（计算机应用技术专业论文）三维场景漫游与全景拼接的关键技术研究.pdf

摘要 摘要 虚拟现实技术已经成为互联网和计算机科学发展的重要方向【石教英2 0 0 2 ) 当前，以网络为基 础的虚拟现实技术，主要可划分为两个范畴：基于三维模型和v 】m l 的技术和以图像为基础的全景 技术 虚拟现实建模语言m 。是虚拟现实三维立体网络程序语言，它可以在网络上创建逼真的三 维场景，使虚拟世界的真实性和交互性得到更充分的体现。它能够把三维、二维、文本、多媒体信 息以及脚本描述语言等集成为统一的整体，产生一种全新的交互式应用，3 d 环境模型成为基本用户 界面模式成为现实。但v r m l 构造一个三维场景时通常需要录入较多规范的数据，尤其是在建立复 杂物体的三维模型时效率很低三维动画软件3 d sm a x 提供了v r m l 的接口，它可以高效快捷地 建立三维模型。v r m l 与3 d sm a x 结合运用，相辅相成，在实现虚拟现实的动态交互时达到事半 功倍的效果【张金钊等2 0 0 4 全景图( p a n o r a m a ) 技术是近年兴起的一种表示和绘制具有照片真实感的交互式的虚拟场景的 方法，以图像绘制i b r 为基础，其主要特点是绘制复杂度与场景的复杂度无关全景拼接则是其中 应用较广的一种技术，它是将同一场景中的多幅有部分重叠区域的图像进行拼接，无缝地连接成一 幅新的可以在水平或垂直3 6 0 度全方位浏览的全景图。全景拼图再现了三维场景，可用浏览器实现虚 拟场景的漫游f 张洁玉2 0 0 5 。 本文在介绍了3 d sl n a x 方便快捷的建模技术和v r m l 的漫游技术的基础上，以制作校园的虚拟 漫游为实践平台，着重研究了3 d sm a x 和v r m l 相结合制作虚拟场景的关键技术，并分别总结了研 究过程中对三维模型及v r m l 文件的各种优化方法。文中对尺度不变特征( s t ) 算法过程的进行了 深入研究，通过实验证明了s i f t 算法对于图像发生平移、旋转、仿射变换后仍能提取对应的特征匹 配点，具有很强的鲁棒性但在低重叠度条件下，该方法局限性。在研究了轮廓相位相关算法和基 于2 幂子图像的f f f 对齐方法后，提出2 幂方图的柱面全景拼接算法。并在处理低重叠度图像融合 时，提出亮度扩散方法消除相邻图像因亮度差异引起的拼接缝 实验表明，基于2 幂方图和亮度扩散融合的低重叠度图像的拼接算法具有良好的拼接效果。 关键字：虚拟现实；3 d sm a x ；v r m l i 人机交互；s i f f ；全景图；2 幂方图 中图分类号：t p 3 9 1文献标识码：a a b s t r a c t t h e t e c h n i q u eo fv i r t u a lr e a l i t yh a sa l r e a d yb e c o m et h ei m p o r t a n td i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h e i n t e r a c ta n dc o m p u t e rs c i e n c e a tp r e s e n t t h en e t w o r k - b a s e dt e c h n i q u eo fv i r t u a lr e a l i t yc a nb em a i n l y s e p a r a t e di n t ot w oc a t e g o r i e s ：t h et e c h n i q u e sb a s e do nt h e3 dm o d e la n dv r m la n dt h ep a n o r a m i c t e c h n i q u e sb a s e do nt h ei m a g e t h ev r m li san e t w o r kp r o g r a m m i n gl a n g u a g eo fv i r t u a lr e a l i 哆a n d3 d ，i tc a nb u i l du pal i v i n g 3 ds o , d eo nt h ei n t e r n e tt or e p r e s e n tm o r ee n o u g ht h ee x c e l l e n tr e a l i t ya n di n t e r a c t i o ni nt h ev i r t u a lw o r l d v r m lc a ng e n e r a t ead e wa p p l i c a t i o no fi n t e r a c t i o n w h i c hc o u l dm a k et h e3 dm o d e la st h eb a s i c i n t e r f a c eo ft h eu s e rb yi n t e g r a t e i n gt h e3 do b j e c t s , 2 do b j e c t s ，t e x t s ，m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o