基于柱面投影的Web3D建模系统研究

要 随着互联网多媒体技术的发展，用户希望能看 到信息更加丰富，效果更加生动的页面。无论是在电子商务活动和互动游戏等 应用领域，还是在图形图像等研究领域，网络化三维建模作为反映实体外在表现和 内在属性的一种直观方法，都具有重要的意义。在网络化三维虚拟现实场景中，实 体的清晰度以及交互的流畅度是影响用户体验的主要因素，它们直接决定于建模方 法的优劣。因此，如何在带宽和硬件条件相对有限的情况下，构造一种优化的建模 算法以提升用户体验是首要的研究目标。 分析和比较了当前通用网络化三维建模算法的 优势和不足，有效地结合基于图形的建模算法（ 基于图像的建模算法（ 法搭建一个网络化三维建模场景系统。吸收两种建模算法自身的特点，并 借助外部建模的方式，在通过图形建模方法将模型注入场景后，再通过图像建模中的柱面投影和消隐方法进行场景构建，减少引擎的渲染负荷，从而提高建模效率；在 交互计算阶段引入了一种优化的柱面投影和消隐策略，利用上一次的投影与消隐信 息，减少重新计算的模型数量，降低算法的复杂度，提高对于交互的响应速度。 在对虚拟实验平台上的前端系统进行三维扩展 的基础上，结合基于柱面投影网络化三维建模优化算法设计了两组包含引擎内 置模型和外联模型的测试案例，并与非剔除柱面投影建模法以及已有的 理论渲染复杂度和实际运行中的最大帧速两方面进行了性能测试。测试结果表明，使用基于柱面投影 最大帧速随场景复杂度上升而下降最缓。算法在构建复杂场景时具有最好的效率。 关键词 ：网络化三维建模，柱面投影，消隐， to in of or in of an as an on of To a of of on by of As a in of its to an on of D to a By of to So of is of is a of is of to of to be of of on to of on is of is is of of on of of on of D 录 摘 要 . I . 绪论 题背景 .(1) 内外研究现状 .(2) 究内容与组织结构 .(5) 2 模技术与工具 模基本概念 .(7) 模算法分类 .(8) 模算法流程 .(16) 模工具分类 .(16) 章小结 .(18) 3 基于柱面投影的 模系统 统总体架构 .(19) 部模型的构造与导入 .(20) 面投影与消隐 .(22) 点坐标的计算 .(28) 化投影与消隐 .(29) 章小结 .(33) 统实现及性能测试 统测试平台 .(34) 统的实现 .(35) 统性能测试 .(41) 章小结 .(49) 5 总结与展望 文主要工作 .(50) 一步研究方向 .(51) 致 谢 .(52) 参考文献 .(53) 附 录 攻读学位期间发表论文目录 .(57) 11 绪论 网络化三维（后文简称 模是虚拟现实领域里的一个重要问题。研究模技术，设计高效的建模算法，对补充实体信息和提升用户体验大有裨益，对拓宽网络多媒体技术与应用也有很好的理论 和实际意义。本章首先介绍了课题的研究背景，然后分析了相关的国内外研究现状 ，最后对本文所研究的内容和文章的组织结构进行了说明。 题背景 自 20 世纪 70 年代以来， 3D 建模技术已经成为计算机图形图像学领域的重要研究方向之一。作为其在 的扩展， 模技术也并非一个新话题，其早已进入了应用领域。在城市宣传、地产广告、企 业产品展示、在线博物馆以及虚拟旅游等方面都可以找到 模技术的应用实例，而其中最为主要的就是电子商务和 3D 游戏。 