虚拟现实技术中三维建模方法的分析与研究

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　　【摘要】虚拟建模是虚拟现实技术实现的基础。本文详细介绍了三维建模技术的内容,实现方法和一系列常用建模工具。并对各种实现方法进行了分析和比较,最后给出了一个应用实例.
　　【关键词】建模 虚拟现实技术 实现方法
　　【中图分类号】O343.2 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(b)-0162-02
　　
　　虚拟现实是近几年来信息技术迅速发展的产物, 是一种创建和体验虚拟世界的计算机系统。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,与建模技术紧密相关。因此,建模技术的研究具有非常重要的意义。
　　
　　1 三维建模技术的内容
　　虚拟现实中的建模经历了从几何建模、物理建模到行为建模的发展进程。几何建模是虚拟现实建模的基础,与物理建模和真正体现虚拟现实特征的行为建模三者结合起来,才可以实现虚拟现实“看起来真实、动起来真实”的特征,构造一个能够逼真地模拟现实世界的虚拟环境[1]。
　　1.1 几何建模
　　几何建模是开发虚拟现实系统过程中最基本、最重要的工作之一,是虚拟现实技术的基础。对象的几何建模是生成高质量视景图像的先决条件,它是用来描述对象内部固有的几何性质的抽象模型。所表达的内容包括:
　　(1)对象中基元的轮廓和形状,以及反映基元表面特点的属性,例如颜色。
　　(2)基元间的连接性,即基元结构或对象的拓扑特性。连接性的描述可以用矩阵、树、网络等。
　　(3)应用中要求的数值和说明信息。这些信息不一定是与几何形状有关的,例如基元的名称,基元的物理特性等。
　　1.2 物理建模
　　物理建模是虚拟现实系统中比较高层次的建模,即在建模时考虑对象的物理属性。包括定义对象的质量、重量、惯性、表面纹理、光滑或粗糙、硬度、形状、改变模式(橡皮带或塑料)等等。
　　分形技术和粒子系统就是典型的物理建模方法。分形技术在虚拟现实中一般仅用于静态远景的建模;在虚拟现实中粒子系统用于动态的、运动的物体建模,如常用于描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象。
　　1.3 运动建模
　　在虚拟环境中,仅仅建立静态的三维几何体还是不够的,物体的特性还涉及到位置改变、碰撞、捕获、缩放、表面变形等。碰撞检测是虚拟现实技术中的一项重要技术,它在运动建模中经常使用。例如虚拟环境中,人不能穿墙而入,否则便与现实生活相悖。碰撞检测需要计算两个物体的相对位置。如果对两个对象上的每一个点都做碰撞计算,就要花许多时间。因而,为了节省系统开销,常采用矩形边界检测的方法,但会牺牲一定的精确性。
　　1.4 行为建模
　　行为建模描述物体运动和行为特征,是虚拟现实的自主性特性的体现。虚拟现实的自主性特性,简单地说是指动态实体的活动、变化以及与周围环境和其它动态实体之间的动态关系,它们不受用户的输入控制(即用不与之交互)。例如战场仿真虚拟环境中,直升飞机螺旋桨的不停旋转;虚拟场景中的鸟在空中自由地飞翔,当人接近它们时,它们要飞远等行为。
　　
　　2 建模技术的实现方法
　　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,关心的核心是事物的三维建模。按使用方式的不同,现有的建模技术主要可以分为:几何模型、扫描设备、基于图像等几种方法。
　　2.1 基于几何模型的建模技术[2]
　　基于几何模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,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。它以计算机图形学为基础,首先对真实场景进行抽象,用多边形构造虚拟景观(包括地形、建筑、树木等)的三维几何模型,并建立虚拟环境中的光照和材质模型。然后进行纹理映射及控制参数设定,最后通过软件控制根据观察者的位置、光照、消隐信息,在输出设备上实时渲染绘制视景画面,从而完成对整个场景的漫游。图1是几何建模法的流程框图。
　　2.2 基于三维扫描设备[3]
　　随着科技的发展,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。
　　(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。
　　
　　
　　2.3 基于图像的建模技术[4]
　　基于图像的建模技术不依赖于三维几何建模,而是利用照相机采集的离散图象或摄象机采集的连续视频作为基础数据,经过图象处理生成真实的全景图象,然后通过合适的空间模型把多幅全景图象组织为虚拟实景空间,用户在这个空间中可以前进、后退、环视、仰视、俯视、近看、远看等操作,从而实现全方位观察三维场景的效果,多用于漫游系统。图2为图象法建模的流程框图。