na n ds c r i p t d e s c r i p t i o nl a n g u a g ee t c h o w e v e r ，w h e nw eu t h ev r m l t oc o n s t r u c t3 ds e n c e ，w eu s u a l l yn e e d m a n yn o r m a t i v ed a t a ，f u r t h e r m o r ew h e nw eb u i l du pac o m p l i c a t e d3 dm o d e l , t h ee f f i c i e n c yi sv e r yl o w a st h er e s u l tw eu s et h ei n t e r f a c et h a tt h e3 d sm a x p r o v i d e dt ov r m lw h i c hc a nb u i l du p3 dm o d e l e f f i c i e n t l ya n dq u i c k l y c o m b i n i n gt h ev r m lw i t ht h e3 d sm a x ，w ec o u l dg e tt h eh i g hp e r f o r m a n c e r e s u l tt or e a l i z et h ed y n a m i ci n t e r a c t i o no ft h ev i r t u a lr e a l i t y t h ep a n o r a m i ct e c h n i q u ei sam e t h o da r i s e ni nr e c e n t y e a r s w h i c hr e p r e s e n ta n dr e n d e rt h e i n t e r a c t i n gv i r t u a ls c z n ew i t ht h er e a l i s t i cs e u s eo fp h o t o s t h et e c h n i q u eb a s e so ni b r ，t h em a i nf e a t u r eo f t h et e c h n i q u ei st h a tt h ec o m p l e x i t yo fr e n d e r i n gi si r r e l e v a n tt ot h ec o m p l e x i t yo fs o e n e t h ep a n o r a m a m o s a i ci su s e dm o r ew i d e l ya m o n gt h e s ep a n o r a m i ct e c h n i q u e s ，w h i c hm o s a i cm u l t i - i m a g e sw i t hp a r t i a l o v e r l a p p i n gi nt h es a m es c e n e ，s t i t c hs e a m l e s s l yi n t oan e wp a n o r a m aw h i c hc a nb eb r o w s e da th o r i z o n t a l o rv e r t i c a l3 6 0d e g r e e sa l l - d i r e c t i o n s t h ep a n o r a m ar e a p p e a r a n c e dt h e3 ds c e n e ，c a nr e a l i z et h ec r u i s ei n t h ev i r t u a ls c ：e n ei nt h eb r o w s e r t h e3 d sm a xc o u l db u i l du pt h em o d e lq u i c k l ya n de a s i l y ，o nt h ep r a c t i c a lb a s eo fb u i l d i n gt h e c r u i s e o ft h ev i r t u a lc a m p u s w ee m p h a s i z et os t u d yt h ek e yt e c h n i q u eo fb u i l d i n gt h ev i r t u a ls c e n e c o m b i n i n gt h e3 d sm a x w i t l lt h ev r m la n ds u m m a r i z es o m eo p t i m a lm e t h o d so nt h e3 dm o d e l sa n d t h ev r m lf i l eu n d e rt h er e s e a r c h w em a d et h ee x t e n s i v e l yr e s e a r c ha n de x p e r i m e