模技术本质上可以理解为一种互联网地图技术，它已经从展示的阶段走到了交互的阶段。不可忽视的事实是 出现已经在世界范围刮起了虚拟现实的风暴。不同于传统的图形工作站 ，它能利用互联网丰富的在线资源，以信息、图文、音频、视频等方式对模型进行全方位的展示。对 模技术的研究也跟随上个世纪 90 年代互联网的脚步而蓬勃发展。一个优秀的三维建模场景能够使得用户有身临其境的感觉，它不仅仅提供 场景内实物模型的外形信息，而且带来了场景的交互性，使得用户能够从多方面理 解模型，从而更生动的对场景进行漫游。三维场景应该带给用户 3I 特性：交互性（ 、沉浸性（ 及想象性（ 。因此，为了满足人们对页面中虚拟场景的形体效果、交互的灵活度、信息的完善程度越来越高的要求。 本课题衍生于虚拟实验教学平台项目中的嵌入 式虚拟实验部分，属于将嵌入式前端二维场景系统向三位场景扩展的进阶研究 。该项目隶属于国家科技支撑计划，旨在实现嵌入式实验过程的仿真：在网络虚拟 实验环境场景中，学生进行在线的嵌入式实验，获得与真实实验无差异的结果。将 实验的场景系统从二维扩展为三维能够让实验者获得更好的实验体验，同时对 术的应用研究也有推动意义。由于嵌入式实验依托于整个虚拟实验调度平台且其实验板也比较复杂，因此 2模系统的技术方案不仅需要使得场景具有较高 的真实度，快速的交互响应速率，适应较高的场景复杂度，也必须同时遵守平台对于前端插件，通信标准的要求。 因此如何构建一种快速而高效的 模方法以搭建前端场景系统，并使其适合于当前的网络环境、嵌入式虚拟实验对于 真实度、场景复杂度和实时响应需求以及平台的技术要求是当前亟待解决的问题。 受制于当前网络带宽以及浏览器支持的因素， 模无法完全照搬图形工作站式的 3D 建模方式。鉴于基于图形的建模方法和基于图像的建模方法在 此本课题的研究目标就是 一种以外部建模和柱面投影为基础的结合型 模方法，并据此建立一个 模系统作为测试案例。 内外研究现状 网络三维虚拟化技术研究的重要性正在被越来越多的人所认识。 1989 年，北大西洋公约组织的支持下召开了第一个专门的 维可视化会议。 此后， 由于应用需求的推动和计算机性能的提高， 维可视化1逐渐成为研究热点。随着 术的发展， 新一代基于 3D 网络浏览器已基本成型并逐渐得到广泛的应用，网络 3D 具有适应性强、应用面广、现实性强、维护社会化和使用简单的特点，是 觉体验发展的必然趋势。实际上，自 20 世纪 70 年代以来，国内外的专家和学者为计算机 3D 建模领域做了许多工作， 其中不乏具有重大意义的研究成果，也藉此诞生了许多优秀的建模软件，例如 3等。研究的进一步深入使得 3D 建模算法大量涌现，百家争鸣。它们从完善前人的理论点出发，以不同角度对模型进行重新解析与构造，使虚拟 场景更加贴近于现实世界；这些都很好的推动了 3D 建模技术的发展。而面向网络应用的 模则是 3D 建模的进一步深化；因其特殊性，它的发展可以划分为建模算法的发展和建模工具的发展。 相比于建模工具而言， 加注重建模算法的优劣。从建模算法的角度上看： 模本质上是借助浏览器这一 媒介对现实世界进行模拟的方法2，是在数字空间中对物体形状，材质和运动等属性进 行数字化再现的过程。对建模算法研究的热点也集中于如何提炼出一套有效的理论 对物体进行较为全面的数学描述和结果输出。建模算法的发展历经了三个阶段，早 期的建模方法都是基于几何图形的建模算法3，而随着图像采集设备的发展，基于图像的建模方法4在 80 年代中期开始出现，进入 21 世纪后，随着高精度数字采集设备的出现，一种方法基于散乱点集的 3建模算法5进入了研究与应用领域。 