一种镜杯艺术设计方法及装置

1.本发明涉及视觉艺术设计技术领域，具体涉及一种镜杯艺术设计方法及装置。


背景技术：

2.镜杯艺术是通过设计一个带有图案的曲面，使得直接观看该曲面和通过一个柱状镜面观看该曲面能分别看到不同的设计图案。现有的设计方法通常是人工尝试的方法，具体是通过想象在曲面上绘制图案，放置镜面查看结果并根据结果进行修改，重新设计曲面上的图案和曲面形状，直到结果满意为止。
3.发明人对现有的镜杯艺术设计方法进行研究发现操作者必须是非常有经验的专业人员，由于需要不断尝试，耗费时间，很可能无法设计出新的艺术品，并且难以复现。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种镜杯艺术设计方法及装置。
5.本发明技术解决方案为：一种镜杯艺术设计方法，包括：
6.步骤s1：输入直接观察图片和反射观察图片，将所述直接观察图片的有色区域填充为黑色，其他区域填充为浅蓝色，得到直接观察图片的纯色图片；将所述反射观察图片的有色区域填充为白色，其他区域填充为浅蓝色，得到反射观察图片的纯色图片；输入曲面，对其进行预处理，得到所述曲面在柱状镜面下的反射形状曲面；接收输入观察相机的参数；
7.步骤s2：将所述直接观察图片的纯色图片从观察相机出发按照其参数投影到所述曲面后根据对应关系转移到反射形状曲面上，得到带有图案的反射形状曲面；将所述反射观察图片从观察相机出发按照其参数通过镜面反射投影到所述曲面上，得到带有图案的曲面；二者使用观察相机参数渲染后，得到渲染带有图案的反射形状曲面图片和渲染带有图案的曲面图片，计算其与对应的所述直接观察图片的纯色图片和所述反射观察图片的纯色图片误差并求和，得到兼容性评分；
8.步骤s3：按所述兼容性评分的预设比例作为第二能量权重，根据第一优化函数调整所述输入曲面的形状和其上的图案，得到初步结果；
9.步骤s4：按所述兼容性评分的预设比例作为第四能量权重，根据第二优化函数调整所述初步结果的形状和图案，得到曲面形状；按照所述曲面形状将输入的所述直接观察图片和反射观察图片从观察相机出发按照其参数投影到所述曲面形状，得到最终曲面。
10.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
11.本发明公开了一种镜杯艺术设计方法，使得在镜杯艺术设计过程中，操作者无须是非常有经验的专业人员，降低了设计时间，方便设计新的艺术品，并且针对同一输入图案和曲面容易复现，解决了难以复现的问题。
附图说明
12.图1为本发明实施例中一种镜杯艺术设计方法的流程图；
13.图2a为输入的直接观察图片和反射图片；
14.图2b为输入的直接观察图片的纯色图片和反射图片的纯色图片；
15.图2c为输入的曲面在柱状镜面下的反射形状曲面；
16.图3a为经过初次调整后的渲染的直接观察图片和渲染的反射观察图片；
17.图3b为初步调整的曲面结果；
18.图4a为第二次调整后最终的渲染直接观察图片和反射观察图片；
19.图4b为第二次调整后最终的曲面结果；
20.图5a为最终曲面上的直接观察图片和反射观察图片；
21.图5b为最终曲面上的直接观察图片；
22.图6为本发明实施例中一种镜杯艺术设计装置的结构框图。
具体实施方式
23.本发明提供了一种镜杯艺术设计方法，降低了镜杯设计时间，方便设计新的艺术品，并且解决难以复现的问题。
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下通过具体实施，并结合附图，对本发明进一步详细说明。
25.实施例一
26.如图1所示，本发明实施例提供的一种镜杯艺术设计方法，包括下述步骤：
27.步骤s1：输入直接观察图片和反射观察图片，将直接观察图片的有色区域填充为黑色，其他区域填充为浅蓝色，得到直接观察图片的纯色图片；将反射观察图片的有色区域填充为白色，其他区域填充为浅蓝色，得到反射观察图片的纯色图片；输入曲面，对其进行预处理，得到曲面在柱状镜面下的反射形状曲面；接收输入观察相机的参数；
28.步骤s2：将直接观察图片的纯色图片从观察相机出发按照其参数投影到曲面后根据对应关系转移到反射形状曲面上，得到带有图案的反射形状曲面；将反射观察图片从观察相机出发按照其参数通过镜面反射投影到曲面上，得到带有图案的曲面；二者使用观察相机参数渲染后，得到渲染带有图案的反射形状曲面图片和渲染带有图案的曲面图片，计算其与对应的直接观察图片的纯色图片和反射观察图片的纯色图片误差并求和，得到兼容性评分；