n to ft h es 肼 p r o v e dt h es i f ta l g o r i t h mc o u l ds t i l le x t r a c tr o b u s t l yt h ec o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e rm a t c h i n gp o i n t sw h e n t h ei m a g ew a ss u f f e r e dt h et r a n s f o r m a t i o n ，r o t a t i o n ，a f i n et r a n s f o r m a t i o n , e r e b u tu n d e rt h ec o n d i t i o no f t h el o wo v e r l a po ft h ea d j a c e n ti m a g e s ，t h i sm e t h o di so u to fe f f e c t a f t e rw er e s e a r c ht h ea l g o r i t h mo f t h ec o n t o u r b a s e dp h a s eo fc o r r e l a t i o na n dt h ea l i g n i n gm e t h o da c c o r d i n gt oh 可b a s e do n2 - p o w e r s u b - i m a g e ，p u tf o r w a r dt h em e t h o do ft h ec y l i n d r i c a lp a n o r a m am o s a i cb a s e do n2 - p o w e rs q u a r e i m a g e b l e n d i n gi m a g e sw i t ht h el o wo v e r l a p , ab r i g h t - d i f f u s em e t h o di sp u tf o r w a r dt or e m o v et h eb r i g h t g a pc a u s e db yt h eb r i g h td i f f e r e n c eb w t e e nt h ea d j a c e n ti m a g e s k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ；3 d sm a x ；v r m l ；h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ；s i f t ；p a n o r a m a ；t w o - p o w e r s q u a r e - i m a g e 原创性声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究在做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：邃遂日期：! ! qz 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阈；本人授权贵州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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：擅迎止导师签名鲥越日期：2 1 1 ，z 生旦 第一章绪论 第一章绪论 近年来，虚拟现实技术一直是计算机应用领域的研究热点之一，其特点是利用计算机多媒体技 术在计算机系统中创建真实世界的仿真环境，通过计算机的硬件设备来模织人体的视觉、所觉、味 觉和触觉等真实感知，使参与者在其中产生与在真实环境中相同或相似的体验。根据人类的生理特 点，在各种感知中视觉感知占8 0 因此在虚拟现实技术的研究中，视觉的模拟( 虚拟场景的生成) 占有十分重要的地位，是虚拟现实中最为关键的问廖。 1 1 课题背景及学术意义 虚拟现实实际上是一种具有三维世界效果的模拟环境( 如飞机驾驶舱、高危害的实验操作现场 等) 同时还可以通过各种传感设备，使用户融入到该环境中，实现用户与该环境进行直接交互操作， 并产生与现实世界中相同的反馈信息，使人们得到与在现实世界中同样豹感觉。它实际上就是一种 先进的人机接口，为用户同时诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度 的方便用户的操作当人们需要构造当前不存在的环境和人类不可能到达的环境或构造虚拟环境以 代替耗巨大的现实环境时，虚拟理实技本是必不可少均 但在虚拟现实的场景中，景物通常是比较复杂的，几何绘制技术在实时绘制时显然计算量太大， 常常需要专用的图形硬件，而且绘制时间依赖于景物的复杂程度。由于真实世界中场景是由形形色 色的不规则彤体、予差万别的表甄纹理和反射特性以及复杂教光照效果等形成，固她对复杂真实世 界的建模与绘制，几何绘制技术显得无能为力。 