[发明专利]一种三维网格序列的配准及压缩方法

说明书

技术领域

本发明属于多媒体技术领域，具体地涉及一种三维网格序列的配准及压缩方法。

背景技术

随着计算机图形学技术的飞速发展，三维网格已被广泛地应用于计算机图形学的应用中。因此，为了更高效地存储和传输三维网格数据，对三维网格的表达和压缩便成为了一个非常重要的研究环节。

一个三维网格的数据通常可以由以下几个部分组成：顶点、边、面片以及一些属性信息如法向量、纹理坐标和纹理颜色等。最简单的三维网格往往只用记录顶点和面片数据。通常，顶点的坐标信息被称为三维网格的几何信息，顶点的连接信息也即面片数据被称为三维网格的拓扑信息。已有的三维网格压缩算法通常都是针对三维网格的几何信息和拓扑信息来进行压缩的，这些压缩算法往往用于压缩静态的单一网格，利用的是三维网格数据在几何或拓扑信息上的空间相关性。而对于动态的三维网格序列，如果我们仅仅用这些方法对序列中的每个网格单独压缩，那么存在于序列中各帧之间的时间相关性就会被浪费掉，这将使得对一个网格序列的压缩效率大大降低。

获取三维网格数据的方式通常可以划分为两种，一种是通过计算机程序人工生成三维网格模型；另一种是通过用一些如Cyberware三维扫描仪或多视点摄像机等专业感知设备捕获现实世界中的物体来获得三维网格数据。对于前一种获取方式，通常可以人工地控制三维网格的顶点连接性以使产生的三维网格序列具有时间一致性，即序列中的所有网格的顶点连接信息一致。而对于后一种获取方式，在同一个序列中的不同帧的原始网格数据的顶点连接信息通常是不同的。因此，在存储三维网格数据时，必须将序列中的所有三维网格的面片数据都存储下来。如果网格序列是一个三维动画，相邻帧的顶点连接性往往是十分相似的，这时在压缩网格序列数据的过程中这种在顶点连接信息上的时间冗余一定是可以通过某种方法去除的。

三维人脸配准是一种将不同三维人脸网格的顶点对齐的技术，即找到网格与网格之间的顶点对应关系。当将配准算法应用于一个三维人脸模型的序列时，由于找到了序列上所有网格之间的顶点对应关系，即所有网格在相同下标下的顶点都是对应的，所以序列中的所有网格也就获得了相同的顶点连接信息，即可以共享相同的面片数据。这样的结果恰恰能够满足去除之前提到的网格序列在顶点连接信息上的冗余数据的要求。

有人提出了一种基于薄板样条(thin plate spine,TPS)变换的非刚性三维人脸配准方法。本质上，TPS是一种径向基函数，它的基函数为：

φ=r²logr

其中r是笛卡尔坐标系中两个点的欧拉距离。TPS变换的形式如下

f(P)=Pd+Kw

其中P是一个顶点集中顶点的齐次坐标矩阵；d和w分别是非仿射变换矩阵和仿射变换矩阵，K是关于TPS基函数的矩阵。该配准方法是先对参考三维网格进行TPS变换，然后再通过用K维二叉搜索树(KD-tree)搜索变换后的三维网格中的所有顶点在目标三维网格中的最邻近点来匹配参考网格和目标网格之间的对应顶点。这个配准方法可以在两个网格之间获得较好的配准效果。但是当配准一个人脸网格序列时，因为只从序列中选出一个网格作为参考网格，所以当目标网格距离该参考网格越来越远时，对目标网格的配准效果往往会越来越差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种三维网格序列的配准及压缩方法，其能够去除网格序列在帧间拓扑信息上的冗余性，大大地提高对网格序列的压缩效率，从而降低存储空间。

本发明的技术解决方案是：这种三维网格序列的配准及压缩方法，包括以下步骤：

（1）基于视频的帧间编码来配准一个三维网格序列；

（2）用开源软件7-Zip无损压缩所有的I帧的顶点和面片数据；通过压缩相邻帧之间的顶点残差数据来压缩P帧和B帧的顶点数据，而P帧和B帧的面片数据将与I帧共享；

（3）用开源软件7-Zip对步骤（b）的压缩文件进行解压，然后重建。

本发明将配准过程和视频编码技术中的帧间编码思想结合在一起，通过设定和视频的帧间编码中类似的帧间编码结构，用一种更复杂的方式来配准一个人脸网格序列，从而获得更好的配准效果；在配准完毕后，由于所有网格的顶点已被对齐，一方面相邻帧网格之间的各对应顶点的坐标残差会比较小，这时可以对顶点的残差数据进行时频变换和量化后再采用无损的文本压缩程序编码，另一方面所有网格都共享一个面片数据，所以可以只保存并编码一个面片数据；因此本发明能够去除网格序列在帧间拓扑信息上的冗余性，大大地提高对网格序列的压缩效率，从而降低存储空间。

附图说明