建模技术三种方法.doc

建模技术是虚拟现实中的技术核心，也是难点之一，目前主要有三种方法实现。 虚拟现实是在虚拟的数字空间中模拟真实世界中的事物，这就需要真实世界的事物在数字空间中的表示，于是催生了虚拟现实中的建模技术。虚拟现实对现实“虚拟”得到底像不像，是与建模技术紧密相关的。因此，建模技术的研究具有非常重要的意义，得到了国内外研究人员的重视。 数字空间中的信息主要有一维、二维、三维几种形式。一维的信息主要指文字，通过现有的键盘、输入法等软硬件。二维的信息主要指平面图像，通过照相机、扫描仪、PhotoShop等图像采集与处理的软硬件。对于虚拟现实技术来说，事物的三维建模是更需要关心的核心，也是当今的难点技术。按使用方式的不同，现有的建模技术主要可以分为: 几何造型、扫描设备、基于图像等几种方法。 基于几何造型的建模技术 基于几何造型的建模技术是由专业人员通过使用专业软件（如AutoCAD、3dsmax、Maya）等工具，通过运用计算机图形学与美术方面的知识，搭建出物体的三维模型，有点类似画家作画。这种造型方式主要有三种: 线框模型、表面模型与实体模型。 1. 线框模型只有“线”的概念，使用一些顶点和棱边来表示物体。对于房屋、零件设计等更关注结构信息，对显示效果要求不高的计算机辅助设计（CAD）应用，线框模型以其简单、方便的优势得到较广泛的应用。AutoCAD软件是一个较好的造型工具。但这种方法很难表示物体的外观，应用范围受到限制。 2. 表面模型相对于线框模型来说，引入了“面”的概念。对于大多数应用来说，用户仅限于“看”的层面，对于看得见的物体表面，是用户关注的，而对于看不见的物体内部，则是用户不关心的。因此，表面模型通过使用一些参数化的面片来逼近真实物体的表面，就可以很好地表现出物体的外观。这种方式以其优秀的视觉效果被广泛应用于电影、游戏等行业中，也是我们平时接触最多的。3dsmax、Maya等工具在这方面有较优秀的表现。 3. 实体模型相对于表面模型来说，又引入了“体”的概念，在构建了物体表面的同时，深入到物体内部，形成物体的“体模型”，这种建模方法被应用于医学影像、科学数据可视化等专业应用中。 利用三维扫描仪 理论上说，对于任何应用情况，只要有了方便的建模工具，有水平的建模大师都可以用几何造型技术达到很好的效果。然而，科技在发展，人们总希望机器能够帮助人干更多的事。于是，人们发明了一些专门用于建模的自动工具设备，被称为三维扫描仪。它能够自动构建出物体的三维模型，并且精度非常之高，主要应用于专业场合，当然其价格也非常“专业”，一套三维扫描仪价格动辄数十万，并非普通用户可以承受得起。三维扫描仪有接触式与非接触式之分。 1. 接触式三维扫描仪 需要扫描仪接触到被扫描物体。它主要使用压电传感器，捕捉物体的表面信息，这种设备价格稍便宜，但使用不方便，已经不是主流。 2. 非接触式三维扫描仪 不需要接触被扫描物体，就可捕捉到物体表面的三维信息。根据使用传感器的不同，有超声波、电磁、光学等多种不同类型。其中，光学的方法有结构简单、精度高、工作范围大等优点，得到了广泛的应用。激光扫描仪、结构光扫描仪技术是当今较主流的方向，其扫描结果可以达到非常高的精度。 总的来说，三维扫描仪以其高精度的优势而得到应用，但由于传感器容易受到噪声干扰，还需要进行一些后期的专业处理，如: 删除散乱点、点云网格化、模型补洞、模型简化等。 基于图像的建模技术 专业的三维扫描仪虽然可以弥补几何建模需要大量人工操作的麻烦，并且可以达到很高的建模精度，但其昂贵的设备费用、专业的操作步骤，却使得它无法得到很好的推广，并且，它只可以得到物体表面的几何信息，对于表面纹理，仍旧无法自动获得。