（交通信息工程及控制专业论文）雕塑类复杂景物建模与绘制技术的研究.pdf

中文摘要 摘要 航海模拟器的视景系统是海上航行环境的虚拟仿真，为模拟器操纵人员提供 了训练任务中的景象。由于视觉可为人们提供7 0 以上的有用信息，因此视景系 统是模拟器操纵者获取信息的最直接、数量最大的来源，视景系统的好坏已成为 评价航海模拟器成败的关键。航海模拟器视景主要包括航道沿岸的建筑、码头及 重要的助航设施等，其中有些复杂不规则的景物如雕塑等，对这些景物使用现有 的方法构建模型工作量大，纹理映射困难，建模真实感与绘制效率之间存在矛盾。 近年来，b i l l b o a r d 技术在虚拟现实中得到广泛应用，该技术利用简单几何绘 制结合纹理映射手段来模拟复杂景物。视图变形技术可以在两幅相邻纹理图像之 间产生中间图像，以达到平滑过渡效果。本文在总结现有的景物建模与绘制技术 的基础上，针对雕塑类复杂不规则景物，提出了一种新的建模与绘制方法，即利 用层次细节的思想对现有的b i l l b o a r d 技术进行扩展，采用多幅纹理图像模拟景物 不同视线方向的观察效果；为了避免纹理图像的突变，结合视图变形技术产生相 邻纹理图像之间的过渡图像。本文提出的建模与绘制方法在航海模拟器中得以应 用，实践表明该方法在一定程度上减少了建模工作量，提高了绘制效率，实现了 具有相片级真实感的复杂景物的建模与绘制。 关键词：航海模拟器；视景；扩展b n l b o a r d 技术；视图变形技术；复杂景物建模 与绘制 英文摘要 r e s e a r c ho nm o d e l i n ga n dr e n d e r i n g0 f s c u l p t u r e l i k eo b j e c t a b s t r a c t t h ev i s u a ls y s t e mo fn a v i g a t i o ns i m u l a t o rs i m u l a t e sm en a v i g a t i o ne n v i r o i l l 】 1 e n t a n dp r o v i d e sm es i g h tf o ri t su s e r s t h eu s e r sc a ng e tl a r g en u m b e r so fu s e 伽 i n f o m a t i o nf b m l ev i s u a ls y s t e m ，w h i c hh a sb e e na l li m p o r t a n tf a c t o rt oe v a l u a t em e p 耐o n n a n c eo fn a v i g a t i o ns i m u l a t o r t h es c e n ei nn a v i g a t i o ns i m u l a t o rc o n s i s t sm a i l l l y o fb u i l d i n g sa l o n gm ew a t e r w a y p i e r s 锄di m p o r t 锄ta i d st on a 们g a t i o n ，e t c f o rs o m e c o n l p l e xa 1 1 di r r e g u l a ro b j e c t si ns c e n e ，s u c h 鹤s c u l p t u r e s ，i ti sd i m c u l tt om o d e lu s i n g t h ee x i s t i n gm e t h o d s ，肌dt l l e r ei sc o n t r a d i c t i o nb e t 、) l ，e e nt h er e a l i t ) ro fm o d e l i n ga n d e 历c i e n c yo fr e n d 甜n g i i lr e c 哪y e a r s ，m eb i l l b o 砌t e c l l l l o l o g yi sw i d e l yu s e di n l ef i e l do fv i 咖a l r e a l i 够t h et e c h n o l o g ya d o p t ss i m p l eg e o m e t r i cr e i l d 嘶n gi n t e 莎a t i n gt e x 劬em 印p i n g t os i m u l a t ec o m p l e xo b j e c t v i e wm o 印h i n gc a l lg e l l e r a t em e 胁s i t i n gi m a g e sb e 觚e e n 研oa d j a c e n tt e x t i l r ei m a g e s o nt l l eb 撕so fd i s c u s s i n gm ee x i s t i n gm e t h o d so fo b j e c t m o