三维建模技术及实现方法对比研究_百度文库

1、第32卷 第16期2010年8月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVo l. 32 N o. 16 Aug. 2010DOI:10. 3963/j. issn. 1671 4431. 2010. 16. 007三维建模技术及实现方法对比研究毕硕本, 张国建, 侯荣涛, 梁静涛(南京信息工程大学计算机与软件学院, 南京210044摘 要: 基于三维建模技术丰富的内涵展开论述, 详细探讨了三维空间模型及其构模方法, 并对比分析了目前常用的10种三维构模方法(或建模技术 的优缺点及适用场合。然后通过对基于OpenGL 、D

2、irectX 、Jav a3D 和IDL 4种三维建模实现方法性能的比较, 论证了三维应用中采用基于OpenGL 的三维建模技术具有很大的优越性和适用性, 并进一步分析了目前常用的2种典型的基于O penGL 的三维编程方法的优劣。关键词: 三维建模技术; 三维空间模型; 三维构模方法; O penGL 中图分类号: T P 391. 41文献标识码: A文章编号:1671 4431(2010 16 0026 05Comparing Research on 3D Modeling Technology &Its Implement MethodsBI Shuo ben, Z H ANG

3、 Guo j ian, H OU Rong tao , L IANG Jing tao(School of Computer &Software, Nanjing U niv ersity of Information Science &T echnology, Nanjing 210044, ChinaAbstract: Based on the rich conno tations of 3D M odeling T echnolog y, this paper discusses 3D spatial models and their modeling methods i

4、n details. And aimed at the ten kinds of widely used 3D mo deling methods or modeling echniques, this paper car ries on a contrast analysis of their advantages and disadvantag es and also their applicable occasions. T hen, according to the com parison of the four kinds of 3D modeling implementation

5、methods, w hich are respect ively on the basis of OpenG L, DirectX, Ja va3D, and IDL, the paper demo nstr ates that the 3D modeling technology based on OpenGL has g reat super iority and applicabil ity in 3D application, and makes analysis of the merits and demerits of the two typical commonly used

6、3D prog ramming meth ods.Key words: 3D modeling technolog y; 3D spatial model; 3D modeling met hods; OpenGL收稿日期:2010 04 23.基金项目:江苏省教育厅青蓝工程项目(0702 和江苏省人事厅 六大人才高峰 高层次人才培养对象资助项目(20080249. :( , , E mail:1 三维建模技术为了能够在计算机环境下更逼真地模拟现实世界的人和物及其运动形态, 必须在三维空间系统中利用已有的三维建模技术, 精确地描绘这些事物以实现三维物体的真实再现, 进而为用户创造一个身临其境、

7、形象逼真的环境。对现实世界的事物进行建模和模拟, 就是根据研究的目标和重点, 在三维空间中对其形状、色彩、材质、光照、运动等属性进行研究, 以达到3D 再现的过程。因而, 对三维实体的图形图像处理及其模型建模研究显得尤为必要。三维建模技术的核心是根据研究对象的三维空间信息构造其立体模型尤其是几何模型, 并利用相关建模软件或编程语言生成该模型的图形显示, 然后对其进行各种操作和处理。为得到研究对象的三维空间信息, 采用适当的算法, 并通过计算机程序建立三维空间特征点(或某一空间域的所有点 的空间位置与二维图像对应点的坐标间的定量关系1, 最后确定出研究对象表面任意点的坐标值。研究人员根据获得的三

8、维物体的形状、尺寸、坐标等几何属性信息进行构模操作, 构造研究对象的三维几何模型。目前, 物体的三维几何模型就其复杂度来说分为3类:线模型、面模型、体模型。对三维建模技术的研究基本上都是针对三维面元模型和体元模型来展开的。1. 1 三维空间构模方法近年来, 国内外许多专家学者对三维空间对象模型及构模方法进行了研究, 归纳起来为以下10种单一构模方法应用最为普遍。1 边界表示法 物体的边界是物体内外部点的分界面, 一般用体表、面表、环表、边表和顶点表5层描述。该方法强调物体表面的细节, 详细记录构成物体形体的所有几何元素的几何信息及其相互间的联接关系即拓扑信息, 几何信息与拓扑信息分开存储, 完