　　上述各种建模方法在实际应用中各有利弊。基于几何模型的建模方法可以得到精确度比较高,比较细腻逼真的虚拟场景,而且便于用户与虚拟场景中虚拟对象的交互,但对复杂场景进行建模时太过繁琐,工作量大,费时费力,场景实时渲染绘制时对计算机软硬件要求比较高;基于图像的建模方法不需复杂建模,漫游效果及处理时间与场景内容的复杂度无关,对硬件的要求不及几何建模那么高,但缺乏交互性,当真实场景并不存在,或处于设计规划阶段时,它就无能为力了;基于三维扫描设备建模法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[2][4][5]。
　　
　　3 虚拟现实建模工具
　　对虚拟环境中的几何实体建模,根据实际情况选择一种实用性强的工具相当重要。所有的虚拟现实开发工具大致可分为三类:三维建模软件、实时仿真软件以及与前两者相关的函数库。现今,建立虚拟环境一般有如下工具方法:
　　(1)采用AutoCAD进行对象实体的三维建模,或用与AutoCAD类似的三维实体造型软件,如SolidWorksCorporation的SolidWorkS,ParametrieIne的Pro/Engineer,CATIACAD/CAM软件以及IntergraphCorporation的SolidEdge等。AutoCAD几何建模是直接利用图形几何元素,属于线框模型表示。现在该公司推出的MechanicalDesktoP(MDT),是采用结构模型进行实体建模,将立方体、圆柱体、圆锥体等作为基本体素配置在三维空间内,通过对基本体素的布尔操作(和、积、差、交、并)描述和表达复杂物体的三维形状信息。然后通过虚拟现实软件,如VisualizationToolkit(VTK),WorldTooKit等,把建模对象引入虚拟环境,再通过编程语言进行实体对象的交互编程。
　　(2)采用开放式三维图形标准OpenGL进行建模。OpenGL作为三维图形标准,它是用函数构造几何元素,属于表面模型表示。OpenGL是一种图形与硬件的接口,包括了100多个图形函数。开发者可以用这些函数来建立三维模型和进行三维实时交互。OpenGL提供的基本功能有:模型绘制、模型观察、坐标变换、颜色模式设定、位图和图像处理、融合和反发样、雾化效果、光照处理、效果增强、纹理映射、实时动画和交互技术等。OpenGL在虚拟现实建模领域应用广泛。
　　(3)采用虚拟现实建模语言VRML(VirtualRealityModelingLanguage)对对象进行建模。VRML是一种网络上使用的描述三维环境的场景描述语言。VRML语言是一种文件格式,它用于定义与更多信息相关的三维世界的布局和内容。由于其空间中都是些彼此间相互作用并能与用户响应的对象,所以它的空间广阔,本身还具有交互性。VRML是面向对象的语言,它支持多用户,可以与声音、视频、图像进行超文本连接。VRML使得信息能够在一个交互的三维空间中很容易地被表达出来[6][7]。
　　
　　4 建模技术应用实例
　　虚拟现实技术是一系列高新技术的汇集,包括计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能、多传感器技术以及高度并行的实时计算技术,还包括人的行为学研究等多项关键技术。目前,其应用已广泛涉及军事、教育培训、工程设计、商业、医学、影视、艺术、娱乐等众多领域并带来了巨大的经济效益。图3图4是采用基于图像建模的方法实现的煤矿巷道效果图。
　　
　　5 结语
　　虚拟场景的建立是虚拟现实系统的核心和基础。随着研究的深入,建模的实现方法得到进一步的完善和提高。例如采用基于模型和图像的混合建模技术就能将两者的优点集合于一体,在应用中扬长避短,既增加了场景真实感,又能保证实时性与交互性,提高用户的沉浸感。总的来说,虚拟现实中的建模技术正在向高精度、高鲁棒性、易用的方向发展。
　　
　　参考文献
　　[1] 杨克检等.虚拟现实中的建模方法[J].武汉工业大学学报.2001.23(6).47-50.
　　[2] 王汝传,张登银.虚拟现实中3D图形建模方法的研究[J].计算机辅助工程.2000.12(4).25-30
　　[3] DONALD HEARN,M.PAULINE BAKER.计算机图形学[M ].蔡士杰,孙正兴,等译.北京:电子工业出版社,1998.
　　[4] 李自力.虚拟现实中基于图形与图像的混合建模技术[J].中国图象图形学报.2001.6(1).96-100.
　　[5] 江加和,宋子善等.虚拟现实中基于图象的一维空间漫游方法[J].光学技术.2000.26(2)
　　[6] 黄铁军.VRML是什么?[J]中国图象图形学报,1998,3(3):165-169.
　　[7] WolfgangBroll、TanjaKooPO.VRML:Today and Tomorrow[J]ComPuter&GraPhics,1996,20(3):25-28.

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