d e l i n ga n dr e n d e r i n g ，an e wm e t l l o do fm o d e l i n g 锄dr e n d e r i n g ，c o n c 锄i n gt h e s c u l p t u r e - l i k eo b j e c tw 嬲p r o p o s e di nm ep a p e r ，w h i c hu s e db i l l b o a r dt e c l l l l o l o g yw i m m 锄yt e x t u r ei m a g e st os i m u l a t em eo b s e r v a t i o ne 行e c t sf 如md i 岱嬲l td i r e c t i o n s t 0 a _ v o i dt h es u d d e nc h a i l g eo ft h ei m a g e s ，m et r a n s i t i n gi m a g e sb e 附e e nt w oa d j a c e n t t e x t u r ei m a g e sw e r eg e n e r a t e dw i mv i e wm o 印h i n g t h i sm e t h o dp r o p o s e di nm ep 印e r h a sb e e n 印p l i e di nm ev i s u a ls y s t e mo fn a v i g a t i o ns i m u l a t o r t h er e s u l t ss h o wt l l a t ，t h e m e m o dc a i lr e d u c et h eb u r d e l lo fm o d e l i n g ，i m p r o v er 饥d 嘶n ge 佑c i 伽c y 1 ( e yw o r d s ：n a v i g a t i o ns i m u i a t o r ；v i s 的ls y s t e m ；i m p m v e db m b o a r dt e c h 肿l o 酣； v i e wm o i p h i n g ；m o d e l i n ga n dr e n d e r i n go fc o m p i e xs c e n e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究j 1 ：作所取得的成果，撰写成硕十 学位论文 ：雕塑娄复盘量物建槿生绘剑撞苤的班究：。除论文中已经注明引用的内存外，对 论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或朱公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：锄烧日绣年3 月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管 理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被卉阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属丁：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：狮晓日导师签名：j 矗j 鸡和习 日期：d 、) o 年弓月研日 雕塑类复杂景物建模与绘制技术的研究 第1 章绪论 1 1 研究背旦【】 航海模拟器是为满足人员训练、系统分析、科学研究、工程设计和海事分析 等目的而设计研制的可供船舶操纵的计算机仿真设备。它的研制起步于2 0 世纪7 0 年代，一直以来都受到国际海运界的普遍关注，尤其是上世纪九十年代末以来， 随着计算机技术、信息工程及自动化技术的迅猛发展，计算机仿真技术特别是虚 拟现实技术得到长足的发展，航海模拟器成为了计算机仿真的一个典型应用。目 前，航海模拟器无论在种类、功能还是性能方面都处于一个崭新的阶段【5 j 。 早期的航海模拟器，例如雷达模拟器，主要通过雷达图象提供信息，因而是 一种“盲的”航海模拟器。由于视觉能为模拟器操纵人员提供7 0 以上的有用信息， 因此，在航海模拟器中配置的视景系统无疑是模拟器操纵人员获取信息的最直接、 数量最大的来源，也为参与者提供了身临其境的可能。一个好的航海模拟器，其 视景系统的投资约占整个航海模拟器投资的三分之二，甚至更多，可以说视景系 统的好坏已成为当前航海模拟器开发研制成败的关键【6 j 。 p h i l l i p p eh u s n i 在视景模拟白皮书【7 】( s u a ls i l l l u l a t i o nw l l i t ep 印哪中对航海模 拟器的视景提出的衡量指标中的第一条就是“视景显示的内容，应包括水面、四 周的陆地、人文景观( 桥梁、码头、建筑物等) 、目标船、助航设施、灯塔、从船 桥可以观察到的本船结构。”