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于不同维度间进行特征转移的思想能引导出包括图像编辑和几何重建在内的许多计算机图形学的建模问题的解决方法.通过将原始数据的特征转移到另一个维度,我们常常能发现某些隐藏的信息,而这些信息对我们解决问题往往能发挥关键的作用.本文的各项工作都受到该思想的启发.我们将特征转移的方法论与实际应用相结合,对基于图像语义内容的参数式建模,基于纹理合成的三维形状外观建模,以及实时的数字浅浮雕建模这三个问题进行了研究.
我们首先利用二维到三维的特征转移方法解决了一个针对图像内容建模的新问题:保持真实感的重塑单张图像中的人物体型.用户使用目前的专业图像编辑软件来进行体型重塑往往需要执行上百次的局部编辑操作才能获得一个可接受的重塑效果;由于希望达成的重塑效果很难事先进行视觉想象与估计,因此一旦得到的效果不能满足要求,当前的重塑效果是无法重用的.我们使用一种基于模型的方法将这个二维的图像操控问题转移到三维来解决.我们将一套三维人体全身可形变模型和一种新的图形变形方法进行结合并开发了一套直观易用的人体重塑系统.三维人体全身可形变模型在我们的系统中发挥了两方面的作用:第一是从图像中重建出一个三维人体,第二是利用三维人体的重塑效果来驱动图像发生相同的体型变化.由于这个可形变模型将人体体型的几何变化模式参数化到了一组直观的语义属性上,因此我们的系统允许用户以参数可控的直观方式对图像中的人体进行重塑.我们算法的核心是一种新型的身体感知的图像变形技术,它即使在模型上存在一定拟合误差时也能鲁棒的将重塑效果从三维模型忠实的转移到二维图像.该变形技术的要点在于我们观察到大部分的重塑现象直接表现为人体在平行或垂直于骨架方向上的长度变化,因此我们将图像的重塑化归为一个保持二维和三维间长度比率的平面三角网格形变问题.通过在一系列例如穿有宽松衣物以及带有复杂遮挡的人物图片上进行试验以及普通用户实际使用的测试结果都表明,我们的参数式体型重塑系统能够产生各向异性但是全局协调的体型重塑效果,使用户轻松达成图像重塑要求.
我们的第二方面的贡献是提出了一种特征对齐的曲面纹理合成新方法.我们观察到二维纹理样本和三维模型上存在许多特征线,而传统的纹理合成方法忽略了这些纹理特征线在曲面上摆放的位置,这导致曲面的三维形状常常被纹理特征混淆和遮盖了起来.此外,曲面特征线的定向对最终的合成质量也有较大的影响.使用不相容的特征线定向将插值出不光滑的向量场,而由这样的向量场引导合成的纹理会包含许多奇异点和扭曲.为了解决以上问题我们做出了两个主要的贡献.首先我们提出了一个自动的特征线定向算法,该算法通过快速的极小化一个向量场的相容性度量得到优化的特征线定向与对应的光滑向量场.然后,我们引入了一种新的纹理优化方法,该方法在最大化样本和结果间的全局相似度的同时使得纹理样本的特征线和曲面特征线精确的对齐.试验结果证明我们的方法能利用纹理加强对形状外观特点的装饰与表达.
最后,我们用特征转移的思想用来解决到数字浅浮雕模型的建模问题.从三维场景生成浅浮雕模型实际上就是一个将几何特征从流形曲面转移到高度场的过程.我们首先引入了一类新的动态范围压缩函数并证明该函数能比传统方法更好的保留输入模型的细节特征.同时,我们注意到传统的浮雕建模方法并不提供实时的视角选取和细节程度的调节,为此我们提出一个实时的建模系统,该系统利用多目标渲染的纹理运算技术将浅浮雕建模的全过程集成到图形系统上完成,从而使得用户能实时的选取其偏好的建模视角同时对浅浮雕各方面的细节特征进行微调.