9、整清晰, 并能唯一定义物体的三维模型。但缺点是对于不规则三维物体的描述不太方便。主要适用于三维空间操作和分析。2 实体几何构造法 一种由简单的、形状规则的几何形体(称为体素 通过正则布尔运算来构造复杂三维实体的表示方法。基本几何体素经过平移、旋转、缩放某种(或组合 变换后, 使其从基本状态变换到组合的状态, 然后通过正则布尔集合运算建立中间体, 进而把中间体看作基本体素, 进行更高层次的组合。优点是简单, 适合对复杂目标采用 分治 算法; 无冗余的几何信息, 记录了构成几何实体的原始特征和定义参数; 还可以在实体和体素上附加属性。缺点是不具备实体的拓扑信息; 表示不具有唯一性。3 线框表示法

10、一种利用约束线来建立一系列解释图形以表达三维实体边界和轮廓的方法。实质是把目标空间轮廓上两两相邻的采样点或特征点用直线连接起来, 形成一系列多边形; 然后拼接形成一个多边形网格来模拟三维实体边界。当采样点或特征点沿环型线分布时, 所形成的线框模型称之为相连切片模型。该方法数据结构比较简单, 数据存储量小; 表达能力取决于线表示所能允许的复杂程度。缺点是形体对象表示不唯一, 与此相关的是不能生成高效的显示, 不能计算物体的几何特征以及不能唯一定义空间。4 块体表示法 规则块体模型把建模空间分割成规则的三维网格, 称为Block(块段 。每个块体被看作为均质体, 在计算机中其存储地址与其在自然矿床

11、中的位置相对应, 可根据克里格法、距离加权平均法或其他方法确定其品位或岩性参数值2。为了用Block 模型描述不规则实体的几何形态和减少存储空间, 提出了许多建模技术, 如细分块段、可变尺寸块段、边界细分块段等, 逐渐形成了不规则块体模型。不规则块体模型不仅能较好地模拟研究对象的几何边界, 而且还可以描述品位或质量的细微变化。规则块体模型为了节省存储空间和运算时间, 可以在编制程序时采用隐含的定位技术, 但对于有边界约束的实体建模效果不是太有效。不规则块体模型则可以根据地层空间界面的实际变化来模拟, 从而提高了空间建模的精度, 有利于基于地质体的查询和分析, 但对基于体元的空间检索和查询不太方

12、便。5 空间位置枚举法 把物体所占据的整个三维空间分割成形状相似、大小相同的单元, 各单元在三维空间中以固定的规则网格连接起来, 互不叠压, 根据物体是否占据网格位置来定义物体的形状和大小。采用三维数组来存储每个单元的信息, 很容易建立几何体素的空间索引, 提高了空间搜索的速度和运算效率; 三维数组可明确地体现几何单元间的拓扑关系, 因而方便进行正则布尔运算等操作; 可清晰判读某一空间位置与物体的位置关系, 使得对CAD/CAM 系统中的干涉检查变得简单易行。其缺点是该方法通常不能单独使用, 而要作为中间体与其它表示法配合使用; 只能近似表达空间实体的信息, 描述精度不高; 难以对单个空间实体

13、进行旋转及坐标变换等操作。6 四面体格网表示法 基于对边界难以捉摸对象(如污染云等 的研究, Pilouk 等提出了采用不规则四面体网格(T etrahedron Netw ork, TEN 模型的建模技术3。以四面体作为基元, 是一个基于点的四面体网络的三维矢量数据模型, 它将任一三维空间对象剖分成一系列邻接但不交叉的不规则四面体, 是不规则三角网(T IN 向三维的扩展。四面体是面数最少的体元, 因而对其操作时计算量最小, 可以有效地进行三维插值计算和可视化, 四面体间的邻接关系还可以反映空间实体间的拓扑关系。但T EN 模型却不能描述三维连, 27第32卷 第16期 毕硕本, 张国建,

14、侯荣涛, 等:三维建模技术及实现方法对比研究7 八叉树表示法 将三维空间区域分为8个象限, 且在树上的每个节点处存储8个数据元素。当象限中所有体元都为均质体时, 该类型值存入相应的节点数据元素中; 然后再对非均质象限进行象限细分, 并由该节点中的相应数据元素指向树中的下一个节点, 如此循环直至每个节点所代表的区域都为均质体为止。该方法是一种递归的分割过程, 数据结构简单划一, 适合计算机表达, 检索速度快, 存储便捷; 对布尔操作和几何特征的计算效率很高, 且便于显示。其缺点是不能精确表达三维空间实体的边界; 占用的存储空间较大, 几何变换难于进行。在医学和机械学等领域应用广泛, 但在矿床地质

