的范圍映射到圖像e的像素坐標(biāo)范圍，處理完成后將所得到的點(diǎn)存入集合t5；

步驟7，根據(jù)所述3d畫(huà)種類(lèi)創(chuàng)建用于容納處理后的圖像的空白圖像集合dst；

步驟8，以面為單位，將t5中點(diǎn)的坐標(biāo)和dst中對(duì)應(yīng)的空白圖像的四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)代入透視變換方程，求解得到變換矩陣a；

步驟9，將用戶(hù)輸入的待處理3d畫(huà)圖像src與繪制場(chǎng)地各方向平面s對(duì)應(yīng)的變換矩陣a相乘，得到映射到空白圖片dst[s]的坐標(biāo)，將dst[s]的像素值設(shè)置為圖像e對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像素值，將集合dst內(nèi)的所有圖像作為3d施工圖輸出。

基于預(yù)設(shè)的三種3d畫(huà)示意圖在三維空間中的任一標(biāo)準(zhǔn)頂點(diǎn)坐標(biāo)(x⁰,y⁰,z⁰)、其所在平面s的長(zhǎng)h和寬w，計(jì)算得到用戶(hù)繪制場(chǎng)地的對(duì)應(yīng)點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)(x,y,z)，其計(jì)算方式如下：

1)平面s是墻地畫(huà)類(lèi)型中的墻畫(huà)時(shí)，計(jì)算方式如下：

x＝wx⁰

y＝y(tǒng)⁰

z＝hz⁰

2)平面s是墻角畫(huà)類(lèi)型中的墻畫(huà)時(shí)，計(jì)算方式如下：

x＝wx⁰

y＝wy⁰

z＝hz⁰

3)平面s是地畫(huà)、墻地畫(huà)或墻角畫(huà)類(lèi)型中的地畫(huà)時(shí)，計(jì)算方式如下：

x＝wx⁰

y＝hy⁰

z＝z⁰。

所述步驟3包括：

遍歷頂點(diǎn)坐標(biāo)集t1中y軸上值最小的點(diǎn)記為p1(x1,y1,z1)，進(jìn)而得到觀賞者視點(diǎn)的坐標(biāo)值為p2(x1+d,y1,z1+b)；

沿p1p2連線(xiàn)上任一點(diǎn)作平行于由x軸z軸和原點(diǎn)o確定的xoz平面，作為視覺(jué)感知平面p。

所述計(jì)算坐標(biāo)集t1中的各頂點(diǎn)在視覺(jué)感知平面p上的投影坐標(biāo)集t2，包括：

根據(jù)透視原理，t1中的頂點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z)與投影到p上的坐標(biāo)(x^p,y^p,z^p)存在著相似三角形的關(guān)系，用表示，由此關(guān)系即可計(jì)算t1中所有的點(diǎn)在視覺(jué)感知平面p上的坐標(biāo)值點(diǎn)集合t2；其中n表示所述p1p2連線(xiàn)上任一點(diǎn)距視點(diǎn)p2的長(zhǎng)度。

所述步驟5包括：

將y軸坐標(biāo)值舍去,令y^p＝z^p，得到(x^p,y^p)集合t3；

對(duì)t3進(jìn)行最大最小歸一化，找到坐標(biāo)值的最大值和最小值xmax，xmin，ymax，ymin，使用如下公式歸一化：

新的坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成集合t4。

所述對(duì)輸入的3d畫(huà)圖像src進(jìn)行剪裁得到裁剪效果圖e，包括：

設(shè)輸入圖像src的高和寬分別為k和l，計(jì)算

計(jì)算

比較t1和t2，如果t1>t2，則將對(duì)輸入的3d畫(huà)圖像src的兩邊各裁去像素，得到的圖像e的高和寬分別為k和lt2；如果t1<t2，則將輸入圖像的上下兩端各裁去像素，得到的圖像e的高和寬分別為和l。

所述將t4中的點(diǎn)的范圍映射到圖像e的像素坐標(biāo)范圍，處理完成后將所得到的點(diǎn)存入集合t5，包括：

將t4中各點(diǎn)的坐標(biāo)值做如下變換得到所需的坐標(biāo)

其中，k′和l′分別表示剪裁后的圖片的寬和高，處理完成后將所得到的的點(diǎn)存入集合t5。

所述根據(jù)所述3d畫(huà)種類(lèi)創(chuàng)建用于容納處理后的圖像的空白圖像集合dst，包括：

按照用戶(hù)輸入的3d畫(huà)種類(lèi)創(chuàng)建圖像的個(gè)數(shù)；若選擇的是地畫(huà)，創(chuàng)建一個(gè)空白圖像，若選擇的是墻地畫(huà)，創(chuàng)建兩個(gè)空白圖像，若選擇的是墻角畫(huà)，創(chuàng)建三個(gè)空白圖像；

