Abstract

• Implemention of "Laplacian Mesh Deformation".

Keyword

• Laplacian Mesh Deformation
• Blender
• least squares solution

Usage

1. 使用blender软件打开main.blend.

2. 导入一个网格文件in.obj（注意要点选Keep Vert Order）。

   

3. 进入编辑模式（Edit Mode），画框选中锚点，按下快捷键G并移动鼠标拖拽使物体变形。

   

4. 打开Scripting栏，点击（或使用快捷键ALT+P）运行，保存所选择的锚点集anchor.pkl.

5. 导出变形后的网格文件mid.obj（注意要点选Keep Vert Order）。

   

6. 运行main.py，读取变形后的坐标集mid.obj以及锚点集anchor.pkl并计算出拉普拉斯网格变形后的点群坐标，保存到out.obj网格文件。

   

7. 使用blender导入输出网格文件out.obj，查看变形结果。

   1. 平均权重

      1. X视图

         

      2. Y视图

         

      3. Z视图

         

      4. 分析：

         • 锚点为变形点以及下巴，而变形结果也正是下巴固定，人脸的其余部分努力满足前伸的鼻子，而导致额头以及脸部呈流线型突出。

Coding

• 文件目录结构

  • source
    • blender
      • temp_to_Pycharm.blend：使用blender打开，进行物体的变形和锚点选择。
      • select.py：存储所选择的锚点以及变形后的锚点坐标。
      • in.obj：初始物体
      • mid.obj：变形物体
      • out_mean.obj：平均权重变形结果
      • out_cotan.obj：CoTan权重变形结果
    • S3DGLPy
      • PolyMesh.py：Thanks to Chris Tralie & ziyeshanwai.
    • testbench
      • learn_bld.py：学习blender基本操作
    • utils
      • loader.py：文件操作
    • main.py：主要流程
    • LMP.py：进行拉普拉斯方程的构建以及求解

• 开发思路

  • 使用Blender工业设计软件，将其与Pycharm进行连接，编写laplacian deformation算法。其中S3DGLPy部分为复用Prof. Chris Tralie的开发工具包（注：实际使用的是ziyeshanwai版本）。

• 开发过程

  1. 安装PyOpenGL库（本次实验未使用）

     1. 下载离线安装包，并使用pip命令

        pip install 存储位置\PyOpenGL-3.1.5-cp37-cp37m-win_amd64.whl
        

     2. 编写测试程序

        # -*- coding: utf-8 -*-
        
        # -------------------------------------------
        # quidam_01.py 三维空间的世界坐标系和三角形
        # -------------------------------------------
        
        from OpenGL.GL import *
        from OpenGL.GLUT import *
        
        
        def draw():
            # ---------------------------------------------------------------
            glBegin(GL_LINES)  # 开始绘制线段（世界坐标系）
        
            # 以红色绘制x轴
            glColor4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0)  # 设置当前颜色为红色不透明
            glVertex3f(-0.8, 0.0, 0.0)  # 设置x轴顶点（x轴负方向）
            glVertex3f(0.8, 0.0, 0.0)  # 设置x轴顶点（x轴正方向）
        
            # 以绿色绘制y轴
            glColor4f(0.0, 1.0, 0.0, 1.0)  # 设置当前颜色为绿色不透明
            glVertex3f(0.0, -0.8, 0.0)  # 设置y轴顶点（y轴负方向）
            glVertex3f(0.0, 0.8, 0.0)  # 设置y轴顶点（y轴正方向）
        
            # 以蓝色绘制z轴
            glColor4f(0.0, 0.0, 1.0, 1.0)  # 设置当前颜色为蓝色不透明
            glVertex3f(0.0, 0.0, -0.8)  # 设置z轴顶点（z轴负方向）
            glVertex3f(0.0, 0.0, 0.8)  # 设置z轴顶点（z轴正方向）
        
            glEnd()  # 结束绘制线段
        
            # ---------------------------------------------------------------
            glBegin(GL_TRIANGLES)  # 开始绘制三角形（z轴负半区）
        
            glColor4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0)  # 设置当前颜色为红色不透明
            glVertex3f(-0.5, -0.366, -0.5)  # 设置三角形顶点
            glColor4f(0.0, 1.0, 0.0, 1.0)  # 设置当前颜色为绿色不透明
            glVertex3f(0.5, -0.366, -0.5)  # 设置三角形顶点
            glColor4f(0.0, 0.0, 1.0, 1.0)  # 设置当前颜色为蓝色不透明
            glVertex3f(0.0, 0.5, -0.5)  # 设置三角形顶点
        
            glEnd()  # 结束绘制三角形
        
            # ---------------------------------------------------------------
            glFlush()  # 清空缓冲区，将指令送往硬件立即执行
        
        
        if __name__ == "__main__":
            glutInit()  # 1. 初始化glut库
            glutCreateWindow('Quidam Of OpenGL')  # 2. 创建glut窗口
            glutDisplayFunc(draw)  # 3. 注册回调函数draw()
            glutMainLoop()  # 4. 进入glut主循环