因此，景物特别是复杂景物的建模与绘制是航海模拟 器视景系统研究的一个重要内容。 1 2 课题的提出与研究现状 1 2 1 课题的提出 航海模拟器的一个重要的功能是船舶进出港模拟，要实现这一功能，需要以 港口实景为蓝本创建港口视景数据库。在许多港口，经常能够看见一种特殊而且 重要的景物雕塑，如：新加坡港的鱼尾狮雕塑、厦门港的郑成功雕像等。这 些雕塑作为港口的重要景物，所处位置明显，通常被船舶驾驶员和引航员作为导 航的辅助物标，因此这些雕塑在航海模拟器视景中不可或缺。不仅如此，由于历 第l 章绪论 史、文化等原因，一些雕塑已成为港口或城市的象征，模拟器的操纵人员往往特 别关注这些景物，因此雕塑建模与绘制的好坏会成为模拟器操纵人员判断整个视 景优劣的重要部分。然而由于雕塑多为复杂不规则物体，使用常用的基于几何造 型的方法对雕塑建模不仅周期较长，而且纹理映射困难，所建雕塑一般由几万甚 至几十万个面片组成，增加了绘制时间。图1 1 是雕塑的原始照片和使用m u l t i g e l l c r e a t o r 软件构建的雕塑模型截图。从图中可以看出构建的雕塑尽管面片数很多， 但真实感不强。 舻豢 【a ) 新加坡鱼尾狮( b ) 海人校同内螺旋桨 图1 1 建模软件所建的雕塑模型 f i g 1 1s c u l p t i l d 镐m o d e l e d 埘t l lc r e a t o rs o h a r e 孽跨麓z 一蔓 ；*甏囊艏强疑辨#羡笼 戮缓溪缈ii 。， 纛玺繁逶 兹u爱诃饵。“g嚣，j? ；，荔 “算。棼雏麓蛐 雕塑类复杂景物建模与绘制技术的研究 航海模拟器视景的发展趋势之一是场景的实时性与真实感不断提高，这就迫 切要求解决雕塑这类复杂景物建模与绘制难题，从而有效减少建模工作量，提高 整个场景的真实感。 1 2 2 研究现状 1 2 2 1 景物建模方法 视景的像与不像与建模紧密相关，因此建模方法的研究具有非常重要的意义。 目前，常用的建模方法有三种：第一种是基于几何造型的方法；第二种方法是通 过仪器设备扫描构建：第三种方法是基于图像来重建三维模型【8 。13 1 。 基于几何造型的建模方法主要采用专业的建模工具软件，如m u t i g 吼c r e a t o r 、 3 dm a ) 【、a u t o c a d ，m a y a 等，来构造物体三维模型。它们的共同点是，利用一 些基本的几何元素，如点、线、面、立方体、球等，运用计算机图形学与美学方 面的知识，通过平移、旋转、拉伸等操作对景物进行建模。用这种方法建模的优 点是可以精确构建物体的三维模型，几乎没有什么物体不能使用这种方法建模。 这种建模方法也有其缺点，首先该方法对精度较高的景物需要额外的测量；其二， 需要有较高技术能力的人员来使用建模工具，建模周期较长；最后，对于许多不 规则的自然物体或者人造物体，用该方法构造的模型往往真实感不高，同时纹理 映射较困难。目前这种方法在虚拟场景建模中最为常用，一些学者对该方法进行 了研究，任鸿翔等【1 4 】人对m u l t i g c l lc r ea c o r 软件中的光照模型和明暗处理进行了讨 论，保证了航海模拟器中场景的光照效果；任庆东等对模型快速显示进行了研 究。 基于扫描构建的建模方法是利用一些专门设备( 如三维扫描仪) 获取景物的 三维信息并自动构建出景物的三维模型【1 6 】。这些设备利用激光、超声波或者红外 线测距，能够获得比较精确的三维数据。该方法主要适用于某些专业场合，其优 点是模型精度非常高，使用比较简单方便，建模所需时间少；其缺点是，建模设 备昂贵，携带不便，对一些无法搬动的物体或者室外较大的物体无法适用，而且 该方法只能得到景物表面的几何信息，无法获取表面的纹理信息。 基于图像的建模方法通常利用景物的不同视线方向、不同位置拍摄的照片， 经过一系列的处理，重构出景物的三维模型，恢复出具有相片级真实感的场景。 第l 章绪论 这种建模方法不受场景复杂度限制，仅需要一部数码相机或者一部普通相机加上 一台图像扫描仪，获得景物照片后，通过一定的处理就能达到较好的建模效果。 基于图像的建模不需要耗费大量的精力和技巧。目前该建模方法是建模与绘制技 术研究的热点和发展方向，但受目前的技术手段和硬件水平的限制，该方法还无 法真j 下达到实用程度【8 1 。 1 2 2 2 基于图像的绘制 基于图像的绘制( i b r ，i m a g e b a s e dr c i l d 谢n 曲是指在给定的图像场景表示 模型下，由已知视点的视图合成新视点的视图【l7 1 。基于图像的绘制是相对于基于 几何模型绘制而言的。目前这种技术在商业、科研领域应用较广。 i b r 技术的本质是图形学中广为应用的纹理映射技术。借助于纹理映射技术， 可克服传统几何造型技术只能表示景物的宏观形状，无法有效地描述景物表面的 微观细节的缺点，而在很多实际应用中，恰恰是这些微观因素极大地影响着景物 的视觉效果。1 9 9 5 年a p p l e 公司推出的基于图像的虚拟环境漫游系统删c k t i m e 王正是这种技术的具体应用。随着商用系统的成功推出，i b r 技术的研究也 进入了一个高潮，在短短几年间，涌现出了大批高效的改进算法。