令圖像的比例和用戶(hù)輸入的對(duì)應(yīng)面的高寬比例相同，短邊設(shè)置為500像素，如果短邊為高，則長(zhǎng)邊為像素；如果短邊為長(zhǎng)，則長(zhǎng)邊為像素。

所述步驟8包括：

以面為單位，將t5中的點(diǎn)的坐標(biāo)和dst中對(duì)應(yīng)的空白圖像的四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)代入透視變換方程，求解得到所需的變換矩陣；

對(duì)于點(diǎn)(u,v)的透視變換如下所示：

其中，表示變換矩陣a，u和v對(duì)應(yīng)的是裁剪圖像e中的像素點(diǎn)的坐標(biāo)經(jīng)過(guò)變換xe＝x′/w′，ye＝y(tǒng)′/w′，得到空白圖dst上的坐標(biāo)xe和ye；

由上述變換公式得到：

令變換所需的4組對(duì)應(yīng)點(diǎn)表示為：(0,0)→(x0,y0)，(1,0)→(x1,y1)，(1,1)→(x2,y2)，(0,1)→(x3,y3)；則根據(jù)變換公式可以得到：

a31＝x0

a11+a31-a13x1＝x1

a11+a21+a31-a13x2-a23x2＝x2

a21+a31-a23x3＝x3

a32＝y(tǒng)0

a12+a32-a13y1＝y(tǒng)1

a12+a22+a32-a23y2-a23y2＝y(tǒng)2

a22+a32-a23y3＝y(tǒng)3

由此可以得到：

a11＝x1-x0+a12x1

a21＝x3-x0+a12x2

a31＝x0

a12＝y(tǒng)1-y0+a13y1

a22＝y(tǒng)3-y0+a23y3

a32＝y(tǒng)0

由此得到變換矩陣a。

所述步驟9包括：

用dst[s]表示在集合dst中平面s所對(duì)應(yīng)的圖片；對(duì)于所需處理的每一個(gè)平面s應(yīng)用對(duì)應(yīng)的變換矩陣a，將s與變換矩陣a相乘，得到映射到步驟7所建立的對(duì)應(yīng)的空白圖片dst[s]的坐標(biāo)；將dst[s]的像素值設(shè)置為圖像e對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像素值，得到集合dst內(nèi)的所有圖像作為最終的施工圖輸出。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明提出一種基于透視變換的3d畫(huà)施工圖自動(dòng)生成方法，包括對(duì)3d畫(huà)各種類(lèi)型進(jìn)行建模，對(duì)3d畫(huà)模型進(jìn)行透視變換，對(duì)輸入的3d畫(huà)效果圖進(jìn)行裁剪，根據(jù)模型透視投影結(jié)果和繪制場(chǎng)地信息求變換矩陣；對(duì)裁剪后的3d畫(huà)效果圖使用變換矩陣進(jìn)行透視變換，最后輸出基于場(chǎng)地信息的3d畫(huà)施工圖；

(2)本發(fā)明方法適應(yīng)于地畫(huà)、墻地畫(huà)、墻角畫(huà)等各種類(lèi)型的3d畫(huà)藝術(shù)形式；

(3)本發(fā)明方法使用方便，可以批量處理和自動(dòng)生成，緩解了傳統(tǒng)彩繪創(chuàng)作和施工中設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)的行業(yè)痛點(diǎn)，同時(shí)可以讓經(jīng)驗(yàn)較少的畫(huà)師快速掌握3d畫(huà)的設(shè)計(jì)技巧，從而促進(jìn)彩繪制作行業(yè)的繁榮。

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的一種基于透視變換的3d畫(huà)施工圖自動(dòng)生成方法不局限于實(shí)施例。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明方法的三種不同類(lèi)型3d畫(huà)示意圖一；

圖3為本發(fā)明方法的三種不同類(lèi)型3d畫(huà)示意圖二；

圖4為本發(fā)明方法的墻地畫(huà)的坐標(biāo)設(shè)置圖；

圖5為本發(fā)明方法的墻地畫(huà)的坐標(biāo)設(shè)置圖；

圖6為本發(fā)明方法的地畫(huà)的坐標(biāo)設(shè)置圖；

圖7為本發(fā)明方法的透視原理圖一；

圖8為本發(fā)明方法的透視原理圖二；

圖9為本發(fā)明方法的坐標(biāo)集t1中的各頂點(diǎn)在視覺(jué)感知平面p上的投影坐標(biāo)圖；

圖10為本發(fā)明方法的以地面為例的透視投影圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明一種基于透視變換的3d畫(huà)施工圖自動(dòng)生成方法，包括如下步驟：