当前大部分的建模算法都是基于这三种建模方法而展开的。 士于 1962 年发布了一个交互式绘图系统。该系统第一次使用了线框建模（ 作为三维构型的方法。线框建模法是二维图的直接延伸，它将点、直线和某些二次曲线等元素扩展到三维空间后 进行形体的刻画，支持模型的缩放。通过由于前者构型过于简单，没有面的概念， 无法辨别出形体的可见性。尽管线框建模法不能完全满足现实世界的构型，但是它 使得三维建模初露端倪。此后，美国的洛克希德马丁与麦道等公司在 80 年代初联合提出了替代型的曲面建模方法（ 。曲面建模法是一种通过对物体表面进行三维描述的一种方法，它通过离散点数据构造光滑的曲面。较之线框建模法， 其具有完整的数学架构和合理的建模方式，可用于建模拥有复杂曲面的形体，因而 被广泛的应用于各个领域并构成了计算机图形学的基础。 1983 年提出了轮廓建模法。这是最早的基于图像思想的建模方法， ，它将物体所在的三维空间离散为体素，通过正 向试探，剔除所有非相关体素，从而获得物体轮廓。 1993 年， 究发现用八叉树结构表示三维场景，能够从数据结构的层面上改善轮廓建模法的建模速度。 1994 年进一步研究提出的可视壳理论6解决了边界计算，完善了轮廓建模法。 2003 年， 轮廓建模法基础上创造了混合建模法7则成功的解决了建模速度与精度的矛盾。 虽然轮廓建模法是效率最高的基于图像建模法 之一，但轮廓建模法存在对建模精度低，缺乏纹理，对输入数据要求严格等问题，因此 人于 1997 年提出了体素颜色法， 2000 年提出了空间镂刻法8，他们创造了基于亮度的建模方法，即光场建模法，该方法的理论基础是图 像壳三维采样方法（也称之为基于图像的一致性重建法） 。该方法通过分析实体在多个视角下图像亮度特征的数学关系，得到实体的三维模型。亮度建模法的缺陷9在于无法计算具有反射性质的材质的模型。 结合了轮廓建模法的思想10将需要搜索的一致性图像空间从三维降到一维，提高了算法效率。然而亮度建模法的缺 陷在于无法应用于一些具有高光、反射性材质的模型上，而且该算法计算复杂度较高，无法满足实时性的要求。 1991 年首次提出了一种基于因式分解的运动建模方法。 这种方法后由人于次年加以完善；它实现了一种射影层次的重建11，对重构化的特征点进行反复的插值和网格化，随着 循环重构的次数上升，重建后的模型 4也就越逼近于实体模型。然而图像中包含的特 征信息点往往很少，因此运动建模法建模精度不高。运动建模法因其效率高，几何 外形建模准确的特点，在形体感知，物体碰撞检测方面应用广泛。 2于 2000 年首次提出了基于特征点集的运动建模法。该方法通过在两幅或两幅以上的未定标 图像中检测匹配的特征点集，恢复物体的三维模型。除此之外， 基于粘性约束的建模法， 究提出的基于纹理的建模法， 动态规划改良项变焦建模法，以 灭点求取相机参数法13为代表的基于交互的建模法都在不同 层面上对基于图像的建模方法进行了改进。尤其是 人在 2009 年14提出了一种共焦立体视觉法，成功的解决了高复杂物体的建模重构问题。 为了完善实体除自有属性外的非几何信息，美国参数技术公司于 1988 年提出了基于特征和参数的几何建模方法。该方法在制造业取得了极大的成功，但在 人在对基于散乱点集的任意拓扑曲面重构进行研究后提出了通过构造零等值面进行模型构建的算法。 1994 年 出了 改进型的法15，它通过删除模型四面体凸包的半径大于 a 的包围球、三角形或者四面体来进行表面的重建。 