15、建模中有很大的局限性, 包括难于表达多种地质属性, 模型更新不便, 难于表达地质对象之间的关系等。8 三棱柱构模法 一种较常使用的简单三维地学空间建模技术2。三棱柱模型几何精度较高, 可视化方便, 可以便捷地描述其拓扑关系。但由于受钻孔须垂直或平行的限制, 模型的适应能力较弱。针对该模型的局限性, 吴立新等提出了一种不受三棱柱棱边平行限制的新的三维建模方法, 称为类三棱柱建模技术4, 5, 后发展为广义三棱柱(Generalized Tri Prism, GTP 建模技术6。建模原理为:用GTP 的上下底面的三角形集合所组成的T IN 面来表达不同的地层面, 然后利用GT P 侧面的空间四边形

16、面来描述层面间的空间邻接关系, 用GTP 柱体来表达层与层之间的内部实体。广义三棱柱模型拓扑关系描述完善, 可以描述任意复杂的地质体, 数据精度得以保证; 每个体元内可以有多重属性, 实体查询分析方便, 便于进行地上下集成建模。但其可视化速度较慢, 设计较复杂。表1 三维空间模型及构模方法比较分类构模方法优点缺点适用场合基于面元模型边界表示法精确, 数据量小; 几何信息与拓扑信息分开存储, 完整清晰难以描述不规则三维物体及复杂地质体简单形体、层状地质体线框表示法数据结构简单, 数据存储量小, 便于修改形体对象的表示不唯一; 难以计算物体的几何特征工程地质、地下工程小平面表示法通用性好; 图形生

17、成速度快; 对于切层数据构造三维实体非常有效存储量不确定; 布尔运算及坐标运算复杂医学CT 图像重构扫描表示法三维实体二维图形化, 体现了 化整为零 的思想不能直接进行正则布尔运算; 难以处理非规则类三维物体CAD/CAM基于规则体元模型实体几何构造法方法简单, 处理方便; 适合对复杂目标采用 分治 算法; 无冗余的几何信息; 可以附加各种属性不具备实体面、环、边、点的拓扑信息; 实体的CSG 表示不唯一规则形体八叉树表示法结构简单, 检索速度快, 存储便捷; 布尔操作和几何特征计算效率高, 易显示难以精确表达三维实体的边界; 存储空间大医学、机械学、生物学空间位置枚举法空间搜索速度快, 运算

18、效率高; 易于描述空间拓扑关系近似表达空间实体的信息, 描述精度不高; 难以对单个实体进行操作规则形体/不规则形体规则块体构模法采用隐含定位技术, 节省存储空间和运算时间对有边界约束的实体建模效果不是太有效属性渐变的三维空间基于不规则体元模型四面体表示法计算量小, 可以进行三维插值计算和可视化; 可以反映空间实体间的拓扑关系难以描述三维连续曲面, 算法复杂; 存在大量的数据冗余矿体、水体、云体三棱柱构模法模型几何精度高, 可视化方便, 可以便捷地描述其拓扑关系钻孔须垂直或平行, 模型的适应能力较弱工程地质、城市地质广义三棱柱构模法拓扑关系描述完善; 每个体元内可以有多重属性, 实体查询分析方便

19、, 便于进行地上下集成建模可视化速度慢, 设计较复杂区域地质、城市地质、工程地质不规则块体构模法空间建模精度高, 有利于基于地质体的查询和分析对基于体元的空间检索和查询不太方便属性渐变的三维空间28 武 汉 理 工 大 学 学 报 2010年8 月9 小平面表示法 它是将物体的外表面分割成一系列微小的平面, 如三角面片等, 并通过记录该平面的特征属性来描述物体。分割得到的微小平面的形状和大小取决于被表达物体的形状特征和所选取的描述精度。小平面表示法既可以表达规则物体, 也可以描述不规则三维实体的属性, 适用于多种场合, 通用性好; 对于复杂曲面的三维实体, 不仅能产生很好的显示效果, 而且可以

20、获得十分逼真的形态, 图形生成速度较快; 对于切层数据构造三维实体非常有效。然而, 小平面表示法所需的存储空间与小平面数有关, 而小平面数又与三维实体表面的信息有关, 因而存储量具有很大的不确定性; 在曲面复杂、分辨率很高的场合, 存储量将非常大, 致使对物体的布尔运算和坐标变换的运算也变得很复杂。10 扫描表示法 它是由几何体中某一截面轮廓绕某一坐标轴线旋转或某一指定路径平移所形成的, 其运动过程中形成的截面轮廓的轨迹完整而唯一地定义了一个实体。这种方法将三维实体化为对二维图形的理解, 但生成的物体不能直接进行正则布尔运算, 也难以处理非规则类三维物体。1. 2 三维空间构模方法比较分析1