29.步骤s3：按兼容性评分的预设比例作为第二能量权重，根据第一优化函数调整输入曲面的形状和其上的图案，得到初步结果；
30.步骤s4：按兼容性评分的预设比例作为第四能量权重，根据第二优化函数调整初步结果的形状和图案，得到曲面形状；按照曲面形状将输入的直接观察图片和反射观察图片从观察相机出发按照其参数投影到曲面形状，得到最终曲面。
31.在一个实施例中，上述步骤s1：输入直接观察图片和反射观察图片，将直接观察图片的有色区域填充为黑色，其他区域填充为浅蓝色，得到直接观察图片的纯色图片；将反射观察图片的有色区域填充为白色，其他区域填充为浅蓝色，得到反射观察图片的纯色图片；输入曲面，对其进行预处理，得到曲面在柱状镜面下的反射形状曲面；接收输入观察相机的参数，具体包括：
32.当接收到使用者选定的两张图片时，首先确定两张图片分别是直接观察图片和反
射观察图片。如图2a所示，下方图片为直接观察图片，上方图片为反射图片。即，经过镜杯设计后，下方图片可以直接在曲面上观看到，而上方图片需要经过一个柱状镜面观看。然后将直接观察图片的有色区域填充为黑色，其他区域填充为浅蓝色；将反射观察图片的有色区域填充为白色，其他区域填充为浅蓝色，得到纯色图片，如图2b所示，上方的白色图片部分为反射观察图片的纯色图片，下方的黑色图片部分为直接观察图片的纯色图片。
33.当接收到输入的曲面时，对曲面进行预处理，计算其在柱状镜面下的反射形状，如图2c所示。由于镜面为柱状，因此只需要计算网格顶点水平面上的反射位置，高度不会发生变化。在计算水平反射位置时，针对曲面柱状镜面，计算过程采用二分法查询得到符合精度要求的结果，但是针对具体求解方法本发明不进行限定。
34.在一个实施例中，上述步骤s2：将直接观察图片的纯色图片从观察相机出发按照其参数投影到曲面后根据对应关系转移到反射形状曲面上，得到带有图案的反射形状曲面；将反射观察图片从观察相机出发按照其参数通过镜面反射投影到曲面上，得到带有图案的曲面；二者使用观察相机参数渲染后，得到渲染带有图案的反射形状曲面图片和渲染带有图案的曲面图片，计算其与对应的直接观察图片的纯色图片和反射观察图片的纯色图片误差并求和，得到兼容性评分。
35.在得到渲染带有图案的反射形状曲面图片和渲染带有图案的曲面图片后，需要曲面形状和曲面图案进行调整，首先将曲面图案设定为灰色，之后会对其进行调整，使得曲面渲染的结果会逐渐接近对应的纯色图案。调整过程采用本发明设计的优化函数进行调整。
36.在一个实施例中，上述步骤s3：按兼容性评分的预设比例作为第二能量权重，根据第一优化函数调整输入曲面的形状和其上的图案，得到初步结果，具体包括：
37.根据第一优化函数如公式(1)所示，调整输入曲面的形状和其上的图案，得到初步结果：
[0038][0039]
其中，h是输入曲面的高度场，用三角网格表示，c是曲面上三角面的颜色，w是第二能量的权重；
[0040]
为第一能量，通过采用图像误差表示渲染图片与纯色图片的距离能量，如公式(2)所示：
[0041][0042]
其中，和分别是直接观察图片的纯色图片和反射观察图片的纯色图片，和分别是渲染带有图案的曲面图片和渲染带有图案的反射形状曲面图片，是这二者的图片矩阵做差的f范数，即对应元素做差的平方和；
[0043]
公式(2)的目的是让经过渲染后的图片尽量与纯色图片接近；如图3a所示，为经过初次调整后的渲染的直接观察图片和渲染的反射观察图片；
[0044]edeform
(h)为第二能量，用于控制曲面形变的能量，如公式(3)所示：
[0045][0046]
其中，vi表示曲面网格的顶点，zi表示顶点的高度值，hi表示顶点初始曲面的高度
值，l表示拉普拉斯算子，是顶点高度与它周围顶点高度平均的差；
[0047]
公式(2)的目的是用来控制曲面变化不要太剧烈；
[0048]ebarrier
(h，c)为第三能量，用于控制顶点位移范围和颜色变化范围的能量，如公式(4)所示：
[0049][0050]
其中，δ为预设的顶点变化范围，fj为曲面的三角面，cj为三角面的颜色，{rj，gj，bj}分别为红色、绿色和蓝色的数值，φ为障碍函数，如公式(5)所示：
[0051][0052]
障碍函数控制顶点的位移变化不超过δ，颜色变化始终在0到1之间。
[0053]