而基于图像的绘制技术( m r ) 提供了较好的方法来解决几何绘制技术的这个难题，从而成为计 算钒图形学领域的一个新的研究热点。i b r 技米所采用的数据模型是实琢场景的照片或尼何模型绘 制的图像，利用真实场景的图像作为虚拟场景的表示形式，真实地再现了真实场景的视觉信息，生 成的场最视图的质量远远优于几何绘制技术；而且交互视图的生成速度与景物的复杂性无关，仅与 待显示钓图像豹分辨率及据应的生成算法有关；视图生成算法计算量不大，能够在工作站和p c 辊 上实时完成。因此i b r 技术在真实场景的建模与绘制方面有巨大的优势，在虚拟现实的场景生成之 中，可以产生更加接近真实世界的虚拟环境，为虚拟现实技术提供新的实现途径 本文是在教育部春晖计射项目：4 基于两格技术的喀斯特地形数字博物馆理论基蟊 ；研究谭题 支持下展开研究的，文中探讨了基于3 d sm a x 三维建模与v r m l 相结合实现三维场景的人机交互 l 第一章绪论 和全自动漫游的关键技术，研究了基于2 幂方图拼接低重叠度图像的柱面全景图技术，提出了2 幂 方图方法和亮度扩散融合法 1 2 虚拟现实技术r ) 虚拟现实技术是一种全新的计算机技术，它是对现实的模拟或对想象的仿真虚拟实现技术本 身具有与众不同的特点：( 1 ) 虚拟现实技术可以提供一个由计算机生成的给人们视觉、听觉或触觉 等感官刺激的虚拟环境。虚拟现实技术强调计算机生成的虚拟环境应给人一种身临其境的沉浸 感。( 3 ) 虚拟现实技术强调人能以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互操作。虚拟现实技术能提 供给人身临其境感觉的虚拟环境，人机之同以人所熟悉的自然方式进行交互操作，能给人丰富的想 象力和直觉，从而有利于恶劣、危险环境的仿真。虚拟现实技术还可以替代制造业的实物样机，是 虚拟设计和制造的核心技术，能大大缩短产品的开发周期，大量节约产品成本。虚拟现实技术又是 协同工作、教育、培讽的理想工具。迄今为止，虚拟现实技术在航空航天、汽车工业、重大工程认 证、生物信息科学、虚拟手术、科研、教育和文化娱乐业等已获得广泛应用。 虚拟现实技术也向科技界和产业界提出了新的挑战，例如关于嗅觉和味觉的建模和传感技术， 关于视觉、听觉和触觉的建模和再现技术，要达到高度真实感和实时性仍然有较大的距离，有待进 一步改进、完善。 j 2 j 虚拟现实技术的基本特征 虚拟现实技术具有以下三个基本特征，通常称为3i 特征( 表1 1 ) 。只要能达到交互和沉浸的 目标，就可以充分发挥想象力的作用把各种技术有效的集合起来设计出一个成功的虚拟现实系统。 衰i - 1 虚拟现实技术的3 i 特征 沉浸牲 虚掇现实技术是根据人类感官的生理心理特点。由计算机产生逼真的三维立体模型。使用 者置身子虚拟环境中，与虚拟环境中各种对象的相互作用，有一种身临其境的感觉，即沉 ( i m m e n i o e ) 浸感，实际上是一种在虚拟世界中的幻觉。 在虚拟现实系统中，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标对虚拟环境中的对象进行考察或 交互性操作，虚拟世界中的对象也能够实时的做出相应的反映。在人机交互过程中，使用者能够 ( i n t e r a c t i o n ) 对虚拟环境进行实时的操作，能从虚拟环境中得到反馈的信息，也能使系统了解使用者的 位置、状态、变形等各种系统需要的数据。 想象力 作为虚拟世界的创造者，想象力已经成为虚拟现实系统设计中最关键的问题之一，虚拟现 o m a o e a t i o e ) 实系统针对莱一特定领域，解决某些问题的应用 2 第一章绪论 1 2 2 虚拟现实技术的应用前景 虚拟现实技术的应用极为广泛，如在医学方面，建立的虚拟环境，包括虚拟的人体模型与器官、 虚拟的手术台与手术灯、虚拟的外科工具( 如手术刀、注射器、手术钳等) 等，借助于跟踪球、i - i m d 、 感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。如果增加两络功能，可实现远程遥控外科手术 在娱乐方面丰富的感觉能力与3 1 ) 显示环境使得虚拟实现成为理想的视频游戏工具，大大增强了娱 乐趣味性虚拟现实所具有的沉浸感与交互能力可以将静态的艺术作品转化为动态的，可以使观赏 者更好地欣赏作者的思想艺术，还可以去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等等在军事上设计一个4 模拟 战场”，进行大规模高科技军事演习，既可节省大量费用，又使部队得到了锻炼。在航空航天发射 中，可以制造出一个。模拟航天器”，模拟整个航天器的生产、发射、运行和回收的全过程，从而 可以节约大量的经费，大大降低危险性， 随着相关硬件、软件成本逐渐降低以及技术方面不断取得薪的突破，虚拟现实技术的应用领域 还将迅速扩大。在不久的将来，虚拟现实技术将深入到人们的日常工作与生活。虽然虚拟现实技术 还不够成熟，但它在许多领域都有潜在的应用。它作为- - f 新兴的学科，无论是在航空，航天、船 舶、医学、制造等高技术领域，还是在教育、娱乐、商业等方面都显示出了诱人的应用前景。 