三维虚拟视觉技术的平面设计方法研究

李正周 乐林会

摘 要： 传统平面设计方法通过模板为设计师提供设计素材，不能反映设计师的真实设计意图。为此，提出一种新的基于三维虚拟视觉技术的平面设计方法。给出开发环境，采用鼠标进行手绘，通过获得的有序点序列形成一个笔画。通过平滑去噪方法完成对手绘笔画的去噪处理，通过二次B样条曲线拟合手绘笔画。在此基础上，对手绘笔画进行三维虚拟建模，以实现平面设计。建立平面设计作品三维模型后，采用色彩渲染的方式提高视觉效果。实验结果表明，所提方法可有效依据手绘笔画实现三维虚拟建模，使得获取的三维效果图更加真实，满足设计师要求，有助于设计师展示真實的设计意图。

关键词： 三维虚拟建模; 虚拟视觉技术; 平面设计; 手绘; 三维效果图; 去噪处理

中图分类号： TN02?34; TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）09?0054?04

Abstract： The traditional graphic design methods provide the design materials for designers by means of templates， which can′t reflect the real design intention of designers. Therefore， a new graphic design method based on 3D virtual vision technology is proposed， and its development environment is given. The mouse is used for hand drawing， which can form the strokes according to the obtained point sequence. The smooth denoising method is used to denoise the hand drawing strokes， which is fitted with quadratic B?spline curves. On this basis， the 3D virtual modeling is carried out for hand drawing strokes to realize the graphic design. After 3D model of graphic design works is established， the color rendering method is adopted to improve the visual effect. The experimental results show that the proposed method can effectively realize the 3D virtual modeling according to hand drawing strokes to make the obtained 3D effect image more true， meet the requirements of designer， and help designers to show their true design intention.

Keywords： three?dimension virtual modeling; virtual vision technology; graphic design; hand drawing; 3D effect image; denoising processing

0 引 言

平面设计是产品设计的重要阶段，其对产品性能、质量及市场响应等方面影响很大，特别是产品创新性[1?2]。平面设计属于创新性活动，传统辅助设计方法要求用户在很多菜单中选择设定的图像模板，不但操作繁杂，而且设计师无法设计满足自身要求的作品，意图表达不准确[3]。为此，本文设计了一种新的基于三维虚拟视觉技术的平面设计方法，通过对手绘作品进行三维建模实现平面设计，自主性较强。

1 基于三维虚拟视觉技术的平面设计方法

1.1 开发环境

构建一个优良的三维虚拟模型需依据目标对象的特征，采用适当的技术与工具进行。本文主要采用VRML技术与3DS MAX技术构建三维虚拟模型[4]。系统开发采用的操作系统为Windows 2000，VRML编辑器为VrmlPad 2.0，Java编辑器为3ds MAX 3.1中文版，VRML浏览器为ComsoPlayer 2.1。系统环境配置主要包括Java程序开发环境配置和服务器配置。在Java程序开发环境配置中，因操作系统查询和编辑文件相对困难，并且当采用SET命令时，每次开启系统都必须重新配置，浪费大量时间[5]。所以，采用系统属性对话框方式对变量值进行设置。在服务器配置过程中，因操作系统Windows 2000不存在服务器版本，所以采用Tomact 4.1服务器版本。

1.2 手绘笔画获取及预处理

本节主要介绍笔画获取和笔画预处理过程，笔画预处理包括笔画去噪处理和笔画曲线拟合。

1.2.1 手绘笔画获取

先对手绘笔画获取过程进行介绍：采用鼠标进行手绘，通过获得的有序点序列形成一个笔画。一个笔画描述的是若干点有序序列[R]：

1.2.2 手绘笔画去噪处理

采用鼠标绘制时，手部抖动会产生噪声。此外，当把输入的笔画信息转变成显示屏上的坐标点时，因存在一定误差，同样会产生噪声[6]。显示屏分辨率越低，造成的误差越大。本节采用平滑去噪方法进行去噪。

