基于有界变差函数及变分原理的浅浮雕建模研究

The digital bas-relief modeling is a very valuable research topic related to several fields including computer graphics, image processing,vision and aesthetics. Traditional 3D model-based bas-relief modeling methods are often based on gradient domain, and limited to model-dependent, high computational cost and monotonic relief styles. In this project, we propose a novel framework for bas-relief modeling, which focuses on solving the essential problems and provides a theoretical basis and technical support for the practical bas-relief modeling. Main research contents will include:.1. We build a novel variational model based on normal layers to solve the essential problems and to preserve the anisotropic features as well. Bas-relief modeling and stylization are achieved simultaneously by solving a variational problem..2. To compute the solution of the variational problem in the space of functions of bounded variation. The space of functions of bounded variation includes the traditional function, allowing the jump and edge features, which is more suitable for bas-relief modeling with styles. .3. We develop a bas-relief modeling method using a depth camera like the Kinect. We will combine the low resolution depth and the high resolution photometric information to construct a bas-relief, which makes it possible to create bas-reliefs from real scenes utilizing an inexpensive instrument.

浅浮雕数字化建模兼具图形、图像、视觉与美学等研究内容于一体，是一个研究价值很高的课题。由三维场景转化为浅浮雕的传统方法从梯度域出发，需要直接处理深度不连续，具有模型依赖、计算量大、风格单一等局限性。本项目为深化浅浮雕建模的理论基础，拟解决浅浮雕建模中的关键问题，为将数字浅浮雕建模推向实用提供理论基础和技术支持。主要研究工作如下：.1、将三维透视效果、高度约束、各向异性细节特征、风格分类以及以法线图为基础的层式建模方式等建立在一个统一的变分模型中。.2、在有界变差函数空间中计算优化问题的解。有界变差函数空间不仅包含传统函数空间，还允许跳跃、边特征的存在，更适合塑造浅浮雕的风格差异性。.3、结合Kinect的浅浮雕建模方法。研究由低分辨率深度感知摄像机和较高分辨率光学摄像机辅助的，融合深度、法线和色彩的浅浮雕建模方法。使得普通用户能够使用低成本设备将真实场景转化为浅浮雕模型。

浅浮雕数字化建模是融合图形、图像、视觉与美学等内容，研究价值高。由三维场景转化为浅浮雕的传统方法从梯度域出发,需要直接处理深度不连续，具有模型依赖、计算量大、风格单一等局限性。本项目为深化浅浮雕建模的理论基础，拟解决浅浮雕建模中的关键问题，为将数字浅浮雕建模推向实用提供理论基础和技术支持。主要研究内容如下：. 一、由于网格模型能够更加灵活地表示浅浮雕模型，本课题建立基于网格模型的浅浮雕变分建模方法。该方法以网格变形技术为理论基础，并应用于针对肖像模型的浮雕建模。二、基于有界变差函数空间的中国书法字体浅浮雕建模方法。有界变差函数空间适合塑造具有显著边缘特征的浅浮雕建模。本课题对书法浮雕建模展开了研究。三、研究由低分辨率深度感知摄像机和较高分辨率光学摄像机辅助的，融合深度和法线浅浮雕建模方法。提出近光测光立体系统，并引入准点光照模型，并在系统中使用两步校准解决方案以生成相应的法线贴图。主要贡献是以所见即所得的方式来构建细节多样化的浅浮雕模型。. 由于网格模型能够更加灵活地表示浅浮雕模型，因此本课题最终建立了基于网格模型的浅浮雕变分建模方法。该部分具有一定的应用价值，对应的研究工作已发表在SCI期刊《Graphical Models》上。由于本项目采用的有界变差函数空间适合于塑造具有显著边缘特征的浅浮雕，因此针对中国书法等浮雕建模方法展开了应用研究。结合书法字模型的特点，提出一种基于网格的建模系统来生成中国书法浮雕。该部分工作具有较高的应用价值，对应的研究工作已发表在SCI期刊《Computers & Graphics》上。本项目提出的近光测光立体系统，以直接从物理对象产生数字浮雕，使得普通用户能够使用低成本设备将真实场景转化为浅浮雕模型。该部分工作对应的研究 内容已发表在SCI期刊《Computer Graphics Forum》上。另外，利用深度学习自动检测人脸三维特征点并估计表情和头部姿势，用于驱动三维头像模型的形变，以实现由照片驱动三维头像浅浮雕模型的建模方法。. 综上所述，本项目在光度立体浅浮雕系统、书法字体创建、人物浅浮雕交互式以及自动化设计等方面具有一定应用前景，争取通过后期转化将一部分内容落实起来。