1 3 基于图像的绘制( i b r ) 传统图形绘制技术均是面向几何模型而设计的，因而绘制过程涉及到复杂的建模、消隐和光亮 度计算。尽管通过可见性预计算技术及场景几何简化技术可大大减少需处理景物的面片数目，但对 高度复杂的场景，现有的计算机硬件仍无法实时绘制简化后的几何场景。因而如何在只具有普通计 算能力的计算机上实现真实感图形的实时绘制成为需要解决的实际问题，i b r 技术就是为实现这一 目标而设计的一种全新的图形绘制方式。该技术基于一些预先生成的图像来生成不同视点的场景画 面，与传统绘制技术相比，它有着鲜明的特点： ( 1 ) 图像绘制与场景复杂性无关，只与绘制图像的分辨率有关 ( 2 ) 图像绘制使用的图像可以是实际拍摄的画面，也可以是计算桃制作的，或者两者混合使用。 ( 3 ) 图像绘制技术对计算资源的要求不商，可以在个人计算机上实现复杂场景的实时显示 图像绘制技术的方法是，在一给定视点处向各个方向拍摄( 如环拍一周) ，得到一组全方位的 图像，将它们拼接成一张全景图像。如果要在场景中漫游( 如前进、后退、左右转动) ，就需要建 立不同场景位置的全景图，然后通过视图插值或变形来获得临近视点对应的视图。i b r 技术是新兴 3 第一章绪论 的研究领域，它将改变人们对计算机图形学的传统认识，从而使计算机图形学获得更加广泛的应用 基于图像的虚拟现实技术是目前虚拟现实研究领域中最为活跃的研究课题之一虽然目前用基 于图像绘制技术表示虚拟场景的各种技术都获得了较大发展，但是最接近于实用的还是全景图技术， 这是因为作为一种场景存储和显示方式，一方面全景图技术要求的数据量不大，绘制的速度较高， 另一方面也有一定的交互能力，能在一定程度上模拟用户的现场视觉感受，因而全景图技术具有重 要的应用价值。 基于图像技术的全景虚拟的优势：( 1 ) 真实性强，实景场景的逼真摄影表现。( 2 ) 播放设备硬 件要求低，普通个人计算机均可播放，无需专门工作站( 3 ) 开发周期短，开发成本低。( 4 ) 拍摄 制作比三维制作速度快，采样简单，样本少；减少了信息的冗余，没有重复像素；数学模型简单， 场景用二维描述；场景重现仅需对全景图重投影。( 5 ) 导览性、交互操作性强。画面质量高， 高清晰度的全屏场景，令细节表现完美( 7 ) 数据量小，非常适合网络式访问观看【王俊杰2 0 0 3 目前全景图技术己经出现了许多成熟的应用系统，如p h o t o v i s t a ，q u i c k t i m e v r ，s p i n p a n o r a m a ， u l e a d 的c o o l3 6 0 。以及现在许多数字相机上带的全景图功能 d y k e s2 0 1 。这些都是基于柱面全景 图技术的系统。i n t e r n e tp i c t u r ec o r p 的i p l xl n u n e r s i v e h n a g e 是利用鱼眼镜头生成的球面全景图系统。 1 4 论文的主要工作及组织结构 论文主要的研究工作有在以下几个方面： ( 1 ) 基于3 d sm x 的三维建模和v r m l 的虚拟漫游关键技术研究 在介绍3 d sm x 方便快捷的建模技术和t m l 的漫游技术的基础上，着重研究了3 d s 盥x 和 v r m l 相结合制作虚拟场景的关键技术以制作虚拟校园为出发点，以快速高效地建模为目的，探 讨了三维建模的规划方法和道路、房屋、地形、假山、花草树木等模型的建模方法。为尽量控制场 景模型的复杂程度，采用了精简模型、压缩纹理、用纹理贴图代替复杂模型等优化方法。探讨了v r m l 复杂场景中交互关键技术，利用各种传感器、插补器、路由、j a v a s c r i p t 脚本实现复杂的人机交互动 作和响应。通过运用各种技巧，使文件优化，控制文件的大小，同时减少网络通信量和浏览器的计 算量，如：大规模场景模块化、场景调用和互动、节点定义与重用、原型构造、v r 文件压缩。 为了改善大型场景中的浏览速度问题，在v r k u 。中进一步采取一些优化措施：限制可见距离、根据 远近控制模型细节层次、根据需要选择细节与轮廓 ( 2 ) 尺度不变特征( s i f t ) 算法的研究 s i f t 算法是英属哥伦比亚大学( u b c ) d a v i di o w e 在2 0 0 4 年总结了现有的基于不变量技术的特 4 第一章绪论 征检测方法的基础上提出的，该算法对于图像发生平移、旋转、仿射变换后仍能提取对应的特征匹 配点，具有很强的鲁棒性。但本文在深入研究该算法的实现过程后，发现算法在进行低重叠度图像 拼接时，具有局限性这是由于算法在提取特征时，为了保证特征点的稳定性，消除了边缘特征点 造成的。本文在这个研究基础上，提出了基于2 幂方图的低重叠度图像拼接方法。 ( 3 ) 基于2 幂方图的图像拼接方法研究 在研究了轮廓相位相关算法和基于2 幂子图像的f f r 对齐方法后，提出2 幂方图的柱面全景拼 接算法。