     3. 运行测试程序

        

  2. 安装wxPython库（本次实验未使用）

     pip install -U wxPython
     

  3. 安装blender 2.93

  4. 连接pycharm和blender

     1. 按照指示，下载自动完成文件，并将其路径添加到Python解释器路径列表中。

     2. 完成之后，Pycharm能够识别bpy的自动补全。

     3. 在blender中编写模板文件，将其连接到pycharm脚本文件（在使用时需要填写目标的绝对路径）

        import os
        
        file_name = "__dir__/learn_bld.py"
        
        exec(compile(open(file_name).read(), file_name, 'exec'))

     4. 查看效果，在pycharm中编写脚本文件后，在blender中点击运行，成功执行pycharm脚本文件中的内容

        

     5. 将模板blender保存到某目录中，以便后续使用。

  5. 编写测试脚本，熟悉Python和Blender的混合编程（testbench/learn_bld.py）

     import bpy
     import bmesh
     
     
     '--- 生成cube阵列'
     # for k in range(5):
     #     for j in range(5):
     #         for i in range(5):
     #             bpy.ops.mesh.primitive_cube_add(size=0.5, location=[i, j, k])
     #             # size is the length, and location belongs to the center
     
     
     '--- 查看对象'
     # objs = bpy.context.selected_objects     # 获取所选对象列表
     # print(objs)
     # for obs in objs:
     #     print(obs.name, obs.location)   # 查看某对象的名字和位置
     
     
     '--- 选择对象'
     def select(name, additive=True):
         if not additive:
             bpy.ops.object.select_all(action='DESELECT')
             # action=['TOGGLE', 'SELECT', 'DESELECT', 'INVERT']
             # TOGGLE：全部取消选中，若已经全部取消选中，则全部选中
             # SELECT：全部选中
             # DESELECT：全部取消选中
             # INVERT：全部反转（原先选中的取消，原先取消的选中）
         bpy.data.objects[name].select_set(True)
     # select('Sphere')
     # bpy.ops.transform.translate(value=[-1, -1, 0])
     
     '--- 查看激活对象'
     # # 若有多个选中对象，则激活对象为最后被选中的对象
     # print(bpy.context.object)
     # print(bpy.context.active_object)    # 二者等效
     def activate(name):
         bpy.context.view_layer.objects.active = bpy.data.objects[name]
     # activate('Sphere')
     # print(bpy.context.object.name)
     # print(bpy.context.selected_objects)
     
     
     '--- 切换模式'
     def mode_set(mode):
         bpy.ops.object.mode_set(mode=mode)
         if mode == 'EDIT':
             bpy.ops.mesh.select_all(action='DESELECT')  # 进入编辑模式时，对于所激活对象的所有点都不进行选中，更加安全
     # mode_set('EDIT')
     
     
     '--- 尝试使用bmesh'
     # bpy.ops.mesh.primitive_cube_add(size=2, location=[0, 0, 0])
     # bpy.ops.object.mode_set(mode='EDIT')    # 添加一个cube并进入编辑模式
     
     
     '--- 轻微形变'
     def clear():
         # 如果画布本身为空，则调用该函数会报错
         bpy.ops.object.mode_set(mode="OBJECT")  # 首先要进入对象模式
         bpy.ops.object.select_all(action="SELECT")
         bpy.ops.object.delete()
     # clear()
     # bpy.ops.mesh.primitive_cube_add(size=1, location=[3, 0, 0])
     # bpy.ops.object.mode_set(mode='EDIT')
     # bpy.ops.mesh.select_all(action='SELECT')
     # bpy.ops.transform.vertex_random(offset=0.5)     # 对所有顶点进行随机偏移
     # bpy.ops.object.mode_set(mode='OBJECT')

  6. 开发LMP项目。

Conclusion

• blender与其导出的obj文件中节点的顺序不一致。

  • 并且经实验发现，blender的z轴方向是反的。

  • 解决办法（issue）：在import .obj文件时，必须点选Keep Vert Order，使节点保序；并且，export时也将其选中。

    

Future

• cotan权重计算

References

• Windows环境下在Pycharm中使用OpenGL

• opengl教程

• Pycharm连接Blender

• Blender Python API -cn

• code of Chris Tralie

• code of ziyeshanwai

• Principle of Laplacian

• Tutorial of Laplacian Mesh Editing