三維虛擬視覺技術(shù)的平面設(shè)計方法研究

李正周 樂林會

摘 要： 傳統(tǒng)平面設(shè)計方法通過模板為設(shè)計師提供設(shè)計素材，不能反映設(shè)計師的真實設(shè)計意圖。為此，提出一種新的基于三維虛擬視覺技術(shù)的平面設(shè)計方法。給出開發(fā)環(huán)境，采用鼠標(biāo)進行手繪，通過獲得的有序點序列形成一個筆畫。通過平滑去噪方法完成對手繪筆畫的去噪處理，通過二次B樣條曲線擬合手繪筆畫。在此基礎(chǔ)上，對手繪筆畫進行三維虛擬建模，以實現(xiàn)平面設(shè)計。建立平面設(shè)計作品三維模型后，采用色彩渲染的方式提高視覺效果。實驗結(jié)果表明，所提方法可有效依據(jù)手繪筆畫實現(xiàn)三維虛擬建模，使得獲取的三維效果圖更加真實，滿足設(shè)計師要求，有助于設(shè)計師展示真實的設(shè)計意圖。

關(guān)鍵詞： 三維虛擬建模; 虛擬視覺技術(shù); 平面設(shè)計; 手繪; 三維效果圖; 去噪處理

中圖分類號： TN02?34; TP391 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）09?0054?04

Abstract： The traditional graphic design methods provide the design materials for designers by means of templates， which can′t reflect the real design intention of designers. Therefore， a new graphic design method based on 3D virtual vision technology is proposed， and its development environment is given. The mouse is used for hand drawing， which can form the strokes according to the obtained point sequence. The smooth denoising method is used to denoise the hand drawing strokes， which is fitted with quadratic B?spline curves. On this basis， the 3D virtual modeling is carried out for hand drawing strokes to realize the graphic design. After 3D model of graphic design works is established， the color rendering method is adopted to improve the visual effect. The experimental results show that the proposed method can effectively realize the 3D virtual modeling according to hand drawing strokes to make the obtained 3D effect image more true， meet the requirements of designer， and help designers to show their true design intention.

Keywords： three?dimension virtual modeling; virtual vision technology; graphic design; hand drawing; 3D effect image; denoising processing

0 引 言

平面設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的重要階段，其對產(chǎn)品性能、質(zhì)量及市場響應(yīng)等方面影響很大，特別是產(chǎn)品創(chuàng)新性[1?2]。平面設(shè)計屬于創(chuàng)新性活動，傳統(tǒng)輔助設(shè)計方法要求用戶在很多菜單中選擇設(shè)定的圖像模板，不但操作繁雜，而且設(shè)計師無法設(shè)計滿足自身要求的作品，意圖表達不準(zhǔn)確[3]。為此，本文設(shè)計了一種新的基于三維虛擬視覺技術(shù)的平面設(shè)計方法，通過對手繪作品進行三維建模實現(xiàn)平面設(shè)計，自主性較強。

1 基于三維虛擬視覺技術(shù)的平面設(shè)計方法

1.1 開發(fā)環(huán)境

構(gòu)建一個優(yōu)良的三維虛擬模型需依據(jù)目標(biāo)對象的特征，采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)與工具進行。本文主要采用VRML技術(shù)與3DS MAX技術(shù)構(gòu)建三維虛擬模型[4]。系統(tǒng)開發(fā)采用的操作系統(tǒng)為Windows 2000，VRML編輯器為VrmlPad 2.0，Java編輯器為3ds MAX 3.1中文版，VRML瀏覽器為ComsoPlayer 2.1。系統(tǒng)環(huán)境配置主要包括Java程序開發(fā)環(huán)境配置和服務(wù)器配置。在Java程序開發(fā)環(huán)境配置中，因操作系統(tǒng)查詢和編輯文件相對困難，并且當(dāng)采用SET命令時，每次開啟系統(tǒng)都必須重新配置，浪費大量時間[5]。所以，采用系統(tǒng)屬性對話框方式對變量值進行設(shè)置。在服務(wù)器配置過程中，因操作系統(tǒng)Windows 2000不存在服務(wù)器版本，所以采用Tomact 4.1服務(wù)器版本。

1.2 手繪筆畫獲取及預(yù)處理

本節(jié)主要介紹筆畫獲取和筆畫預(yù)處理過程，筆畫預(yù)處理包括筆畫去噪處理和筆畫曲線擬合。

1.2.1 手繪筆畫獲取

先對手繪筆畫獲取過程進行介紹：采用鼠標(biāo)進行手繪，通過獲得的有序點序列形成一個筆畫。一個筆畫描述的是若干點有序序列[R]：

1.2.2 手繪筆畫去噪處理

采用鼠標(biāo)繪制時，手部抖動會產(chǎn)生噪聲。此外，當(dāng)把輸入的筆畫信息轉(zhuǎn)變成顯示屏上的坐標(biāo)點時，因存在一定誤差，同樣會產(chǎn)生噪聲[6]。顯示屏分辨率越低，造成的誤差越大。本節(jié)采用平滑去噪方法進行去噪。