1 9 9 5 年m c m i l l 孤 和b i s h o p 提出了全景函数建模( p l e i l 叩t i cm o d e l l i n g ) 的概念【1 8 】，首先尝试对i b r 发 展过程中的若干经典问题给出统一而精确的问题描述。以全景建模的框架为基础， 1 9 9 6 年l e v o y 等同时提出了一种基于光场的四维表示的绘制方法【1 9 1 。近年来，混 合式i b r 技术作为一种新型的i b r 技术得到了高度重视，成为目前发展较快的技 术，其重要进展与m i c r o s o f i 公司的t a l i s m a l l 硬件的设计和实现有密切关系。 t a l i s m 锄是一种新型图形处理硬件，它改变了传统的基于多边形的图形处理方式， 采用了一种分层的混合式i b r 技术来生成画面，绘制效率有了很大的提高。总的 来说，基于图像的绘制在经历了多年的发展之后，目前已经有了明确的研究方向 和研究方法。特别是在光场的全景函数理论的描述和指导下，基于图像的绘制技 术目前丌始倾向于以光场的表示、重构和显示等内容为重点，综合使用经典图形 学中的图像投影变形、视图插值、场景映射等图形图像技术，结合传统的基于几 何的绘制方法，来构造各种具有高度真实感的实时三维交互系统。根据目前的研 究状况，i b r 技术将沿着以下几个方向继续发展： i - 雕塑类复杂景物建模与绘制技术的研究 ( 1 ) 层次细节技术( l e v e lo f d e t a i l ) ； ( 2 ) 有效的、适合于实时绘制的三维重建技术； ( 3 ) 表面反射属性的快速重建。 1 2 2 3 基于图像的加速技术 基于图像的加速技术是近年来提出的利用相邻图形画面之间相关性加速虚拟 场景图形生成的一种有效方法，该方法适合于任意复杂的虚拟场景。基于图像的 加速技术又分为基于纹理映射和基于图像合成的动态图像加速法【叼。 基于纹理映射的图像加速方法早已存在。早期为加强图形画面的真实性而又 尽量减少图形生成的负担，人们通常采用一种叫做b i l l b o a r d 的技术【2 0 】来生成一些 非常复杂而又具有一定对称性的自然景物，如树木等。早期的b i l l b o a r d 物体影像 是预先得到的，且只适合于具有对称性的物体。 基于图像合成的图像加速技术【2 2 】是另一种动态图像加速技术。这种方法无需 知道景物的三维信息，直接利用真实感绘制或者照相机拍摄的方法获得多幅图像， 然后进行插值生成新视点的图像。视图变形技术即属于此类算法。这种算法已被 成功用于虚拟现实漫游系统中。但是这种算法一般要求在视点改变过程中，场景 保持不动；同时，生成的图像质量依赖于预制图像的数量和质量。 1 3 课题的主要工作 航海模拟器视景的发展趋势之一是场景的实时性与真实感不断提高，由于传 统的建模方法所建模型与景物自身的复杂度相关，导致使用传统方法构建的雕塑 类复杂景物无论在真实感还是实时性上都无法满足要求。基于图像的绘制技术独 立于景物的复杂度，因此可借鉴到雕塑类复杂景物建模与绘制上。基于以上原因， 本课题对雕塑类复杂景物的建模与绘制技术进行了研究，主要工作包括： 1 总结并比较了几种景物的建模方法，介绍了基于图像的加速技术，论述了 基于图像的绘制技术的优势； 2 系统地分析了b i l l b o a r d 技术，针对雕塑类复杂景物的建模与绘制，对现有 的b i l l b o a r d 技术进行扩展，并使用v c + + 和0 i p e l l g l 对改进的技术予以实现； 3 研究分析视图变形技术，针对对应匹配问题，设计了对应点数据的采集程 序；利用视图变形技术，使用v c + + 6 0 和o p 饥c v 编程，得到了相邻文理图像之 第1 章绪论 间的过渡图像，解决了纹理图像采集困难和离散等问题。 4 将改进的b i l l b o 砌技术同视图变形技术结合起来，提出了雕塑类复杂景物 建模与绘制的新方法，并将该方法应用于航海模拟器中。 1 4 论文的组织与安排 第1 章为绪论，主要介绍与本课题有关的背景知识，包括航海模拟器视景系 统、景物的建模方法、基于图像的绘制及加速技术，课题的来源和主要工作； 第2 章分析了b i l l b o a r d 技术的基本理论和典型算法；提出了扩展的b i l l b o a r d 技术，并编程予以实现； 第3 章系统地概述视图变形技术的发展现状，分析了视图变形技术的基本理 论及算法； 第4 章着重研究视图变形技术的关键算法，并编程实现，利用该技术得到了 相邻纹理图像之间的过渡图像； 第5 章结合扩展b i l l b o a r d 技术和视图变形技术，提出雕塑类复杂景物的建模 与绘制新方法，并应用于航海模拟器中； 第6 章对本课题主要的研究工作进行总结，并展望研究工作需要改进和提高 之处，并明确了今后进一步研究方向。 雕塑类复杂景物建模与绘制技术的研究 第2 章b i l l b o a r d 技术的扩展与实现 2 1b i l l b o a r d 技术概述 2 1 1b i l l b o a r d 技术的概念与原理 b i l l b o a r d 技术产生于游戏设计，最初在游戏里用来在某个位置处显示注释文 字，因此被称为公告牌或布告板2 3 。