21、基于面元模型的空间构模方法 该方法侧重于对三维空间实体的表面描述(如地形表面、地质层面等 , 所模拟的表面可能是封闭的, 也可能是非封闭的。基于采样点的不规则三角网(T IN 模型和基于数据内插的格网(Grid 模型, 通常用于非封闭表面模型; 而边界表示(B Rep 模型和线框模型通常用于封闭表面或外部轮廓模拟。通过表面表示形成三维空间目标表示, 其优点是便于显示和数据更新, 但由于缺少三维几何描述和内部属性记录难以进行三维空间查询与分析。2 基于体元模型的空间构模方法 该方法侧重于对三维空间体的表示, 如水体、云体等, 通过对体的描述实现三维空间目标表示, 其优点是易于进行三维空间操作和查

22、询分析, 但存储空间大, 计算速度较慢。目前常用的体构模方法有三维栅格、实体几何构造(CSG 、四面体格网(TEN 、实体和块段构模等。3 基于面体混合模型的空间构模方法 该方法能够充分利用不同的单一模型在表示不同空间实体时所具有的优点, 能够实现对三维地质现象有效、完整的表达。但混合三维模型数据量大, 为保持一致性必须在两种方法之间不断进行转换, 并且不同模型之间的转换有时只能是近似的, 甚至是不成立的。基于以上分析, 对三维空间模型及构模方法的特点及其适用场合作一对比分析, 见表1。2 三维建模实现方法2. 1 OpenGL 与其他3种实现方法的比较OpenGL 是一个功能强大的、支持底层

23、绘制和造型能力的软件图形函数库, 适用于所有的主流操作系统平台, 有着广泛的硬件支持, 为程序员提供了一个图形硬件接口。DirectX 是一组应用程序接口(API , 每个API 控制一组底层函数, 负责访问硬件或者在没有相应的硬件的情况下对其进行模拟。使用硬件抽象层(HAL和硬件模拟层(HEL 2个驱动向硬件设备发送请求。在初始化时, 先检查硬件是否支持某种功能。如果硬件支持, HAL 就被用来控制这种硬件功能; 否则HEL 就会以软件形式模拟这种功能。Java3D 是Java 语言在三维图形领域的扩展, 它把OpenGL 和DirectX 这些底层技术封装在Jav a 接口中, 使得三维建

24、模技术可以加入到J2SE 、J2EE 的整套架构中, 可以生成简单或复杂的形体, 使形体具有颜色、透明效果、贴图等属性, 也可以在三维环境中生成灯光、背景、声音等, 使形体变形、移动和生成三维动画。IDL 交互式数据语言是集科学数据分析、可视化表达和跨平台应用开发等功能于一体的第4代可视化计算机语言。具有的面向矩阵的特性, 使其在分析超大规模数据、交互式处理二维和三维图形时成为数据分析和可视化的首选工具。OpenGL 与DirectX 、Java3D 和IDL 的性能比较如表2所示。基于OpenGL 的三维建模技术较其它建模技术在3D 应用方面有着很多的优越性, 表现为以下4点:1 三维物体建

25、模方便 OpenGL 中提供了一系列辅助函数, 可以用来绘制简单的三维图形。对于复杂的模型, OpenGL 则通过一定规则实体的合成来建模。合成的方法是OpenGL 建模的基本方法, 主要分为以下3种情形:(1 规则实体的合成:对于比较规则的实体, OpenGL 利用本身提供的简单几何体, 如柱体、锥体或球体等, 改变这些函数的参数来调节各个几何体的大小使它们之间组合得当。而对于一些不太规则的实体, 也可以通过三角形或多边形先合成一些简单体, 再进行组合搭配。(2 含曲面实体的合成:OpenGL 可以通过求值程序计算任意次数的Bezier 曲线、曲面, 也可以绘制NURBS 曲线、曲面。(3

26、三角形合成:三角形是29第32卷 第16期 毕硕本, 张国建, 侯荣涛, 等:三维建模技术及实现方法对比研究的建模环境 由于OpenGL 函数库中提供了大量的具备构造真实环境的功能函数, 如着色模式、光照函数、颜色函数、融合与透明、反走样与雾化、材质处理与纹理映射及深度检测等, 从而使得 创造 的3D 图形及其渲染具有高度的真实感。3 高效的动画显示与实时处理 OpenGL 通过双缓存技术完成连续动画的显示。其系统中提供了颜色缓存、深度缓存、累积缓存和模板缓存4种基于双缓存技术的动画操作函数, 简便了程序设计的算法, 极大地提高了画面动态显示的速度。4 程序的独立性、通用性与可移植性 Open