平滑去噪法的基本思想為采用鄰近點值更正當(dāng)前點值。對式（1）進行平滑處理，則有：

1.2.3 手繪筆畫曲線擬合

本節(jié)通過二次B樣條曲線擬合手繪筆畫。B樣條曲線通過多個控制點對曲線形狀進行控制，公式描述為：

根據(jù)式（5）能得到，通過一次細(xì)分后的[n]幾乎為[m]的一半。則最終確定的點集[G]即為需要擬合曲線的控制點。

因為已經(jīng)完成對筆畫的采樣平滑處理，所以僅需逆細(xì)分一次點集[G]即可獲取控制點，從而得到和原始輸入一致的擬合曲線。

對曲線進行擬合操作，得到的筆畫點分布均勻，點數(shù)可自適應(yīng)調(diào)整，使得獲取的平面設(shè)計三維模型網(wǎng)格便于管理，操作簡單。

1.3 手繪筆畫三維虛擬建模

獲取并預(yù)處理手繪筆畫后，對其進行三維虛擬建模，以實現(xiàn)平面設(shè)計。針對多筆畫輸入，通過四元組[Hαi，βi，χi，δi]對輸入的筆畫信息進行保存，所有元素均通過類庫方式保存[8?9]。其中，[α]用于描述識別的筆畫信息，[β]用于描述空間位置，[χ]用于描述輸入筆畫的拓?fù)湫畔?，[δ]用于描述筆畫特征。通過[Ui]描述處理后得到的筆畫信息，通過[Di]描述符合設(shè)計條件的約束。筆畫空間位置和拓?fù)湫畔⒅饕ㄟ^筆畫識別過程獲取。對設(shè)計師設(shè)計的筆畫信息進行保存，并求出不同筆畫所處平面的角度，獲取筆畫間的空間位置。設(shè)計師手繪作品三維建模過程如下：

1） 對輸入信息[Hαi，βi，χi，δi]進行初始化處理;

2） 對設(shè)計師繪制筆畫進行識別：[Hαi，βi，χi，δi→UiDi]，如果是單筆畫，則輸出結(jié)果;否則，繼續(xù)進行下一步;

3） 對設(shè)計作品的組合條件約束進行推理：

4） 對[Um]是否屬于已知模型進行判斷，如果屬于，則將其插入模型中，實現(xiàn)三維模型構(gòu)建;否則，重新進行步驟1）。

在上述過程中，步驟2）的目的是對輸入的手繪筆畫進行識別，形成基本圖像信息[Ui]，經(jīng)交互處理判斷建模過程為單筆畫還是多筆畫。如果是單筆畫，則顯示結(jié)果;否則，繼續(xù)進行下一步，通過約束求解實現(xiàn)匹配，從而獲取三維模型[Um]。

1.4 平面設(shè)計作品真實感渲染

建立平面設(shè)計作品三維模型后，需對其真實感進行渲染，本節(jié)采用色彩渲染的方式提高視覺效果。色彩渲染能夠使獲取的三維建模效果色彩豐富，進行色彩渲染時，需為所有頂點設(shè)定顏色數(shù)組[10]，頂點顏色為：

2 實驗結(jié)果分析

2.1 本文方法應(yīng)用測試

本節(jié)通過本文方法對竹筐和莖葉進行設(shè)計，首先令設(shè)計師手繪，然后對其進行三維虛擬建模。竹筐手繪圖如圖1a）所示，三維虛擬建模結(jié)果如圖1b）所示。莖葉手繪圖如圖2a）所示，三維虛擬建模結(jié)果如圖2b）所示。

分析圖1，圖2可知，本文方法可有效依據(jù)手繪筆畫實現(xiàn)三維虛擬建模，使得獲取的三維效果圖更加真實，有助于設(shè)計師展示真實的設(shè)計意圖。

2.2 模糊綜合評價結(jié)果

平面設(shè)計是一種不確定性過程，所以本節(jié)通過模糊評價法對平面設(shè)計方法進行評價。模糊評價法把模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用于心理學(xué)，對模糊評價問題進行定量化處理。在對平面設(shè)計方法進行評價時，并不確定其屬于哪類評價級別，評價者通常會傾向于某個評價等級，但其他評價等級也可，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確判斷評價結(jié)果。本節(jié)依據(jù)全部可能心理反應(yīng)分割評價等級，如很滿意、較滿意、一般滿意、不滿意、很不滿意，要求所有評價者針對各類別等級進行評價，如表1所示。

詳細(xì)評價過程如下：令受試者在評價表中選擇最滿足心理評價結(jié)果的等級類別，同時設(shè)定對應(yīng)置信度等級。對最滿足等級兩邊的評價等級進行符合程度比較，賦予置信度等級，再對剩余等級進行評價。若受試者認(rèn)為實際感受和最左側(cè)等級相符，則按照從左到右的順序進行評價;否則，按照從右到左的順序進行評價。