2 4 】。在l e l l g y e l 【2 刀介绍的表示绘制技术连续性的 方法即绘制谱中，b i l l b o a r d 技术处于中间位置，如图2 1 。 图像几何模型 外观物理 流明图光场精灵层布告板 三角形 全局光场 图2 1 绘制谱 f i g 2 1 胁l d e 血gc h a i t b i l l b o a r d 技术是一种基于图像的绘制技术，早期称之为基于图像的纹理加速 技术【9 】，通常被用来模拟一些各个视点图像有相似性的景物，其基本原理是，在场 景中待建模的位置处绘制一个简单多边形( 如矩形) ，这个多边形贴有所要建模景 物的部分透明纹理图像，且始终面向观察者。这项技术利用简单的几何绘制结合 纹理映射手段替代复杂的几何绘制，以此来增加场景的真实感和效率【2 5 1 。 在绘制很多不同类型的自然现象方面，b i l l b o a r d 技术被普遍应用。魔法门系 列游戏中的精灵、树木、物品，极品飞车中路旁的树木，虚拟城市中的路灯【2 8 】， 都是使用这种简单的b i l l b o a r d 技术。西安交通大学的刘晓东等【2 9 】将b i l l b o a r d 技术 进行改进，利用它来模拟虚拟植物集群的生长显示。g u y m o n 【3 0 】讨论了以随机和无 序方式通过聚集并重叠动画精灵来产生逼真的火焰、烟雾和爆炸等现象，这种方 法有助于避免动画序列的循环模式，还可以避免使每个火焰和爆炸看起来都一样。 d o b 嬲l l i 等【3 l 】使用多个b i l l b o a r d 来模拟并绘制云朵，通过绘制同心半透明外形来 生成光轴。将b i l l b o a r d 技术与a l p h a 纹理和动画技术相结合，可以模拟出很多自 然界现象，如树、烟、火、爆炸、云等【2 6 1 。图2 2 显示了一个用b i l l b o a r d 技术表 示的森林场景。 第2 章b i ll b o a r d 技术的改进与实现 图2 2 基于b i l l b o a r d 技术的森林场景 f i g 2 21 1 1 ef 0 1 销ts c e n eb 私c do nb i l l b o a r d 几中最常见的b i l l b o a r d 几何表示方法如图2 3 。 其中1 3 种方法允许视点在与物体高度相同的区域变化。第1 种方法只有一个 四边形，当视点改变时，四边形绕对称轴旋转，始终面向观察者，这种方法称为 单面视点跟踪的b i l l b o a r d 。如果存在多个四边形，如第2 、3 种，则需要融合各多 边形的绘制结果。第4 种方法又可细分为两种方式，其中图中右侧的方式额外生 成了顶部和底部四边形，允许视点位于物体上方或下方，这可应用在飞行模拟等 场合，如模拟云。 ( 1 ) 单平面( 2 ) 双甲面单轴 雕塑类复杂景物建模与绘制技术的研究 ( 3 ) 多平面单轴 【4 ) 多平面多轴 图2 3 几种b i i l b o a r d 几何示意图 f i g 2 3s e y e 豫lk i n d so fb i l l b o a r ds t n i c t 旧 2 1 2 单面视点跟踪b i l l b o a r d 技术的数学表示 单面视点跟踪b i l l b o a r d 技术是目前最常用的，也是起源最早的【2 4 1 。它的基本 原理是：当摄像机发生旋转时，同时旋转矩形面( 或其他形状的面) 上的四个顶 点，使矩形的法向量始终面对观察者，这样位于矩形面内的图像看似是三维的。 如图2 4 ，摄影机旋转口角后，三角形所在的矩形面也旋转口角，这样，三角 形始终面对摄影机，从而不会看到三角形扁平的侧面。旋转后矩形面4 个顶点坐 标的计算，可通过矩形面的中心点与摄影机的连线向量，求得旋转前后矩形面的 法向量，再用这两个法向量的内积值反余弦求出所旋转的口角，而通过这两个法 向量的叉积可计算旋转轴的向量，进而计算出旋转矩阵，然后将旋转后的顶点坐 标计算出来。 第2 章b i l l b o a r d 技术的改进与实现 日 图2 4 单面视点跟踪b i l l b o a r d f 螗2 4s i n g l ev i 唧o i n t 咖c kb i l f b o 莉 设么是矩形对称轴的向上单位向量，现在摄影机绕4 旋转口角，设p 是p 旋 转后的变换点，那么向量p 有： p = p c o s 口+ ( 彳p ) s i n 口+ 彳( 彳p ) ( 1 一c o s 口) ( 2 1 ) 下面利用上式计算旋转变换矩阵。假设p = ( 工，y ，z ) ，p = ( x ，y ，z ) ， 彳= ( 彳，彳y ，彳：) ，展开向量叉积和内积的坐标计算，得到如下彳p 和彳( 彳p ) 的矩 阵表示。 = ( p ，p y ，p ：) l - 彳： o l o 么： l 彳) ， 一彳， = ( 4 ；p ，+ 4 ，彳y pj ，+ 彳，彳：p ：，彳y 彳，p ，+ 么；p j ，+ 4 彳：p ：，爿：彳，p 。