但上述方法都无法保证取样的有效性和简约性， 因此 的方法，它依据采样密度和重构原始曲面的关系过滤出 21 世纪后，为了提升设计效率， 司于 2008 年提出了一种崭新的同步建模技术，相较于以往的几何建 模方法，它能够大幅度的缩短建模周期，被看好为未来最有潜力的建模方法。但是它的劣势在于修改不易。 尽管国内对于几何建模的研究起步较晚，但也 有一些成果问世，例如闵卫东、唐泽圣16等人提出的有限元网格划分理论；孙玉文17的密集散乱数据的三角形网格曲面逼近法；关振群18等人利用几何建模技术研发的有限元建模系统等。 由于国内对于 3D 建模的研究主要集中在如何将建模方法应用到实际环境中， 例如地质挖掘、机械制造方面；因此对于理论的 研究相对较为匮乏，但也取得了一些成果。在建模表示和建模方法方面，陈军于 1998 年提出了基于单纯形体剖分的拓扑空间数据模型；李青元在 1999 年分析了单一划分下的三维矢量结构；刘钢等人分析了广义的基于图像的建模技术，提出了一种新的可视壳理论；周骥博士在其 2003 年的论文中提出了基于立体图像的建模上做了特 征点匹配和特征图匹配方面的改进； 5刘培裙博士19于同年提出了基于图像序列的模型重建技术。 在散乱点集建模新技术的研究上， 2000 年，浙江大学的王青等人提出了一种局部拓扑重建算法20，它将所有模型的三角构型逐一 求出法向量，再将其一致化。而李立新博士则在 2001 年给出了一种基于曲面局平特性的散乱点集曲面重建方法。柯映林21在 2003 年提出了基于二维 邻的空间散乱数据曲面重建算法。 综上所述，近几十年来，国内外研究人员在 3D 建模领域做出了相当多的研究，其中的算法各有优缺点，也有不同的适用场合。随着计算机硬件及网络技术的发展，人们对虚拟环境的精确性、交互性以及画质效 果的要求越来越高，因此有必要在对模算法进行更加深入的研究和探讨的基础上提出一种更加在当前硬件条件以及网络带宽的环境下具有适应性和高效性的建模算法。 究内容与组织结构 本文致力于研究 模系统，总结了国内外学者关于 3D 建模算法的研究工作，并给出了一种基于柱面投影的建模算法 ，同时把一种利用历史投影信息和结果数据的优化步骤引入到建模系统的交互计算 阶段中，从而降低了需要进行柱面投影和消隐的模型数量，降低了算法的执行时间 ，提高了建模速度，尤其是交互阶段的响应速度。本文主要的研究内容如下： （ 1）对 模理论进行深入探讨，介绍了国内外具有代表性的 3D 建模算法及其优劣，分析了 3D 建模的基本概念、以及亟待解决的问题。 （ 2）对 模工具进行介绍与探讨，并最终选择 为 模算法的实现工具。 （ 3）提出了一种基于柱面投影的 模策略。策略吸收了基于几何图形建模和基于图像建模算法的优点，通过将外联 的三维模型转化为柱面投影图像，减少了引擎渲染的三角形数量，提高了渲染效率 。此外，优化算法还进一步的利用了历史投影信息，减少了交互过程中需要重新进 行渲染处理的模型数量，充分利用了源，提高了交互时的响应速度，降低 了对硬件图形加速功能和网络带宽的要求。 （ 4）实现了一个 拟场景漫游系统，该系统支持内部引擎建模与外部建模两种方式，支持键盘与鼠标交互。最后，以此为基础对基于柱面投影的 同 接建模和非剔除柱面投影建模进行充 6分的对比和分析。 本文的组织结构如下： 第一章是绪论部分，首先介绍了课题的研究背 景，然后对当前国内外研究现状及存在问题进行了详细地论述，最后阐述课题的主要研究内容和论文组织结构。 第二章介绍了 模的相关技术和相关工具，包括 模的基本理论、 模算法的一般流程，通用性较好的建模工具。本章重点论述了基于几何图形建模的方法和基于图像建模的方法，并简单的介绍了其他的建模方法思路。 