通過模糊方法進行評價，獲取的結(jié)果為一組向量，所以提供信息更加充分，可掌握受試者評價時的心理狀態(tài)和評價過程。為了防止評價值出現(xiàn)負(fù)值，類別權(quán)數(shù)一般取1～5，置信度權(quán)數(shù)一般取0～2，4～6，再通過加權(quán)平均實現(xiàn)點估計，獲取最終的評價結(jié)果，計算公式為：

為了驗證本文方法的有效性，將壓縮感知方法和機器視覺方法作為對比。令50位設(shè)計師分別采用本文方法、壓縮感知方法和機器視覺方法進行平面設(shè)計，并通過上述模糊評價過程對三種設(shè)計方法進行評價，取50位設(shè)計師的評價均值作為最終結(jié)果，如表2所示。

分析表2可知，沒有用戶對本文方法很不滿意，只有2位用戶對本文方法不滿意，其他用戶對本文方法均滿意，其中34位用戶對本文方法很滿意。而9位用戶對壓縮感知方法和機器視覺方法不滿意，只有10位用戶對壓縮感知方法很滿意，6位用戶對機器視覺方法很滿意，遠遠劣于本文方法。且本文方法得到的用戶平均評價分值為4.56分，明顯高于壓縮感知方法的3.54分和機器視覺方法的3.38分，說明本文方法更加滿足設(shè)計師要求，驗證了本文方法的有效性。

3 結(jié) 論

本文提出基于三維虛擬視覺技術(shù)的平面設(shè)計方法。給出開發(fā)環(huán)境，介紹了手繪筆畫獲取和預(yù)處理過程。在此基礎(chǔ)上，對手繪筆畫進行三維虛擬建模，并對其進行色彩渲染。經(jīng)實驗驗證，所提方法能夠滿足設(shè)計師要求，有助于設(shè)計師展示真實的設(shè)計意圖。

參考文獻

[1] 梁亞舟，馬靈玲，汪琪，等.基于壓縮感知的光度立體視覺三維成像方法研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2017，32（3）：449?458.

LIANG Yazhou， MA Lingling， WANG Qi， et al. Research on photometric stereo three?dimensional imaging method based on compressive sensing [J]. Remote sensing technology and application， 2017， 32（3）： 449?458.

[2] 楊欣宇，李誠，張宏烈.基于嵌入式機器視覺信息采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（12）：285?290.

YANG Xinyu， LI Cheng， ZHANG Honglie. Information acquisition based on embedded machine vision system design and implementation [J]. Science technology and engineering， 2016， 16（12）： 285?290.

[3] 李景麗，高玲.三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)在煤炭分布遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].科技通報，2017，33（1）：97?100.

LI Jingli， GAO Ling. 3D virtual reality technology in coal distribution remote network monitoring and control system design [J]. Bulletin of science and technology， 2017， 33（1）： 97?100.

[4] 張登攀，田振華，王東升.三維虛擬動態(tài)測量系統(tǒng)構(gòu)建方法研究[J].計算機測量與控制，2016，24（5）：59?62.

ZHANG Dengpan， TIAN Zhenhua， WANG Dongsheng. Research on method of establishing 3D virtual dynamic measurement system [J]. Computer measurement & control， 2016， 24（5）： 59?62.

[5] 馮曉鋒，潘迪夫.基于平面鏡成像的單攝像機立體視覺傳感器研究[J].光學(xué)學(xué)報，2014，34（9）：183?188.

FENG Xiaofeng， PAN Difu. Study of single camera stereo vision sensor based on plane mirror imaging [J]. Acta optica sinica， 2014， 34（9）： 183?188.

[6] 劉丹白.關(guān)于視覺隨機街景三維仿真建模研究[J].計算機仿真，2016，33（4）：438?441.

LIU Danbai. Research on visual random street view 3D simulation modeling [J]. Computer simulation， 2016， 33（4）： 438?441.

[7] 孫彩紅.運動視覺跟蹤的三維虛擬平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（2）：39?42.

SUN Caihong. Design and implementation of 3D virtual platform for moving visual tracking [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（2）： 39?42.

[8] 劉溪鴿，楊天鴻，張鵬海，等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的巖石力學(xué)數(shù)值計算與三維可視化[J].金屬礦山，2015，44（8）：20?23.

LIU Xige， YANG Tianhong， ZHANG Penghai， et al. Numerical simulation of rock mechanics and 3D visualization based on virtual reality technology [J]. Metal mine， 2015， 44（8）： 20?23.

[9] 郭偉青，湯一平，魯少輝，等.基于鏡面成像技術(shù)的三維立體視覺測量與重構(gòu)綜述[J].計算機科學(xué)，2016，43（9）：1?10.

GUO Weiqing， TANG Yiping， LU Shaohui， et al. Review of 3D stereo vision measure and reconstruction based on mirror image [J]. Computer science， 2016， 43（9）： 1?10.

[10] 楊俊.基于三維視覺的居室空間虛擬設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（23）：55?58.

YANG Jun. Virtual design and realization of room space based on 3D vision [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（23）： 55?58.