+ 么：4 0 + 么；p ：) i 彳； 彳，彳y 彳，彳：l = ( p ，p _ ，p ：) l4 ，么， 彩 彳y 彳：l i 彳，彳： 彳，彳： 彳； i 再由上面的两个式子，进一步可以得出如下p 的矩阵表示： 1 m p 4一 p 4 p；，j 4 4 t 0 卅一“4 o 雕塑类复杂景物建模与绘制技术的研究 c o s 口0 p = ( 见，乃，p ：) l oc o s 口 l oo 巨荔饕 l4 4 名4 4 i 1 4 44 4j ic o s 口+ 名( 卜c o s 口) 【4s i i l 口+ 4 4 ( 1 一c o s 口) 卦叫：，b 4s i n 口+ 4 4 ( 1 一c o s 口) c o s 口+ 名( 1 一c o s 口) 一4s i n 口+ 4 4 ( 1 一c o s 口) 4 0 一a |斗州呐州 引入齐次坐标得到绕单位向量彳旋转口角的旋转变换矩阵m 为： m = c o s 留+ 群( 1 一c o s 回 一4 s i r l 口+ 似( 1 一c o s 叻 4 s i n 口+ 4 。4 ( 1 一c o s 0 4s i 煅+ 似( 1 一c o s 叻 c o s 窿+ g ( 1 一c o s 回 一4 s i n 口+ 4 4 ( 1 一c o 哟 o 一4 s i i 虹+ 4 以( 1 一c o s 叻o 4 s i n 口+ 4 4 ( 1 一c o s 回 o c o 簖+ 鸳( 1 一c o 回 o o1 m 可用来计算b i l l b o a f d 矩形面各顶点的当前位置。 ( 2 2 ) 2 2 纹理图像的处理 单面视点跟踪b i l l b o a r d 技术在一个简单的多边形上映射待建模景物的部分透 明纹理图像来表示复杂的景物，景物的纹理图像通常来自景物的照片，照片图像 需要经过处理才能景物的纹理图像使用。 2 2 1 纹理图像的预处理 照片图像可以通过手持数码相机拍摄获得，也可以将景物照片用扫描仪扫描 得到。对将得到的照片图像需要使用图像处理软件如p h o t o s h o p 预处理，把图像 中不关心的部分填充为黑色或者白色，这样做是因为在后续处理时需要依据像素 的颜色设置其a l p h a 值。经过处理的图像在保存时必须存储其a l p h a 通道【3 2 1 。图 像的预处理过程如图2 5 。 嚣 1 c疋”q 一。4 。叭 叫一4 名 一 针 卅 n 憾声g | ； 4 4 第2 章b i l l b o a r d 技术的改进与实现 图2 5 纹理图像预处理 f i g 2 5t e x t i l r ei m a g ep r c - p r o c e s s i n g 2 2 2 纹理图像的透明处理 利用b i u b o 砌技术绘制景物时需要映射待建模景物的部分透明纹理图像。本 文将纹理图像处理为透明的过程是：首先要读取景物的纹理图像，获取纹理的大 小，然后遍历纹理的所有像素，将黑色或白色像素的a 1 p h a 值设为o ，这样像素就 会以透明方式显示。纹理透明处理的伪代码如下： f o “遍历所有像素) i f ( 像素r 、g 、b 值都是o ) 像素颜色为黑色 那么这个像素的p a h 值就设置为o 0 ；这个像素显示为透明 否则这个像素的舢p a l l 值就设置为1 o ；这个像素显示为非透明 ) 经过透明处理后的纹理图像就可以映射到已绘制好的简单多边形上，实现 b i l l b o a r d 技术。 2 。3b i l l b o a r d 技术的扩展与实现 2 3 1 扩展b i l l b o a r d 的算法 b i l l b o 砌技术适用于模拟具有一定对称性或不同视线方向观察有相似性的景 簇曩。一瓣麓一赡凋一一鬻褫聪 圈 雕塑类复杂景物建模与绘制技术的研究 物，但现实中，绝大多数景物都是不规则的，当我们观察这些景物时，随着视线 方向的改变，看到的景物外观也随之改变。因此利用一张纹理图像的b i l l b o a r d 技 术不能反映出景物的实际信息，也就无法模拟复杂不规则景物( 如雕塑) 。为了扩 大b i l l b o a r d 技术的适用范围，能够模拟复杂不规则景物，本文利用层次细节( l o d ， l e v e lo f d e t a i l s ) 思想对b i l l b o a r d 技术进行了扩展。l o d 是对同一物体按层次划分， 从简单到复杂建立多个模型，在物体显示时通过判断该物体离视点的远近距离， 选择相应等级的模型，通常是距离远时，选择简单模型；距离近时，选择复杂模 型。借鉴l o d 思想，本文增加了b i l l b o a r d 技术的景物纹理图像的数量，并且依据 视线方向选择相应的纹理图像，这样b i l l b o a r d 技术就能模拟复杂不规则景物。具 体方法是依据现场的实际情况，尽可能以待建模景物为中心，每隔一定的角度拍 摄一张照片，拍摄时注意尽量保持相机与景物的拍摄距离、相机的焦距、相机的 向上方向不变。