该算法主要特点是，取相邻两图像的2 幂方图作为匹配区域，由于2 幂方图在重叠区域中 所占面积较小，既降低了待拼接图像重叠度的要求，又减少了对非匹配点的相关计算，且减少了相 似但不是正确匹配区域信息的干扰，提高了匹配的稳定性：由于2 幂方图的长和宽都是2 的幂，可 以加快f f r 的收敛速度，提高f f r 效率，且不影响图像的对齐结果 ( 4 ) 亮度扩散融合方法研究 在处理低重叠度图像融合时，提出亮度扩散方法消除相邻图像因亮度差异引起的拼接缝亮度 二， 扩散融合方法是指在重叠区域图像亮度从较亮的区域向较暗的区域渐变，具体实现方法是，在重叠 区域中提取两块对应的小图像，将其颜色模型从r g b 转换到h s v 中，然后求出这两块小图像的亮 度比，再根据比值判断重叠区域的亮暗，通过加权因子使亮度由较亮区域向较暗区域逐渐变化，也 就是进行亮度扩散，使亮度从重叠区向图像中问平缓过渡，然后将实际重叠部分融合这在低重叠4 度图像重叠边缘上亮度渐变，从而使拼接后的图像亮度在拼接处平缓过渡 本文共分成五个章节，内容如下： 第一章介绍了本文研究课题的背景及意义，概述了虚拟现实技术的基本特征和应用前景，给 出了本文主要研究内容。 第二章首先介绍了三维建模工具3 d sm a x 的特点、对象定义、对象的创建与修改以及材质 与贴图。然后介绍了虚拟现实建模语言v r m l 的发展、浏览嚣、编辑器，v r m l 的核心内容编程语 法及交互机制。以制作校园虚拟漫游为实践平台，阐述了3 d 建模的规划、模型的建立方法及一些 建模的优化技术。关键在采用v r m l 设计虚拟场景的交互与漫游，并对v r m l 文件及漫游进行优 化。简述了采用p r e m i e m 制作虚拟场景的视频方法。 第三章综述了基于尺度不变特征变换s i f t 方法的图像匹配，阐述了s i f t 特征点的提取过程： 求尺度空间极值点、定位特征点、计算特征点方向、确定特征点描述子。利用提取的特征点进行图 像的匹配，最后通过实验将s i f f 应用于图像拼接。 第四章首先介绍了柱面全景拼接的相关算法及知识要点：r g b 和h s v 颜色模型、c a n n y 边缘 5 第一章绪论 检测、c r a u 滤波器、f o u r i e r 变换、i o c 算法在研究前人的算法基础上，提出基于2 幂方图和亮 度扩散融合的低重叠度图像的全景拼接算法方法过程是：采集图像，抽样图像并滤波，提取2 幂 方图，对2 幂方图提取边缘轮廓，用相位相关方法进行图像重叠量的检测，将图像投影到柱面，最 后用亮度扩散法融合图像形成柱面全景图 第五章总结了本论文的研究内容和成果，对虚拟实现技术在未来的发展提出了一些展望。 6 第二章三维建模与漫游 第二章三维建模与漫游 在虚拟现实技术快速发展的今天，如何更有效地制作虚拟漫游场景成为当前研究的热点三维 全景已经应用到生活的各个方面，如高清晰度三维全景景区展示，给游客一个身临其景的体验；远 程虚拟谢览宾馆的外型、大厅、客房、会议厅等各服务场所，展现宾馆舒适的环境，完善的服务， 给客户以实在感受，促进客户预定客房；房屋开发销售商可以利用虚拟全景浏览技术，展示楼盘的 外观，房屋的结构，布局，室内设计，购房者在家中通过网络即可仔细查看房屋的各个方面，提高 潜在客户购买欲望更重要的是，采用全景技术可以在楼盘建好之前将其虚拟设计出来，方便房地 产开发商进行期房的销售有了三维全景产品虚拟展示( 如汽车展示) ，不再受时间，地点限制， 营造超越竞争对手的有利条件本文使用3 d sm a x 这种方便快捷的建模工具实现各种复杂模型的 创建，用v r m l 实现三维场景的漫游和人机交互，从而快速高效地创建出三维全景校园。 2 1 13 d sm a x 2 13 d sm a x 3 d sm a x 是a u t o d e s k 公司设计的应用在w i n d o w s 平台上的专业三维建模、渲染和动画制作的 应用软件包。3 d sm a x 的主要特色是采用了具有高度可扩展性的完全面向对象的体系结构，优良的 功能和交互界面，支持网络渲染、硬件加速和多处理器系统。它充分利用了w i n d o w s 操作系统和 p e n t i u m 处理器的强大功能与灵活性，在p c 机上实现了工作站的性能和特征【张凯等，2 0 0 4 。 3 d sm a x 的基础是一个易于使用的三维造型模块。使用这模块，可以快速地产生球体、锥体和 柱体等几何体，可以逐面地生成物体，或者以放样等操作来生成复杂的形体。也可以调入a m o c a d 的d x f 0 3 r a w i n ge x c h a n g ef i l e ) 文件来生成三维场景 3 d s m a x 还提供了内置的材质编辑器。通过三种颜色设置的配合，透明度控制，纹理、透明、 凹凸、自发光、反射和反光贴图的运用，以及特殊效果的作用，几乎就可以制造出任何想要的材质， 可以把材质赋于整个物体，也可以仅赋给物体的某些特定的面 应用3 d sm a x 生成三维场景后，可以加入任意数量的照相机、灯光、阴影、背景和环境，使 场景充满生机3 d sm a x 还提供了四种着色控制方式：速度特快的f l a t 方式和g o u r a n d 方式、精确 到像素的p h o l l e 方式以及带金属光泽的m e t a l 方式。可以选择把着色好的图像送到帧缓存器临时保 7 第二章三维建模与漫游 存，或送到屏幕上显示，或者保存到磁盘上去 3 d sm a x 提供了完备的关键帧动画功能。可以移动、挤压、旋转物体，甚至改变物体的形状和 材质也可以用灯光、照相机、照相机目标点的动作来产生电影效果此外，把物体、灯光、照相 机和目标点链接起来，还可以产生分级运动。