第三章详细地给出了混合建模的难点，并据此引出基于柱面投影的 模系统的设计思路和算法模型，结合基于图形建 模和基于图像建模算法的优点，将柱面投影引入场景建模中，同时通过一种有效的 优化策略，利用历史数据，减少投影过程需要处理的模型数量，从而提高了场景建模与渲染效率。 第四章是系统实现及测试部分，介绍了算法实现的平台、算法在平台中的应用、算法性能测试以及结果分析。 分别构建两组虚拟漫游场景， 对基于柱面投影的 后，将其同 接建模法、非剔除柱面投影建模法构建的系统进行了比较和分析，同时与现有的基于 网络实景系统和基于 交互系统进行了横向的对比。 第五章是全文的总结部分，阐述本论文的主要 工作，并在其基础上对下一步的工作提出展望。 72 模技术与工具 目前，互联网的发展以及互联网技术的进步使 得人们逐渐接触到以三维场景布置的页面。尤其是在电子商务和房地产方面， 通过三维布景能够更好的让用户对产品有个清晰的认识。因而 模将是应用领域和学术领域不可规避的问题。为了提出一个效率更好，适应性更高的 模与渲染算法，本章首先介绍了模的基本概念； 然后， 对 模算法及相关的建模工具做了详细介绍；最后，归纳总结了 模的一般框架。 模基本概念 从其本质上讲， 模是在数字空间中对物体形状、材质、运动等属性进行数字化并在浏览器端再现的过程。建模师将 形体和场景的轮廓和骨架搭建起来，制作生动的动画或者特效。通常， 模也被称为虚拟现实建模22，它作为最重要的虚拟现实技术之一，通过互联网将 3D 形体传递到客户端，为用户漫游场景提供可能。国际 盟对 模做了如是描述： 模混合了人对时间与空间的直观感觉，它的实现依赖于用户的 外在感觉交互以及整合型的基于适应于互联网应用的新技术之上的编程语言。 互联网从简单的命令行发展到 2D 再到今天的 3D 时代，反映了以面向用户体验为中心的持续的， 基础的进步过程。也就是说模是面向于更具有沉浸性和交互性的多媒体体验。依据建模的对象顺序划分， 模包括两个阶段：第一阶段是场景内所有实体的建模，该阶段对物体自有的几何特征进行刻画；第二阶段是实体模 型在场景中的布置，其他隐式元素，例如光照、风向等的注入，场景渲染，该阶段 对实体间的几何关系特征，纹理特征等与其他实体相关联的特征进行刻画。从 模的定义可以看出， 模的目的是为了拓展医学、地理等领域的研究手 段，丰富用户的互联网体验。不难得出一个结论： 模就是为了使用户在虚拟场景中的时间与空间体验与处于真实环境中尽量保持一致。 一个设计优秀的三维建模算法一般 使场景具有三个关键指标23，即良好的交互性、 沉浸性和想象性。 交互性是指用户在浏览器中与场景交互的能力。 套用 主张，交互性可以被划分为四个层次：观看、浏览、使用和控 8制。观看仅仅是场景的一面进行展现，完全无 互动性可言；浏览意为用户可以自由的切换视点，看到自己想要看到的物体；使用 是指用户能够从模型上获得想要的信息；而控制则是用户能够自由的选择物体，赋予物体以含义，并控制整个交互过程，在该层次，场景已经具备反馈型交互性的特征了。一般而言， 景至少要能达到浏览这一层次。沉浸性是指用户对虚拟世 界中的真实感，这种真实感将使用户难以察觉、分辨出其自身正处于一个由计算机 生成的虚拟环境中。由于现有资源的限制， 景保证优秀的沉浸性很困难，因此许多建模算法的设计目的都是使场景尽量逼近良好的沉浸性。想象性是指用户 能够依据场景带给自身的体验通过三维想象获得场景的整体感觉，转换为感性和理 性的认识，并通过这种认识解决实际的问题。想象性没有一般的考量标准，其视用 户不同而有差异。