步驟101，接收用戶(hù)輸入的待處理3d畫(huà)圖像src、用戶(hù)選擇的3d畫(huà)種類(lèi)和所需參數(shù)。

本方法需要用戶(hù)輸入待處理的3d畫(huà)效果圖、選擇對(duì)應(yīng)的3d畫(huà)種類(lèi)以及所需參數(shù)。令用戶(hù)輸入的3d畫(huà)效果圖記為src，可選的3d畫(huà)類(lèi)型包括地畫(huà)，墻地畫(huà)，墻角畫(huà)；可繪制場(chǎng)地的范圍即各個(gè)方向的平面s的長(zhǎng)h和寬w；最佳觀測(cè)距離d；最佳觀測(cè)高度b。

步驟102，計(jì)算繪制場(chǎng)地的空間三維坐標(biāo)(x,y,z)。

如圖2-6所示，本實(shí)施例首先預(yù)設(shè)了三種不同類(lèi)型3d畫(huà)示意圖，其中圖2和3是不同視角的3d畫(huà)示意圖，圖4-6是示意圖的坐標(biāo)設(shè)置。

圖4-6中，3d畫(huà)示意圖在三維空間中的頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為：

地畫(huà)：

地面：(-0.5,0,0),(0.5,0,0),(0.5,1,0),(-0.5,1,0)；

墻地畫(huà)：

地面：(-0.5,0,0),(0.5,0,0),(0.5,1,0),(-0.5,1,0)

墻面：(-0.5,1,0),(0.5,1,0),(0.5,1,1),(-0.5,1,1)

墻角畫(huà)：

地面：(0,0.7071,0),(0.7071,0,0),(0,-0.7071,0),(-0.7071,0,0)

墻面1：(-0.7071,0,0),(0,0.7071,0),(0,0.7071,1),(-0.7071,0,1)

墻面2：(0,0.7071,0),(0.7071,0,0),(0.7071,0,1),(0,0.7071,1)

基于上述任一標(biāo)準(zhǔn)頂點(diǎn)坐標(biāo)(x⁰,y⁰,z⁰)可以計(jì)算得到用戶(hù)繪制場(chǎng)地的對(duì)應(yīng)點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)(x,y,z)。不同類(lèi)型的頂點(diǎn)計(jì)算公式不同，分別如下：

1)畫(huà)面s是墻地畫(huà)類(lèi)型中的墻畫(huà)時(shí)，

x＝wx⁰

y＝y(tǒng)⁰

z＝hz⁰

2)畫(huà)面s是墻角畫(huà)類(lèi)型中的墻畫(huà)時(shí)，

x＝wx⁰

y＝wy⁰

z＝hz⁰

3)平面s是地畫(huà)、墻地畫(huà)或墻角畫(huà)類(lèi)型中的地畫(huà)時(shí)，

x＝wx⁰

y＝hy⁰

z＝z⁰

計(jì)算完所有的點(diǎn)后，將這些結(jié)果存入集合t1。

步驟103，確定觀賞者視點(diǎn)的三維坐標(biāo)以及視覺(jué)感知平面p。

觀賞者視點(diǎn)由用戶(hù)輸入的最佳觀測(cè)距離d和最佳觀測(cè)高度b確定。該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以及視覺(jué)感知平面p確定如下：首先遍歷頂點(diǎn)坐標(biāo)集t1中y軸值最小的點(diǎn)(即位置上最向外的點(diǎn))記為p1(x1,y1,z1)，進(jìn)而得到觀賞者視點(diǎn)的坐標(biāo)值為p2(x1+d,y1,z1+b)。把p1p2連線(xiàn)上任一點(diǎn)(假設(shè)距視點(diǎn)p2的長(zhǎng)度為n)作平行于由x軸z軸和原點(diǎn)o確定的xoz平面，即確定了視覺(jué)感知平面p。

步驟104，計(jì)算坐標(biāo)集t1中的各頂點(diǎn)在視覺(jué)感知平面p上的投影坐標(biāo)。

如圖7-10所示，根據(jù)透視原理，t1中的頂點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z)與投影到p上的坐標(biāo)(x^p,y^p,z^p)存在著相似三角形的關(guān)系，即存在由此關(guān)系即可計(jì)算t1中所有的點(diǎn)在視覺(jué)感知平面p上的坐標(biāo)值點(diǎn)集合t2。