为了便于动作控制，3 d sm a x 可以用线框或平面着色 方式在屏幕上预演动画 幺1 1 13 d sm a x 的对象定义 从3 d sm a x 编辑角度来看，创建的每一个事物都是对象。场景中的几何体、摄像机和光源均 是对象；编辑器、动画控制器、位图，材质定义也都是对象 对象可分为主对象和次对象，使用者可以操作多对象。 主对象是指用c r e a t 面板的创建功能建立的原始对象 次对象( 或称子物体) 是指可以被选择和操作的一些事物的任何组成元素。如：v e r t e x ( 顶点) 、 e d 铲( 边) ，f a c e ( 面) ，p o l y g o n ( 多边形) 、e l e m e n t ( 元素) 2 - 1 1 2 对象的刨建与修改 创建主对象，也就是创建几何建模，可以通过多边形建模直接创建基本的几何体，再根据要求 采用编辑器调整物体形状或通过使用放样、曲面片造型、组合物体来制作虚拟现实作品。多边形建 模的主要优点是简单、方便和快速，但它难于生成光滑的曲面，所以多边形建模技术适合于构造具 有规则形状的物体，如大部分的人造物体，同时可根据虚拟现实系统的要求，仅仅通过调整所建立 模型的参数就可以获得不同分辨率的模型，以适应虚拟场景实时显示的需要而n u r b s 建模技术 是特别适合于创建光滑的、复杂的模型。根据虚拟现实系统的要求选取合适的建模途径，多快好省地 完成虚拟现实的作品的制作 创建主对象的过程实际上就是定义基本对象的参数，3 d sm a x 的对象都是一种参数化的形式 例如定义一个圆柱体，只需设置高度、半径和高度段数等参数，则可以显示基于当前参数值的圆柱 体，圆柱体的参数化定义可以存储起来，在任何时候改变这些参数。 当一个主对象创建之后，可以应用一些编辑器( 如e d i tm e s h 和s t r e t c h ) ，操作次对象，从而 可以改变主对象的结构、形状。比如使用e d i t m e s h 编辑器，选择一个面( 次对象) ，对这个面可以 进行移动、旋转或删除。 还可以将已有的物体组合起来构成新的组合物体，可以利用粒子系统模仿雨、雪、流水和灰尘 等自然现象，可以模拟烟云、火花、爆炸、暴风雪或者瀑布等物理现象，也可以通过空间扭曲对粒 子流造成引力、阻挡、风力等仿真影响 8 第二章三维建模与漫游 2 1 1 3 材质与贴图 建立模型之后的工作就是给模型赋予材质和贴图。材质和贴图主要用于描述对象表面的物质状 态，构造真实世界中的自然物质表面的视觉表象。 在虚拟三维空问中，材质就是指定物体的表面特性，它决定这些平面在着色时以特定的方式出 现，如c o l o f 颜色、s h i n i n e s s 光亮程度、s e r f - m e n , n a t i o n 自发光度、o p a c i t y 不透明度等。在3 d s m a x 中基本材质赋予对象一种单一的颜色，基本材质使用三种颜色构成对象表面，即a m b i e n tc o l o r 环境 光颜色，d i f f u s ec o l o r 浸反射颜色，s p e c u l a rc o l o r 高光颜色使用三种颜色及对高光区的控制，可 以刨建出大部分的基本反射材质这种材质相当简单，但能生成有效的渲染效果。同时基本材质同 样可以模拟发光对象、透明或半透明对象。 在3 d s m a x 的材质编辑器( m a t e r i a l e d i t o r ) 中赋予模型材质和贴图，3 d s m a x 提供材质多种 着色类型；a n i s m o p i c ，b l i m z ，m e t a l ，m u l t i - l a y e r ，o r e n - b a y a r * b i i n n ，f h o n g ，s u a u u ，每一种着 色类型确定在渲染一种材质时着色的计算方式张立亭等2 0 0 4 精心制作的模型的真实性可视效果，很大程度上依赖于贴图的组织和应用不管模型构建得 多么细致，如果不给对象赋予真实可信的贴图，最终的场景总是缺乏真实感，并难以让入信服。贴 图( m a p s ) 是指定到材质上的图像，用多种方法贴图能把最简单的模型变成丰富的场景画面 3 d s m a x 使用u y w 坐标空间来描述位图和贴图。u v w 坐标空间中u 和v 表示与位图相关的 高度和宽度单位，w 空问把贴图投影改变9 0 度。纹理贴图就是建立对象几何空间( x y z 坐标空间) 和u v w 坐标空间的映射关系。其实质是用一个m n 的= 维数组存放一幅数字化的图像，用插值法 构造纹理函数，然后把该二维图像映射到三维的物体表面上为了实现这个映射，就要建立物体空 间坐标( x ，y 力和纹理空间坐标( 珥v ) 之间的对应关系，这相当于对物体表面进行参数化，反求出物 体表面的参数后，就可以根据( 1 l ，v ) 得到该处的纹理值，并用此值取代光照明模型中的相应项。 3 d sm a x 提供了如下6 种贴图投影方式jp l a n a r 、c y l i n d r i c a l 、s p h e r i c a l 、s h r i n k 、w r a p 、b o x 、 f a c e 。