这样获得了一些从不同角度观察景物的照片，用工具软件( 如 p h o t o s h o p 等) 对照片进行处理，得到了b i l l b o a r d 技术可用的景物纹理图像。在显 示该景物时，依据视线方向实时选取相应的纹理图像，映射到简单多边形上，如 图2 6 ，这样从各种角度观察绘制的景物，得到的信息与实际情况基本一致。 纹理图 纹理图像2 图2 6 扩展的b i l l b o a r d f i g 2 6h p r 0 v e db i l l b o a r d 2 3 2 扩展b i l l b o a r d 的程序实现 图2 7 是扩展b i l l b o a r d 技术的程序流程图。 第2 章b i l l b o a r d 技术的改进与实现 图2 7 扩展b i l l b o a r d 程序流程图 f i g 2 7t l l en o wo fi m p r o v e db i l l b 0 棚 2 3 3 结果分析 航海模拟器中的雕塑类景物采用扩展的b i l l b o a r d 技术进行建模和绘制，如图 2 8 ，减少了景物建模的工作量，避免基于传统建模方法所造成的计算机开销，增 强了景物的真实感。 雕塑类复杂景物建模与绘制技术的研究 ( b ) 场景中显示的c r c a t o r 模型 i j 黪鹈西蕈谬e 。 孥浮 篱， t” 一一4 z 。 i t 4 j 1 _ e 0 j f ：! 一j 1 1 ：司 i 墨鬣凌， 鱼尾狮照片 1 5 鱼尾狮照片 第2 章b i l l b o a r d 技术的改进与实现 ( e ) 视线方向l 观察的采用扩展( o 视线方向2 观察的采用扩展 b i l l b o a m 技术绘制的模型b i l l b o a f d 技术绘制的模型 图2 8 鱼尾狮模型 f i g 2 8m 础0 n m o 蹦 采用扩展的b i l i b o a r d 技术绘制景物时，需要依据视线方向选用纹理图像，如 果纹理图像数量过少，细心的观察者就会觉察出景物纹理图像的突变，影响了景 物的显示效果。减小景物拍照时的角度间隔，增加景物的纹理图像数量是解决这 一问题的最直接方法，但通常受现场拍摄条件以及其他的因素的限制，密集的照 片采集是困难的。为此，我们引入了视图变形技术，利用该技术在两幅相邻的纹 理图像间产生中间过渡图像，从而增加纹理图像的数量，达到景物显示时平滑流 畅的效果。 雕塑类复杂景物建模与绘制技术的研究 第3 章视图变形技术基本理论 3 1 视图变形技术概述 1 9 9 3 年，c h e l l 和w i l l i a m s 提出视图插值的方法，该方法利用人们视觉上的连 续性，即相邻视点所见的景物大部分是相同的，只是在位置和形状上略有变化， 这样就可以通过相邻视图的线性插值产生中间视点新视图。1 9 9 6 年s e 沱和d y e r 在此基础上，利用投影几何原理，扩展图像变形( h n a g cm o r p l l i n g ) 技术从而提出视 图变形技术( e wm o 讪i n 曲【3 3 3 4 1 。视图变形技术基于透视投影几何原理，不需要 知道图像的3 d 信息，利用唯一性约束可以从两个不同视点的图像插值出光心连线 上的每一个新视点的图像，避免了图像的3 d 重建。一些学者在s e 池和d y 盯的视 图变形三步法的基础上不断对其进行探索和完善，又出现了很多新的方法，并达 到了更好的效果。如p a u l 和d 跚【3 5 】的基于小波域的视图变形方法，l a v e a u 和 f a u g e r a s 【3 6 】的基于四对匹配点的视图合成方法。 3 2 视图变形技术的基础知识 3 2 1 照相机模型 视图变形技术是对照相机拍摄的图像进行处理，并虚拟照相机成像原理得到 参考图像问虚拟视点对应的图像。照相机成像通常采用的是针孔模型，基本原理 是透视投影8 ，4 1 也】。针孔照相机模型如图3 1 所示。 c z 图3 1 针孔照相机模型示意图 f i g 3 1s c h 锄a t i cd r a w i l l go f p i i l l l o l ec 锄e r am o d e l 第3 章视图变形技术基本理论 。所有来自场景中的光线均通过光心c ( 即相机中心位置，见图3 1 ) ，其中经过c 且垂直于成像平面，的直线称为光轴，它与z 轴重合。朋平面与成像平面，的距 离即厂称为照相机的焦距。若记场景中一点p 坐标为( x ，y ，z ) ，其在成像平面上的 投影点p 在二维成像平面坐标系中的坐标为( x ，夕) ，则由几何关系可知： x ：善x ，y ：善y ( 3 1 ) z z 、。 使用奇次坐标改写式( 3 1 ) 得到等式( 3 2 ) ： oo0 l 厂 o oi o lol j x 】厂 z 1 = 兀 x y z 1 ( 3 2 ) 其中，兀称为投影矩阵。式( 3 2 ) 是在光轴与世界坐标系的z 轴重合的假设下 得到的。在更为一般情况下，投影矩阵兀有如下形式： 兀= 纸玩c o s p o ，志s l n 00l ( 3 3 ) 式( 3 3 ) 中，包和尼，是比例因子，“。