步驟105，將t2中的點(diǎn)變換成二維平面坐標(biāo)點(diǎn)，并歸一化處理。

由于t2中的所有的點(diǎn)都處于視覺(jué)感知平面p上，并且該平面平行于xoz平面，所以t2中所有點(diǎn)的y坐標(biāo)值都相等。于是將y軸坐標(biāo)值舍去，并讓y^p＝z^p，得到(x^p,y^p)集合t3，然后對(duì)t3進(jìn)行最大最小歸一化，即找到坐標(biāo)值的最大值和最小值(xmax，xmin，ymax，ymin)，并使用如下公式歸一化，

新的坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成集合t4。

步驟106，對(duì)輸入圖像src進(jìn)行剪裁得到裁剪效果圖e，并對(duì)t4中的點(diǎn)進(jìn)行變換處理。

設(shè)輸入圖像src的高和寬分別為k和l，計(jì)算然后使用步驟105求得的xmax，xmin，ymax和ymin，計(jì)算如果t1>t2，則輸入圖像過(guò)寬，需要將輸入圖像的兩邊各裁去像素，得到的圖像e的高和寬分別為k,lt2；如果t1<t2，則輸入圖像過(guò)高，需要將輸入圖像的上下兩端各裁去像素，得到的圖像e的高和寬分別為l。在這里我們需要將t4中的點(diǎn)的范圍映射到圖像e的像素坐標(biāo)范圍。由于上一步將所有的點(diǎn)的坐標(biāo)值歸一化到[0,1]之間，所以只需要將t4中各點(diǎn)的坐標(biāo)值做如下變換即可得到所需的坐標(biāo)

k′和l′為剪裁后的圖片的寬和高。處理完成后將所得到的的點(diǎn)存入集合t5。

步驟107，創(chuàng)建用于容納處理后的圖像的空白圖像集合dst。

這里創(chuàng)建圖像的個(gè)數(shù)需按照用戶(hù)選擇的3d畫(huà)類(lèi)型來(lái)定：若選擇的是地畫(huà)，創(chuàng)建一個(gè)空白圖像；選擇的是墻地畫(huà)，創(chuàng)建兩個(gè)空白圖像；選擇的是墻角畫(huà)，創(chuàng)建三個(gè)空白圖像。圖像的比例和用戶(hù)輸入的對(duì)應(yīng)面的高寬比例相同，短邊設(shè)置為500像素，如果短邊為高，則長(zhǎng)邊為像素；如果短邊為長(zhǎng)，則長(zhǎng)邊為像素。

步驟108，求解所需的變換矩陣。

以面為單位，使用t5中的點(diǎn)的坐標(biāo)和dst中對(duì)應(yīng)的空白圖像的四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)代入透視變換方程，求解得到所需的變換矩陣。

對(duì)于點(diǎn)(u，v)的透視變換如下所示，：

式中u，v對(duì)應(yīng)的是裁剪圖像e中的像素點(diǎn)的坐標(biāo)經(jīng)過(guò)變換xe＝x′/w′，ye＝y(tǒng)′/w′得到的新坐標(biāo)xe，ye就是空白圖dst上的坐標(biāo)。進(jìn)一步，由上述變換公式可以得到：

假設(shè)變換所需的4組對(duì)應(yīng)點(diǎn)可以表示為：(0，0)→(x0，y0)，(1，0)→(x1，y1)，(1，1)→(x2，y2)，(0，1)→(x3，y3)

則根據(jù)變換公式可以得到：

a31＝x0

a11+a31-a13x1＝x1

a11+a21+a31-a13x2-a23x2＝x2

a21+a31-a23x3＝x3

a32＝y(tǒng)0

a12+a32-a13y1＝y(tǒng)1

a12+a22+a32-a23y2-a23y2＝y(tǒng)2

a22+a32-a23y3＝y(tǒng)3

由此可以得到：

a11＝x1-x0+a12x1

a21＝x3-x0+a12x2

a31＝x0

a12＝y(tǒng)1-y0+a13y1

a22＝y(tǒng)3-y0+a23y3

a32＝y(tǒng)0

以上是變換矩陣a每個(gè)元素的求解公式，由此得到變換矩陣a。

步驟109，輸出施工圖dst。

本實(shí)施例中用dst[s]表示在集合dst中面s所對(duì)應(yīng)的圖片。對(duì)于所需處理的每一個(gè)面s應(yīng)用對(duì)應(yīng)的變換矩陣a，即s與變換矩陣a相乘，得到映射到步驟107所建立的對(duì)應(yīng)的空白圖片dst[s]的坐標(biāo)。將dst[s]的像素值設(shè)置為步驟106處理得到的圖像e對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像素值即可，則集合dst內(nèi)的所有圖像就是最終想要的施工圖。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。