27、GL 的设计目标是作为一种流线型的、独立于硬件的软件接口, 可以在不同的硬件平台上实现, 也可以被集成到不同的标准视窗和操作系统中, 如DOS 、Window s95、Window s NT 、U NIX 等。基于OpenGL 的三维应用程序具有良好的独立性、通用性与可移植性。表2 OpenGL 与DirectX 、Java3D 和IDL 性能比较性能OpenG L Dir ectX Java3D IDL 开发者O penGL ARBM icrosoft Sun N ASA 多操作系统支持不支持支持支持严格的规范有无无无可扩展机制支持支持支持支持顶点混合不支持支持不支持不支持点尺寸/线宽属性支

28、持不支持不支持支持参数曲线和曲面支持不支持支持支持立体绘制支持不支持支持支持双面光照支持不支持支持支持体纹理支持不支持支持支持全屏反走样支持支持支持支持运动模糊支持支持支持支持场深度支持支持支持支持设备无关的深度缓存支持不支持不支持支持累积缓存支持不支持不支持不支持高速几何缓存显示列表顶点缓存顶点缓存顶点缓存接口程序调用COM程序调用程序调用2. 2 基于OpenGL 的编程方法比较综观已有的基于OpenGL 的编程方法, 可归纳为2类:一是使用标准C 语言调用OpenGL 函数实现; 二是VC 环境下基于MFC 和OpenGL 的编程实现。前者由于缺乏面向对象的绘图能力, 不符合当前流行的程

29、序设计思想; 而后者因VC 中MFC 包含了功能强大的基于Window s 的通用基础程序框架, 并提供了大量丰富的事件和窗口管理函数, 而成为了当前三维图形图像建模首选的工作开发平台。3 结 语三维建模技术是建立现实世界虚拟化三维场景模型的基础, 模型准确度的高低, 模拟场景的真实与否, 将直接关系到在真实世界中的应用前景。基于三维建模技术丰富的内涵, 详细论述了三维空间模型及其构模方法, 对目前常用的10种三维构模方法(或技术 的特点及适用场合进行了对比分析。并比较分析了基于OpenGL 、DirectX 、Java3D 和IDL 4种三维建模实现方法的性能, 论证了三维应用中采用基于Op

30、enGL 的三维建模技术具有非常好的优越性和适用性。最后进一步分析了目前常用的2种典型的基于OpenGL 的三维编程方法的优缺点, 为从事基于OpenGL 的三维建模及其可视化研究提供了理论依据。(下转第83页30 武 汉 理 工 大 学 学 报 2010年8月第 32 卷 第 16 期 顾韵华, 何燕秀: PK I/ P M I 安全模型及在数字版权交易平 台中的应用 83 一种信任传递关系, 可以防止一个人的属性被他人假冒使用, 为系统提供了强认证的过程。由于把属性信息 从身份信息中分离出来, 并且彼此又分别放置在各自的证书中, 这样发放过程变得合理而且有针对性。利用 属性证书进行权限管理

31、的方式使得权限管理具有通用性, 有利于权限的分布式应用。 在数字版权交易平台中, 该安全系统实现了多样的、 多安全等级技术方案。在 P KI 体系基础上, 可以按 照不同资源的安全要求, 提供多种身份认证方式, 如常见的 P in 码、 USB 智能卡、 卡、 IC 指纹和其他生物特征 等方式, 而实现多样认证方式功能均由安全系统完成。该安全系统实现了统一的安全应用接口。无论身份 注册与认证, 还是权限管理和访问控制服务, 均采用相同或相似技术架构, 面向应用系统提供简单、 易用、 统 一的应用和服务接口。 4 结 语 对于一个网络应用系统而言, 身份认证与权限管理是访问控制的主要内容, 是保护网络资源必要的手段 和措施。将 PKI 和 PM I 技术相结合, 实现了独立于应用系统的访问控制系统。将此种基于 PKI/ PM I 的系 统访问安全模型应用于数字版权交易平台, 实现了可信的身份认证和可信授权管理, 共同保证合法用户对资 源的正常访问, 尤其是可以限制用户对关键资源的访问, 防止非法用户的侵入或者因合法用户的不慎操作所 造成的破坏, 保证了资源访问控制系统的安全运行。 参考文献 1 2 3 4 5 6 裴 曹 浩, 张基温, 黄可望. 基于 PM I 的 Web Ser