但一般意义上的想象性应当保证场景应是正确的，符合实际情况 的。实质上，交互性、沉浸性和想象性就是衡量后一个三维场景能否带给用户清晰的画面和流畅的交互的一个直接要义。 模算法分类 从上个世纪八十年代开始，就涌现了许多种类 的建模算法，国内外研究人员也在 3D 建模领域做了相当多有意义的工作。 围绕建模的原始对象， 建模方法亦有不同。但建模算法一般不仅仅要求建模的对象在外观 上与客观实体保持一致，而且要求在光照、质感、形态、行为上尽量逼真。总体趋 势上，算法正朝着高精度，大规模，适用范围更广的方向发展。依据建模所采用的 实现形式和技术手段，建模方法可以分为测量建模、半模拟建模和模拟建模。但是 这种分类的依据在于是否有足够的物质条件对实体进行测绘。因此当前的建模算法仍然集中在图形建模和图像建模领域。 对于图形建模方式，算法一般依据形体不同方 面的几何数据，在场景中对形体进行恢复，该类算法的特点在于形体的准确度 高，能带给用户最为逼真的效果和准确的特征体验；而对于图像建模方式，算法一 般是依据单一或者连续的图像，并借助一定的三维化方法从整体上对场景进行恢复 ，该类算法的特点处理数据少，效率高。因此将着重介绍基于图形的建模算法和基 于图像的建模算法，并列举它们的优势与劣势。 因此图 出了更一般的建模算法的分类方法。 该分类方法划分依据是对于建模所需原始数据的要求和对模型数据处理方法。 9模算法分类 几何建模划分 按几何建模方法划分， 3D 建模算法主要可以分为几何静态建模算法、几何动态建模算法和几何特征建模算法。 （ 1）几何静态建模算法 对实体进行几何形体建模是构建高质量画面场 景的必要条件。它通常用来搭建实体的几何属性的抽象模型。几何静态建模算法的一般步骤为：利用一些 3D 建模软件搭建三维几何模型（通常使用多边形表示法） ，确定视点及视点方向，对场景进行消隐、光照及投影等处理，最后生成整个场景 。几何对象的静态模型描述了虚拟对象的形状及其外观表现（颜色、纹理、表面反射系数等） 。 较为常用的几何静态建模算法有线框法、边界法。 线框法：该方法通过约束线来建立一系列的解 释图形，以表达三维实体的边界和轮廓。算法关键在于形成实体边界的多边形 集合；方法是用直线将相邻的采样点和特征点相连接，将集合内的多边形拼接为网 格来模拟实体的边界。这种表示方法的数据量小，数据结构很简单，其对形体仿真 的逼近能力都通过线所能表示的复杂程度。该方法的缺点是模型不准确，很难高效 的显示，不能唯一的定义场景空间和实体几何特征， 且无法刻画复杂的形体。 线框法对一个简单模型的表示如图 示。10用以构成点表，而 e1表和边表就描述了一个几何图形的线框模型。 1V 22框法对模型的表示图 边界法：用顶点表、边表、环表、面表、 体表五种层次来表示形体。该方法24将场景的几何信息和拓扑信息分开计算，详细 记录形体间的联系，能细致的刻画实体表面细节，并唯一的定义三维实体。但该方 法的缺点在于无法有效的描述不规则 11形体。边界法对一个四棱锥的描述如图 示。四棱锥由边界法自上而下的层次结构解释为由表面 2表示，而表面又可以用边 e1,示，边又由点 2表示，点则由坐标在空间中定位。 5F 3V 3 ,)x 22(, ,)x 33(, ,)x e 3e 4界法对四棱锥模型的描述图 （ 2）几何动态建模算法 几何动态建模重点关注实体的动态特性：位置 、形变、抓取、碰撞、缩放以及表面扭曲等。几何动态建模算法一般需要在场 景内建立两种结构：位置结构和层次结构。