网格变形算法

网格变形

需求分析

根据几何模型上的几个特征点,对几何模型进行变形。比如

技术分析

把几何模型使用三角面片表示,然后通过网格映射变形进行实现。关于网格这块有本经典的书可以参考,《ploygon mesh processing》。上面那个模型看着比较复杂,现在使用比较简单的模型来讲解一种映射方法。

如上图,为2D模型,左图为原始模型, P 1 \mathbf{P} _1 P1 , P 2 \mathbf{P} _2 P2 , P 3 \mathbf{P} _3 P3 , P o \mathbf{P} _o Po 坐标已知,右图为变形后模型,其中 P 11 \mathbf{P} _{11} P11 , P 12 \mathbf{P} _{12} P12 , P 13 \mathbf{P} _{13} P13 坐标已知,求 P 1 o \mathbf{P} _{1o} P1o 的坐标。将 P 1 o \mathbf{P} _{1o} P1o的坐标表示成 P 11 \mathbf{P} {11} P11 , P 12 \mathbf{P} {12} P12 , P 13 \mathbf{P} {13} P13 的线性组合,比如 P o = k 1 P 1 + k 2 P 2 + k 3 P 3 \mathbf{P} {o} = k_1\mathbf{P} 1 + k_2\mathbf{P} 2+k_3\mathbf{P} 3 Po=k1P1+k2P2+k3P3 ,因为是映射嘛,这里使用同样的系数 k \mathbf{k} k ,即 P 1 o = k 1 P 11 + k 2 P 12 + k 3 P 13 \mathbf{P} {1o} = k_1\mathbf{P} {11} + k_2\mathbf{P} {12}+k_3\mathbf{P} {13} P1o=k1P11+k2P12+k3P13 写成坐标的矩阵形式
[ P 1 x P 2 x P 3 x P 1 y P 2 y P 3 y ] [ k 1 k 2 k 3 ] = [ P o x P o y ] ( 1 ) \begin{bmatrix} P
{1x}&P
{2x}&P
{3x}\\ P
{1y}&P
{2y}&P
{3y} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} k
{1}\\ k
{2}\\ k
{3} \end{bmatrix} =\begin{bmatrix} P
{ox}\\ P
{oy} \end{bmatrix} (1) [P1xP1yP2xP2yP3xP3y] k1k2k3 =[PoxPoy](1)


[ P 11 x P 12 x P 13 x P 11 y P 12 y P 13 y ] [ k 1 k 2 k 3 ] = [ P 1 o x P 1 o y ] ( 2 ) \begin{bmatrix} P_{11x}&P_{12x}&P_{13x}\\ P_{11y}&P_{12y}&P_{13y} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} k_{1}\\ k_{2}\\ k_{3} \end{bmatrix} =\begin{bmatrix} P_{1ox}\\ P_{1oy} \end{bmatrix} (2) [P11xP11yP12xP12yP13xP13y] k1k2k3 =[P1oxP1oy](2)

如果能从(1)式中求出 k 1 {k} _{1} k1, k 2 {k} _{2} k2 , k 3 {k} _{3} k3然后带入(2)式,就可以算出待求点坐标了。至于如何从(1)式中求出 k 1 {k} _{1} k1, k 2 {k} {2} k2 , k 3 {k} {3} k3,其实是一个线性方程组求解 问题, A m n X n = b A{mn}X{n}=b AmnXn=b

在三维空间里,m=3(也就是xyz三个分量),有几个特征点,n就等于几。因为不是方阵无法直接求逆,可以使用伪逆矩阵进行计算,只要解出一组解的k值,就是找到了一个点映射。其他的网格点依次执行就可以了。这样算出来的网格可能会畸变比较大,或者形状不理想现象。至于畸变大可以描述为不够平滑,仍然有很多数学工具可以使用,比如拉普拉斯平滑等。

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