其中，公式(1)中的w是第二能量的权重，通过调整权重，可以对结果进行控制，小的权重可以让渲染结果与目标图像尽量接近，但曲面变化较为剧烈，大的权重可以让曲面变形更平缓。在优化过程中需要取得从图像到网格的导数，因此需要使用可微渲染算法。在本发明实施案例中，采用softras算法作为可微渲染算法，该算法需要设置参数来确定图像模糊程度。本发明实施例中采用两步优化法来找到更好的解。softras参数设置分别为0.00001和0.0000001。w可以根据具体情况设置，在本发明实施例中，w分别设置为兼容性评分的0.08倍和0.2倍。优化求解公式(1)的h和c为初步的曲面形状的高度和颜色值。经过初步调整后的曲面结果如图3b所示。
[0054]
在一个实施例中，上述步骤s4：按兼容性评分的预设比例作为第四能量权重，根据第二优化函数调整初步结果的形状和图案，得到曲面形状；按照曲面形状将输入的直接观察图片和反射观察图片从观察相机出发按照其参数投影到曲面形状，得到最终曲面，具体包括：
[0055]
根据第二优化函数如公式(6)所示，调整初步结果的形状和图案：
[0056][0057]
其中，和e
barrier
(h，c)同公式(1)；λ是第四能量的权重；e
sparse
(h)为第四能量，用于控制曲面生成尖刺的能量，如公式(7)所示：
[0058][0059]
其中，是步骤s3中公式(1)计算得到的初步调整后曲面的高度。
[0060]
公式(7)的目的是让顶点的移动个数尽量小，在保持初步结果的情况下微调形状。
[0061]
在本步骤中，图像的渲染仍然使用softras，参数设置为0.0000001。λ是第四能量的权重，通过调整权重，可以对结果进行控制，小的权重可以让渲染结果与目标图像尽量接近，但曲面变化较为剧烈，大的权重可以让曲面基本保持不变。λ可以根据具体情况设置，在本发明实施例中，λ设置为兼容性评分的0.00006倍。结果如图4a和图4b所示，其中，图4a为经第二次调整后，最终的渲染直接观察图片和反射观察图片，图4b为第二次调整后，最终的
曲面结果。
[0062]
最后将按照曲面形状，将输入直接观察图片和反射观察图片的从观察相机出发按照其参数投影到上面得到最终曲面，实现镜杯艺术。
[0063]
在进行投影计算时，确定每个三角面是否存在被遮挡情况。如果有三角面在直接观察或者通过柱状镜面观察时有一种情况下被遮挡，那么其颜色赋予未被遮挡视角下图片的颜色；如果两中情况下都被遮挡，那么设置为曲面默认颜色；如果都不被遮挡，那么设置为两张图片对应位置颜色的平均，最后将得到的曲面制作出来，就实现了镜杯艺术。如图5a中上方的图片所示，为最终曲面上经过柱状镜面观看到的反射观察图片，图5b为最终曲面上直接观察图片。实现了在一个曲面上，通过直接观察和柱状镜面的反射可看到不同的图片，从而实现了镜杯艺术。
[0064]
本发明公开了一种镜杯艺术设计方法，使得在镜杯艺术设计过程中，操作者无须是非常有经验的专业人员，降低了设计时间，方便设计新的艺术品，并且针对同一输入图案和曲面容易复现，解决了难以复现的问题。
[0065]
实施例二
[0066]
如图6所示，本发明实施例提供了一种镜杯艺术设计装置，包括下述模块：
[0067]
预处理模块，用于输入直接观察图片和反射观察图片，将直接观察图片的有色区域填充为黑色，其他区域填充为浅蓝色，得到直接观察图片的纯色图片；将反射观察图片的有色区域填充为白色，其他区域填充为浅蓝色，得到反射观察图片的纯色图片；输入曲面，对其进行预处理，得到曲面在柱状镜面下的反射形状曲面；接收输入观察相机的参数；
[0068]
计算兼容性评分模块，用于将直接观察图片的纯色图片从观察相机出发按照其参数投影到曲面后根据对应关系转移到反射形状曲面上，得到带有图案的反射形状曲面；将反射观察图片从观察相机出发按照其参数通过镜面反射投影到曲面上，得到带有图案的曲面；二者使用观察相机参数渲染后，得到渲染带有图案的反射形状曲面图片和渲染带有图案的曲面图片，计算其与对应的直接观察图片的纯色图片和反射观察图片的纯色图片误差并求和，得到兼容性评分；
[0069]
初步调整模块，用于按兼容性评分的预设比例作为第二能量权重，根据第一优化函数调整输入曲面的形状和其上的图案，得到初步结果；
[0070]
最终调整模块，用于按兼容性评分的预设比例作为第四能量权重，根据第二优化函数调整初步结果的形状和图案，得到曲面形状；按照曲面形状将输入的直接观察图片和反射观察图片从观察相机出发按照其参数投影到曲面形状，得到最终曲面。
[0071]
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。