针对不同几何形状的对象选择不同的贴图投影方式，并且根据对象几何体类型的不同和所期 望的表面效果而设置不同的优化选项，以求达到真实地再现现实场景的效果。 2 2v r m l v r m l 是一种三维造型和渲染的新型图形描述语言，通过创建一个虚拟场景以达到现实中的效 果。v r m l 支持三维动画，它的实时交互功能大大改变了原来万维网上单调、交互性较差的弱点， 可以创建个全新的可进入、可参与的三维虚拟世界。 9 第二章三维建模与漫游 一v r m l 是虚拟现实三维立体网络程序设计语言，是宽带网络、多媒体与人工智能相融合的高科 技产品，是把握未来网络、多媒体及人工智能的关键技术它是2 l 世纪将计算机网络、多媒体及人 工智能集为一体的最为优秀的开发工具和手段 1 9 9 4 年5 月，在瑞士日内瓦召开的w w w 会议上，m a r k p e s c e 和t o n y p a r i s i 在会上介绍了在 w w w 上运行的虚拟现实界面。1 9 9 4 年1 0 月在第二届w w w 国际会议上公布v r m l l 0 规范。1 9 9 8 年1 月，v r m l 2 0 被正式批准为国际标准( 通常称为v r 眦9 7 ) 旺轩菁等】。 v r m l 具有以下四大特点【张金钊等2 0 0 4 】： ( 1 ) v r m l 具有强大的网络功能，可以创建立体网页与网站，也可以通过v r m l 程序直接接入 l a t e m e t ( 2 ) v r m l 具有多媒体功能，能够实现多媒体制作，合成声音、图像以达到影视效果 ( 3 ) v r m l 能够创建三维立体造型和场景，实现更好的立体交互界面 ( t ) v r m l 具有人工智能，可以利用感知传感器节点来感受用户及造型之间的动态交互感觉。 v r m l 文件的解释、执行和表现通过浏览器实现，这和利用浏览器显示h t m l 文件的机制完全 相同。浏览器把场景中的形态和声音等呈现给用户，这种视觉和听觉表现即所谓的虚拟世界。 通过v r m l 文件，用户可以从多个视点观察一个场景。v r m l 专门的浏览器提供的导航工具允 许按照浏览者的兴趣去浏览场景。v r m l 世界中也能包含动画、声音和影像来丰富浏览者的体验。 通过操纵测览器控制面板的按钮，实现v r m l 文件的运行 常用的v r m l 浏览器有 s z t i g e r ： ( 1 ) c 缸m o ，它出自v r m l 的早期领导者s g i 公司，它是v r m i _ 2 0 舨v r m l 文件首选播放器， 具有一流的浏览功能。它内置了i n t e l 公司r s x ( r e a l i s t i cs o u n de x p e r i e n c e ) 技术，能够使立体音效果 的播放更加逼真。它对j a v a s c r i p t 脚本有良好的支持它的界面简洁、方便和快捷，它的控制面板至 今仍是最好、最科学的 ( 2 ) b i a x x u t r n t a c t ，它全面支持v r m l 9 7 ，最先支持n u r b s 、u m ，渲染速度名列第一制作 工具上，b a l x x u n 公司推出了f o r3 d s m a x 的v r m l 插件，可以直接把3 d s m a x 中的n u r b s 模 型导出成了v r m l 中的n u r b s 模型。唯一不足的是，它的控制面板太难控制，浏览模式的切换十 分不便。 1 0 第二章三维建模与授游 ( 3 ) c o r t o n a ，它是目前v r m l 领域最有活力的一家公司p a r a l l e l g r a p h i c s ，它除了很好地支持 v r m l 9 7 、n u r b s 外，还支持多种自己规格的扩展功能，如键盘输入、拖放控制、f l a s h 等，更是业 内第一个支持最新e a i 功能的v r m l 测览器不过c o r t o n a 的兼容性做得稍差，主要应用环境是 w i n d o w s 平台和珉浏览器，并且声音功能还有一些小缺陷 2 2 2v r m l 编辑器 v r m l 文件是由可阕读的a s c i i 文件构成的，一个文本编辑器就可以成为v r m l 文件的生成器， 但要求在保存时文件的扩展名必须是w r l 或w r z v r m l 专用编辑器是实现虚拟现实系统的编程 环境，如v n n l p a d 、c 0 6 m ow o r l d 、i n t e m e t 3 ds p a c eb u i l d e r 等其中v r m l p a d 是由p m - a l l c l g r a p h i 璐 公司开发的，是一个强有力而且灵活的v r m l 脚本编辑软件，它能够让用户设计和开发一个t m l 世界并把它发布到网上，提供的插件功能也能够方便的完成v r m l 模型刨建。它可下载网上v r m l 文件的全部资源，适合收集v r m l 资源。 v r m l p a d 编辑器支持在敦i 览器中预览，采用树形结构显示场景，具有高级查找、分色显示、自 动侦错、取消操作、重复操作和使用书签等功能。v r m l