爱因斯坦雕像尺寸与 UV 展开量化方法
本文档记录了爱因斯坦雕像三维模型的尺寸量化与UV 展开量化方法,包括图片标定、Mesh 缩放、空间量化精度计算以及 UV 展开评估,同时附带可直接运行的 Python 代码示例。
1. 图片标定与雕像尺寸测量
1.1 标定参考
- 使用 A4 纸(210mm × 297mm)作为尺度参考。
1.2 自动检测 A4 四角
- 通过边缘检测 + 轮廓近似筛选四边形,并排序为 TL、TR、BR、BL。
1.3 像素/mm 比例计算
- 利用 A4 宽高在图像中的像素长度计算平均比例关系,得到 1mm ≈ 1.084 px。
1.4 雕像像素高度测量
- 通过前景提取(Otsu 阈值 + 开运算)检测雕像轮廓,计算垂直方向像素高度。
1.5 换算真实高度
- 根据像素/mm 比例,将像素高度转换为真实高度,本例测得雕像高度约 1648.26 mm。
2. Mesh 读取与缩放
2.1 读取 OBJ Mesh
- 导入三角形网格模型(zero.obj),提取顶点数据。
2.2 计算原始高度
- 沿 Y 轴(或 Z 轴)计算模型高度范围,用作缩放基准。
2.3 按比例缩放 Mesh
- 根据照片测量得到的真实雕像高度,计算缩放并应用到 Mesh,保持模型中心不变。
2.4 输出缩放后的 Mesh
- 保存为
zero_scaled.obj,并记录缩放比例、原始高度、目标高度。
查看 Python 代码 - 尺寸量化与 Mesh 缩放
import cv2
import numpy as np
import open3d as o3d
import copy
photo_path = r"标定照片路径"
mesh_in_path = r"对应模型路径"
scaled_mesh_out = r"输出缩放后的Mesh路径"
A4_W, A4_H = 210.0, 297.0
def order_quad_points(pts):
s = pts.sum(axis=1)
rect = np.zeros((4,2), dtype="float32")
rect[0], rect[2] = pts[np.argmin(s)], pts[np.argmax(s)]
diff = np.diff(pts, axis=1)
rect[1], rect[3] = pts[np.argmin(diff)], pts[np.argmax(diff)]
return rect
def detect_a4_corners(img_bgr):
gray = cv2.cvtColor(img_bgr, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
gray = cv2.equalizeHist(gray)
blur = cv2.GaussianBlur(gray,(5,5),0)
edges = cv2.Canny(blur,50,200)
contours,_ = cv2.findContours(edges,cv2.RETR_EXTERNAL,cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
best, best_score = None, 1e9
h_img, w_img = gray.shape
for cnt in contours:
peri = cv2.arcLength(cnt,True)
if peri < 100: continue
approx = cv2.approxPolyDP(cnt,0.02*peri,True).reshape(4,2).astype(np.float32)
area = abs(cv2.contourArea(approx))
if area < (w_img*h_img)*0.0005: continue
d = [np.linalg.norm(approx[i]-approx[(i+1)%4]) for i in range(4)]
ratio = max(d)/min(d) if min(d)>0 else 1e9
score = abs(ratio-1.414)/np.sqrt(area)
if score < best_score:
best_score = score
best = approx.copy()
if best is None: raise RuntimeError("未检测到 A4 纸")
return order_quad_points(best)
def compute_px_per_mm(a4_ordered):
w_px = np.linalg.norm(a4_ordered[1]-a4_ordered[0])
h_px = np.linalg.norm(a4_ordered[2]-a4_ordered[1])
return (w_px/A4_W + h_px/A4_H)/2.0
def auto_scale_mesh_by_height(mesh_path, out_path, desired_height_mm):
mesh = o3d.io.read_triangle_mesh(mesh_path)
vertices = np.asarray(mesh.vertices)
y_range, z_range = vertices[:,1].max()-vertices[:,1].min(), vertices[:,2].max()-vertices[:,2].min()
height_model = z_range if y_range<1e-6 else y_range
scale_factor = desired_height_mm/height_model
centroid = mesh.get_center()
mesh_scaled = copy.deepcopy(mesh)
mesh_scaled.translate(-centroid)
mesh_scaled.scale(scale_factor, center=(0,0,0))
mesh_scaled.translate(centroid)
o3d.io.write_triangle_mesh(out_path,mesh_scaled)
return out_path, scale_factor, height_model
3. 空间量化精度
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每像素对应实际尺寸约 0.922 mm/px
-
模型每个顶点在真实空间中大约误差 ±0.92 mm
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通过照片中 A4 标定和 Mesh 缩放计算得到,保证三维模型的真实尺寸精确性
4. UV 展开质量评估
4.1 数据获取
- 读取导出的 UV 布局图及面片信息(zero.obj + UV 图)。
4.2 局部畸变计算
- 对每个三角形面片进行线性变换估计,计算 UV 面片面积与对应 3D 面片面积比值,得到 UV 畸变系数。
4.3 统计分析
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总面片数:563,932
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有效面片数:563,932
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平均畸变:0.12672
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标准差:0.07394
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最大畸变:0.56858
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最小畸变:0.0
4.4 结论
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UV 展开整体均匀,主干面片畸变低,纹理映射精度高
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仅少数边缘或复杂曲面出现轻微异常
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高畸变比例为 0,保证纹理贴图精确性
查看 Python 代码 - UV 展开分析
# UV 量化分析代码
import os
import numpy as np
from PIL import Image
import csv
from tqdm import tqdm
import matplotlib.pyplot as plt
OBJ_PATH = r""
UV_IMAGE_PATH = r""
OUTPUT_DIR = r""
DISTORTION_THRESHOLD = 3.0
HEATMAP_COLORMAP = "jet"
os.makedirs(OUTPUT_DIR, exist_ok=True)
# 这里省略具体函数,可直接使用你提供的完整 UV 分析代码
5. 总体流程概括
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图片标定 → 确定像素/mm → 测量雕像像素高度 → 换算真实高度
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导入 Mesh → 计算原始高度 → 缩放 Mesh → 保存缩放模型
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量化空间精度 → 计算每像素对应真实 mm → 验证模型精度
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UV 展开分析 → 计算畸变 → 可视化输出 → 评估纹理映射质量