针对这些问题，计算机领域的专家们结合了最近发展的计算机图形学与计算机视觉领域的知识，实现了基于图像的建模技术（Image Based Modeling），这种技术只需使用普通的数码相机拍摄物体在多个角度下的照片，经过自动重构，就可以获得物体精确的三维模型。而通过使用图像中不同的信息，这种技术又可以分成以下几类: 1. 使用纹理信息: 这种方法通过在多幅图像中搜索相似的纹理特征区域，重构得到物体的三维特征点云，它可以得到较高精度的模型，但对于纹理特征比较容易提取的建筑物等规则物体效果较好，不规则物体的建模效果不理想。 2. 使用轮廓信息: 这种方法通过分析图像中物体的轮廓信息，自动得到物体的三维模型，这种方法鲁棒性较高，但是由于从轮廓恢复物体完全的表面几何信息是一个病态问题，不能得到很好的精度，特别是对于物体表面存在凹陷的细节，由于在轮廓中无法体现，三维模型中会丢失。这种方法比较适用于对精度要求不是很高的场合，如游戏、人机工效等。 3. 使用颜色信息: 这种方法基于Lambertian漫反射模型理论，它假设物体表面点在各个视角下颜色基本一致。因此，根据多张图像颜色的一致性信息，重构得到物体的三维模型，这种方法精度较高，但由于物体表面颜色对环境非常敏感，这些方法对采集环境的光照等要求比较苛刻，鲁棒性也受到影响。 4. 使用阴影信息: 这种方法通过分析物体在光照下产生的阴影，进行三维建模。它能够得到较高精度的三维模型; 但对光照的要求更为苛刻，不利于实用。 5. 使用光照信息: 这种方法给物体打上近距离的强光，通过分析物体表面光反射的强度分布，运用双向反射比函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function）等模型，分析得到物体的表面法向，从而得到物体表面三维点面信息，这种方法建模精度较高，而且对于缺少纹理、颜色信息（如瓷器、玉器）等其他方法无法处理的情况非常有效，然而其采集过程比较麻烦，鲁棒性也不高。 6. 混合使用多种信息: 这种方法综合使用物体表面的轮廓、颜色、阴影等信息，提高了建模的精度，但多种信息的融合使用比较困难，系统的鲁棒性问题无法根本解决。 虽然基于图像的全自动建模系统还无法达到实用的程度; 然而，在这方面已经出现了一些半自动的成熟软件工具。 基于图像的建模技术是当今虚拟现实建模技术研究的热点，也是未来几年重点的研究方向，它可以极大地降低虚拟现实中建模环节的门槛与成本。虽然现在还有一些技术门槛需要克服，但相信用不了几年时间，使用基于图像的建模技术的产品就可以达到实用的程度，到时候，只要使用普通的数码相机，就可以为你“照”一个三维模型，你可以用自己的三维模型来拍电影、玩游戏想想看，这将是多么激动人心的一件事啊！ 摘 要：简要介绍了目前各种文物三维测量方法及相应的建模过程，并对它们的特点及适用场合进行了详细的比较，提出了未来三维建模技术的发展方向。关键词：文物三维建模；3D建模;方法1 概述随着计算机图形学、计算机视觉等学科的不断完善，以及数码相机、三维扫描仪、工业CT等设备的普及，计算机记录处理三维物体成为可能。中国是文明古国，前人遗留了无数宝贵文物。由于对保存条件要求苛刻，很多的文物无法被人们观赏和研究。利用三维建模技术可使上面的矛盾迎刃而解。主要对文物三维建模的各种方法进行简要的介绍，比较了它们的特点和应用场合。同时对三维建模的未来进行了展望。2 文物三维数据测量及建模方法目前采集物体外型数据的方法很多。