位置结构是指通过平移、旋转、比例缩 放等几何变换手段进行实体位置的刻画，而层次结构是指将物体定义为一组既可以 作为整体运动，又可以作为独立运动对象的独立模型。较“高层次”的物体称之为 父物体，较“低层次”的物体称之为子物体，通过计算父物体与子物体之间的位置关系，从而构建场景的层次结构。 较为常用的几何动态建模算法有八叉树法、空间位置枚举法。 八叉树法：它将三维场景划分为八个象限25，同时构造一棵八叉树，树的每个节点存储八个数据元素。如果象限中均放置为 均匀质体时，就将类型值存入相应节点的数据元素中，并使相应元素指向树中下一 个兄弟节点，反复迭代直至所有象限均放置为均匀质体。该方法实质上是一个将非 均匀质体空间无限细分的递归过程。优点在于适合计算机表达，存储便捷，对几何 属性计算效率高，方便显示；但缺陷在于场景边界不能被准确表示，难以进行几何变换。如图 示，八叉树法迭代的将三维空间中的第一象限划分为八个部分。在八个部分中检索模型是否为均质。 图 叉树法对三维空间的第一象限进行剖分的三视图 12空间位置枚举法：该方法与八叉树法的思想较 为类似，都是采用“分治”的思想，但不同的是空间位置枚举法将场景分割为形状相似、大小相同的单元，单元“平铺”在空间网格中26，依据实体所在单元的位置以及个数来判断实体的形状和大小。从而依据这种特殊的空间索引结构来对场景进 行建模。该方法的优势在于明确的表示了几何形体间的拓扑关系，方便消隐计算的进行；但缺点在于它的描述精度不高，难以对实体施加旋转等交互操作。 （ 3）几何特征建模算法 实体的外在表现除却静态特征外，还包括动态 特征和行为特征。因此三维建模算法在外观建模的层次之上，应当对形体的动 态特征和行为特征进行建模，以达到外观和行为的双重逼真感。几何对象特征 建模算法就是基于这样一种构思27，通过对几何对象特征的关注进行建模，不仅表示几何特征，还反映虚拟物体的物理特性。特征建模包含交互式特征定义、特征识别和特 征设计三个阶段。在特征定义阶段，设计者拾取图形，并定义特征所需要的几何要 素及参数；在特征识别阶段，首先进行几何设计，然后在建立的几何模型上，通过 人工控制或者智能识别算法进行实体特征的搜索和匹配；该阶段需要建立一种 数据结构，该结构以实体建模中的 盖特征类型、序号、尺寸等信息 ，通常它表示为两个层次：一是低层次中的点 面 构，另一种是高层次的特征信息组成的结构。依据前一阶段采集的数据，在特征设计阶段建 立实体的特征模型，从而对实体进行建模。 目前见于应用领域的多为基于形状特征的建模 法。基于形状特征建模法基于以下理论28：物体的形状特征可以视为形体满足一定 几何拓扑关系或者特定构造手段所形成的局部形状。这种特征通过定形参数和 定位参数来定义，这两种参数都包含了特定的约束关系和语义解释。用于存储形体信息的数据结构由几何描述、特征名、特征定位信息、特征尺寸、特征关系和关联个数组成。它的优势在于含有语义信息，场景建模简单快捷，但缺点在于不能唯一定义实体，存储信息量大。 图像建模划分 基于图像的场景建模技术是目前最为常用的建 模技术之一。因其对建模元素源数据的要求不高，故能够降低场景建模的成本 ，并且它与场景的复杂程度无关。它对真实场景的逼近程度取决于图像的精度和建 模算法的优劣。因此可以说基于图像 13的建模渲染技术是一种廉价的建模方案，适合于 用。按照建模元素进行分类，基于图像的建模方法可以分为基于点的重建方 法、基于体素的重建方法和从图像提取表面细节的方法。 （ 1）基于点的重建方法 基于点的重建方法分为三种：双图像建模、从 运动中恢复结构、从明暗变化中恢复形状以及光度测量 立体视觉。