平滑去噪法的基本思想为采用邻近点值更正当前点值。对式（1）进行平滑处理，则有：

1.2.3 手绘笔画曲线拟合

本节通过二次B样条曲线拟合手绘笔画。B样条曲线通过多个控制点对曲线形状进行控制，公式描述为：

根据式（5）能得到，通过一次细分后的[n]几乎为[m]的一半。则最终确定的点集[G]即为需要拟合曲线的控制点。

因为已经完成对笔画的采样平滑处理，所以仅需逆细分一次点集[G]即可获取控制点，从而得到和原始输入一致的拟合曲线。

对曲线进行拟合操作，得到的笔画点分布均匀，点数可自适应调整，使得获取的平面设计三维模型网格便于管理，操作简单。

1.3 手绘笔画三维虚拟建模

获取并预处理手绘笔画后，对其进行三维虚拟建模，以实现平面设计。针对多笔画输入，通过四元组[Hαi，βi，χi，δi]对输入的笔画信息进行保存，所有元素均通过类库方式保存[8?9]。其中，[α]用于描述识别的笔画信息，[β]用于描述空间位置，[χ]用于描述输入笔画的拓扑信息，[δ]用于描述笔画特征。通过[Ui]描述处理后得到的笔画信息，通过[Di]描述符合设计条件的约束。笔画空间位置和拓扑信息主要通过笔画识别过程获取。对设计师设计的笔画信息进行保存，并求出不同笔画所处平面的角度，获取笔画间的空间位置。设计师手绘作品三维建模过程如下：

1） 对输入信息[Hαi，βi，χi，δi]进行初始化处理;

2） 对设计师绘制笔画进行识别：[Hαi，βi，χi，δi→UiDi]，如果是单笔画，则输出结果;否则，继续进行下一步;

3） 对设计作品的组合条件约束进行推理：

4） 对[Um]是否属于已知模型进行判断，如果属于，则将其插入模型中，实现三维模型构建;否则，重新进行步骤1）。

在上述过程中，步骤2）的目的是对输入的手绘笔画进行识别，形成基本图像信息[Ui]，经交互处理判断建模过程为单笔画还是多笔画。如果是单笔画，则显示结果;否则，继续进行下一步，通过约束求解实现匹配，从而获取三维模型[Um]。

1.4 平面设计作品真实感渲染

建立平面设计作品三维模型后，需对其真实感进行渲染，本节采用色彩渲染的方式提高视觉效果。色彩渲染能够使获取的三维建模效果色彩丰富，进行色彩渲染时，需为所有顶点设定颜色数组[10]，顶点颜色为：

2 实验结果分析

2.1 本文方法应用测试

本节通过本文方法对竹筐和茎叶进行设计，首先令设计师手绘，然后对其进行三维虚拟建模。竹筐手绘图如图1a）所示，三维虚拟建模结果如图1b）所示。茎叶手绘图如图2a）所示，三维虚拟建模结果如图2b）所示。

分析图1，图2可知，本文方法可有效依据手绘笔画实现三维虚拟建模，使得获取的三维效果图更加真实，有助于设计师展示真实的设计意图。

2.2 模糊综合评价结果

平面设计是一种不确定性过程，所以本节通过模糊评价法对平面设计方法进行评价。模糊评价法把模糊数学应用于心理学，对模糊评价问题进行定量化处理。在对平面设计方法进行评价时，并不确定其属于哪类评价级别，评价者通常会倾向于某个评价等级，但其他评价等级也可，导致无法准确判断评价结果。本节依据全部可能心理反应分割评价等级，如很满意、较满意、一般满意、不满意、很不满意，要求所有评价者针对各类别等级进行评价，如表1所示。

详细评价过程如下：令受试者在评价表中选择最满足心理评价结果的等级类别，同时设定对应置信度等级。对最满足等级两边的评价等级进行符合程度比较，赋予置信度等级，再对剩余等级进行评价。若受试者认为实际感受和最左侧等级相符，则按照从左到右的顺序进行评价;否则，按照从右到左的顺序进行评价。

通过模糊方法进行评价，获取的结果为一组向量，所以提供信息更加充分，可掌握受试者评价时的心理状态和评价过程。为了防止评价值出现负值，类别权数一般取1～5，置信度权数一般取0～2，4～6，再通过加权平均实现点估计，获取最终的评价结果，计算公式为：

为了验证本文方法的有效性，将压缩感知方法和机器视觉方法作为对比。令50位设计师分别采用本文方法、压缩感知方法和机器视觉方法进行平面设计，并通过上述模糊评价过程对三种设计方法进行评价，取50位设计师的评价均值作为最终结果，如表2所示。

分析表2可知，没有用户对本文方法很不满意，只有2位用户对本文方法不满意，其他用户对本文方法均满意，其中34位用户对本文方法很满意。而9位用户对压缩感知方法和机器视觉方法不满意，只有10位用户对压缩感知方法很满意，6位用户对机器视觉方法很满意，远远劣于本文方法。且本文方法得到的用户平均评价分值为4.56分，明显高于压缩感知方法的3.54分和机器视觉方法的3.38分，说明本文方法更加满足设计师要求，验证了本文方法的有效性。

3 结 论

本文提出基于三维虚拟视觉技术的平面设计方法。给出开发环境，介绍了手绘笔画获取和预处理过程。在此基础上，对手繪笔画进行三维虚拟建模，并对其进行色彩渲染。经实验验证，所提方法能够满足设计师要求，有助于设计师展示真实的设计意图。

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