和称为主点，秒为成像平面的旋转角度， 厂是焦距。这几个参数为照相机内部参数。当p = 州2 时的照相机模型称为标准 化模型，此时设置主点“。和均为0 ，即： 玩 o o n k 台：l o 4 ) oo0 i 以ooi oloi j x 】厂 z 1 ( 3 5 ) 实际上照相机成像过程涉及到三个坐标系，除了上面的照相机世界坐标系和 成像平面坐标系外还有实际世界坐标系。更为一般的是，照相机世界坐标系与实 际世界坐标系是不重合的，比如照相机世界坐标系经过旋转或者平移。令旋转矩 厂0 0 。l i i r-，j 石 y 7 j厶乃z 玩o 0 1 = 1，j 石 y 7 j厶乃z 雕塑类复杂景物建模与绘制技术的研究 平移矢量为f ，这两个描述照相机运动的参数称为照相机外部参数。若记 则场景中的一点与其在成像平面上的投影点之间存在如下关系： oo lo 0l i d x 】厂 z l = 兀 x 】， z 1 ( 3 6 ) 其中，兀是透视投影矩阵，用来描述实际三维世界坐标系与二维成像平面坐 标系之间的关系。 针孔照相机模型仅仅是一个理想照相机模型，是实际照相机成像系统的线形 近似表示，少数情况下还需要修正镜头扭曲现象引。 3 2 2 对极几何约束 对极几何是指照相机在空间经过一个旋转和平移变换前后对场景点膨进行两 次拍摄，得到两幅图像，由场景点m ，两个照相机光心g ，g ，以及m 的两个 投影点m ，m ：构成的几何关系。如图3 2 ，两幅图像所在的成像平面分别为， c i 与c 2 的连线称为基线，它与图像，。，：的交点p ，、e ：叫作极心。白、p ：与m ， 聊：的连线记为，。，：，分别称作对应投影点的极线。 图3 2 两参考图像间的对极几何关系 f i g 3 2a n t i p o d eg e o m e 仃) rr e l a t i o n sb e t 、e 姐t 、) i r oi i i l a g e 8 因为聊。，z ：是m 在两个成像平面上的两个投影点，所以把它们称作一对匹配 点。由图3 2 几何关系可知：对于图像j 。上的点聊。，在图像j r ：上的对应匹配点必 一然在其对应极线上；反之同样成立。这就是两幅图像的对极几何约束【8 ，3 4 删。 疋卜k 为 = 阵 d l 0 0 。l n = 1j x y s 第3 章视图变形技术基本理论 对极几何约束能够使得在两幅图像上搜索匹配点的过程由二维变为一维，从 而减小了匹配点确定的难度。 3 2 3 基础矩阵【8 】 从上面对极几何关系还可以得到厶和，2 的直线方程。将m 。、鸭表示为奇次坐 标( 而，y ，1 ) 、( x 2 ，j ，2 ，1 ) ，则有= 砌2 、，2 = 砌，。这里的3 3 阶矩阵f 称为基础 矩阵或基本矩阵，其意义是，把图像，。上的点，l 。映射到图像，：的对应极线上，把 图像j ：上的点珑：映射到图像五的对应极线上，也就是说珑。所有可能的匹配点都必 须落在其对应极线上。而两图像上的任意一对匹配点满足如下关系 所：砌l = o ( 3 7 ) f 矩阵除了满足上述性质外还满足如下特性： ( 1 ) d e t ( f ) = 0 ，因而m 础( f ) = 2 ； ( 2 ) 极心e 满足屁= 0 ； ( 3 ) ，在相差一个非零常数因子的情况下是唯一的； f 反映了两图像间所有的几何信息，因此f 的估计求取至关重要。 3 2 4 可见性问题 可见性是指当两幅图像对应的视点差异较大时，在一幅图像中可见的视图边 界可能在另一幅图像中不可见，场景中的遮挡会造成这种情况，如图3 3 。 左摄像机基线右摄像机 图3 3 可见性产生的问题 f i g 3 31 h eq u 鹤蚌0 np r o d u c c db yi i i v i s i b i i 时 雕塑类复杂景物建模与绘制技术的研究 可见性发生变化通常会造成重叠和空洞。重叠是指源图像中的多个点映射到合 成视图中的一个点而产生的像素咬合模糊现象；相反，在合成视图中的某些点在 源图像中找不到对应点，从而导致这些点出现像素空洞【4 5 1 。 对于重叠问题，可以使用传统的z - b u 脑加以解决。对于空洞问题，还不能简 单地从源图像中获取信息来解决。c h e n 和、斩1 l i 锄s 【4 6 】提出了一些解决该问题的方 法，如使用指定的背景色填充，根据邻近的象素点插值，或者使用附加的图像来 获取更多的信息。在这些方法中，邻近点插值法的实际应用比较普遍。 3 3 视图变形的原理 3 3 1 图像变形技术 图像变形技术是基于两图像之间的像素位置和颜色的线性内插技术，其思想 是创建一系列中间图像，当把它们和原始图像放在一起时，便展现出从一幅图像 变形到另一幅图像的效果。目前这种技术在影视、广告等领域己被广泛应用。如 图3 4 所示，左右两图为人的真实图像，而中间的图片是由左右两图通过图像变 形技术得到的，它受左右两图的影响所以既像第一个人，又像第二个人。 n 令，。，。为同一场景s 在两个不同视点下的图像，所要求的中间图像为，。通 常图像变形技术包括以下3 个步骤【4 7 】： ( 1 ) 建立两幅源图像厶、，。之问的对应关系：