双图像建模29基于这样的理论：如果实体上的某一个点出现在两幅不同的图像上，那么则称这 个像点位置的偏差为视差。它的大小与物体到视点的距离成反比。因此，由两幅图 像及其点的对应关系，就可以依据空间中的三角形求出点的三维坐标，以此形成构 建三维场景。从运动中恢复结构克服了双图像建模中存在遮挡无法计算的问题，它 通过拍摄连续的图像序列，并依据其中像素点的运动情况来重建场景。从明暗变化 中恢复形状是一个研究实体表面明暗变化以恢复形状的过程，是光照渲染的一个反 向过程。只要扫描图像中的光亮点，就可以唯一的求解到物体表面法向量的一簇解 ，因此可以确定所有的实体面并完成场景建模。光度测量立体视觉通过 3 幅图像的光线变化约束（相邻两幅图像相差一个约束因子）就可以唯一的确定实体，也即场 景就由此确定。光度测量立体视觉法刻画的形体更加的可靠。 比较典型的基于点的重建方法有亮度法和明暗法。 亮度法：该方法通过分析实体在多个视角下图 像中亮度特征的一致性关系，从而恢复实体在真实场景中应当具有的表面深度 信息，并藉此计算得到实体的三维模型。亮度法需要选择合适的一致性算子，基于 适用性和排除光亮的影响，算子一般采用误差平方和或者归一化互相关等区域相关 算子。由于亮度信息是图像中所包含信息量最大，最为全面的数据，通过计算在连 续图像间的匹配性，准确地获得每个点的表面深度值。因此亮度法具有较高的建模 精度。然而由于亮度法过于依赖图像内的光照信息，这使得对光照产生影响的具有 反射或高亮材质的物体无法通过该方法来建模，因此它有一定的局限性。 明暗法：该方法利用反射模型30，并分析连续图像中的 明暗信息，获得物体表面的法向量，从而进一步获得物体和场景的三 维模型。明暗法的核心是一个非线性偏微方程明暗度方程（该方程用于表达像 素明暗度与对应三维点的法向量、反射性以及光照方向之间的关系） 。求解该方程即可获得物体表面法向量。而多幅图像则可以增加该方程的约束条件，使得结果更加 准确。图像数据越多，明暗法建模精 14度就越高，这是明暗法的优势所在，这也恰好 弥补了亮度法的局限性劣势；但明暗法对采集精度，场景内的光照条件要求较高，因此在应用中并不多见。 （ 2）基于体素的重建方法 基于点的重建方法困难在于特征提取和匹配。 为了克服这一问题，目前基于图像的建模普遍采用的是基于体素的重建方法。 它的建模思想很简单，依据不同视角下所拍摄的图像，将场景离散化为体模型。依 次选择体素，并判断体素是否属于物体及其颜色，并依次重建物体外观及场景的建 模。算法的精度取决于镜头的定标误差和体素的大小。常用的体素有长方体、球、圆柱、圆锥、圆环和楔子等。 基于体素的重建方法主要有轮廓法和空间镂刻法。 轮廓法：通过分析物体在多视角下图像的的形 体轮廓线，以获得物体的三维模型，从而构建整个场景。使用多边形来逼近轮 廓图像的侧影轮廓线可以明显的加快轮廓线求交集的过程，提高勾勒模型的效率， 并且能够减小图形锯齿的产生。轮廓法的优势在于建模速度快，鲁棒性高，且由于 图像中的形体普遍具有比较清晰的轮廓，因此适用范围广。但是轮廓法的劣势也正 是由于仅仅勾勒形体外轮廓导致实体的纹理，阴影等非几何信息的丢失，且由于算法本身的局限性，形体的内部的空洞、凹陷也无法表达。如图 示，一个缺角正方体三从个不同的视点观察， ，所拍摄图像中，看到的轮廓线是不一致的，因此依据 不同视角下的连续图像就可以将模型还原，并进一步还原整个场景。 图 轮廓法重建模型原理图 空间镂刻法：这是由 人提出的一种改进型体素着色法。以不同视角采集 N 幅图像，并将其构造为照片一致的场景模型；这里的