根据其是否接触被测物体，可分为：接触式测量和非接触式测量。如图1所示。接触式测量会对文物造成破坏，所以只有采用非接触式测量。目前主要采用以下三种方法：2.1 激光三角法激光三角法基本原理：用激光照射被测物，附近空间的传感器接收漫反射光，根据反射光在物体上成像的偏移，通过被测物基本平面、像点、像距等之间的关系，按三角几何原理测出被测物的空间坐标。如图2所示。若目标平面相对于参考平面的高度为S，则两者在探测器上成像的位移为：e=bssini/ssin(i+k)asink（式中，a，b分别为透镜前、后焦距）。用激光扫描仪建模过程如下：把数码相机绑定在扫描仪上，分别采集被测物的三维数据和各角度图片。对采集的数据进行规范化、滤波、坐标变换、特征检测增强和提取等预处理，建立三维模型，并进行映射、贴图渲染。在整个流程中使用Adobephotoshop及KODAK校正颜色，用Matlab上的Camera Calibration消除因相机镜头差异导致的照片曲面变形，用Rapidform对点云去噪除冗及三角处理，用MAYA进行模型上纹理照片的绑定。激光三角法的优点是精度高和速度快。其精度在0.01mm左右，采样速度可达每秒数万个点。2.2 结构光法结构光法的原理是把一定方式的光源投影到被测物体的表面，由于被测物表面的高度限制，光源影线发生变形，利用两个镜头获取不同角度的图像，通过调节变形光源影线，可得到被测表面的整幅图像上像素的三维坐标，其原理如图3所示。测量时，入射光线P照射到参考平面上的A点，放上被测物后，P照射到被测物上的D点，此时从图示方向观察，A点就移到新的位置C点，距离AC就包含了高度信息Z=h（x，y），即高度受到了表面形状的调制。以Inspeck 3D-DF三维扫描仪为例，说明建模过程。3D-DF使用一个相机同时捕捉各种信息。3D-DF的每一组镜头由结构光发生器和结构光捕捉器组成。扫描物体时，发生器发出一束正弦曲线干涉的结构光光栅在被扫描的物体上。3D-DF随机提供了两个配套软件：FAPS和EM。前者用于操纵扫描仪硬件生成“相函数图象”，并从中提取深度信息，经校正生成精确三维信息供EM使用。EM软件对模型修正、对齐，补洞。结构光法的优点是测量范围大、速度快、受环境影响小、易于操作。缺点是精度较低，而且只能测量表面曲率变化不大的物体。2.3 工业CT 法工业CT对被测物体进行断层截面扫描，以X射线的衰减系数为依据，用数学方法经过电子计算机处理而重建断层截面图像，根据不同位置的断层图像建立物体的三维信息。使用工业CT建模的过程如下：首先，采集数据。在此过程中需注意被测物体摆放稳定且总高度最低。然后，利用Matlab等软件对断层切片图像进行滤波、图像分割和边缘检测。最后，利用VGStudioMAX软件包根据采集到的voxel数据生成Volume模型。工业CT是目前最先进的非接触测量方法，它可在不破坏被测物体的情况下，准确的测量物体的内部形状、壁厚，且对被测物体的材料没有限制。但是，CT测量法存在这空间分辨率低、计算量大、造价高等缺点。表1所示为各种测量方法的比较。2.4 基于图片法基于图片的文物三维建模方法是通过对文物的俯视图、前视图和右视图进行分别的照相，再使用Pro/ENGINEER Wildfire等三维造型软件对文物进行三维造型，使数据图片的二维特征生成具有关键设计信息的三维模型。此种方法目前主要应用在电子、机械、工业设计等行业，在文物三维建模方面还刚起步，距离实际应用有一定的距离。3 展望对文物的三维建模在国外发展的较早，其中有代表性的是美国斯坦福大学利用三维扫描技术实施“数字米开朗基罗”项目。在中国，文