實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的建模方法

1、實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的建模方法虛擬現(xiàn)實(shí)是在虛擬的數(shù)字空間中模擬真實(shí)世界中的事物，這就需要真實(shí)世界的事 物在數(shù)字空間中的表示，于是催生了虛擬現(xiàn)實(shí)中的建模技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)現(xiàn)實(shí) 虛 擬”得到底像不像，是與建模技術(shù)緊密相關(guān)的。因此，建模技術(shù)的研究具有非常 重要的意義，得到了國(guó)內(nèi)外研究人員的重視。數(shù)字空間中的信息主要有一維、二維、三維幾種形式。一維的信息主要指文 字，通過現(xiàn)有的鍵盤、輸入法等軟硬件。二維的信息主要指平面圖像，通過照相 機(jī)、掃描儀、PhotoShop等圖像采集與處理的軟硬件。對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)說， 事物的三維建模是更需要關(guān)心的核心，也是當(dāng)今的難點(diǎn)技術(shù)。按使用方式的不同， 現(xiàn)有的建模技術(shù)主要可以分為

2、：幾何造型、掃描設(shè)備、基于圖像等幾種方法?；趲缀卧煨偷慕＜夹g(shù)是由專業(yè)人員通過使用專業(yè)軟件（如AutoCAD3dsmax、Maya）等工具，通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與美術(shù)方面的知識(shí)，搭建出物 體的三維模型，有點(diǎn)類似畫家作畫。這種造型方式主要有三種：線框模型、表面模型與實(shí)體模型。1. 線框模型只有線”的概念，使用一些頂點(diǎn)和棱邊來(lái)表示物體。對(duì)于房屋、零件設(shè)計(jì)等更關(guān)注結(jié)構(gòu)信息，對(duì)顯示效果要求不高的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD應(yīng)用，線框模型以其簡(jiǎn)單、方便的優(yōu)勢(shì)得到較廣泛的應(yīng)用。AutoCAD軟件是一個(gè)較好的造型工具。但這種方法很難表示物體的外觀，應(yīng)用范圍受到限制。2. 表面模型相對(duì)于線框模型來(lái)說，引入了面”的

3、概念。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說，用戶僅限于 看”的層面，對(duì)于看得見的物體表面，是用戶關(guān)注的，而對(duì)于看不見 的物體內(nèi)部，則是用戶不關(guān)心的。因此，表面模型通過使用一些參數(shù)化的面片來(lái) 逼近真實(shí)物體的表面，就可以很好地表現(xiàn)出物體的外觀。 這種方式以其優(yōu)秀的視 覺效果被廣泛應(yīng)用于電影、游戲等行業(yè)中，也是我們平時(shí)接觸最多的。3dsmax、Maya等工具在這方面有較優(yōu)秀的表現(xiàn)。3. 實(shí)體模型相對(duì)于表面模型來(lái)說，又引入了體”的概念，在構(gòu)建了物體表面 的同時(shí)，深入到物體內(nèi)部，形成物體的 體模型”這種建模方法被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影 像、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化等專業(yè)應(yīng)用中。理論上說，對(duì)于任何應(yīng)用情況，只要有了方便的建模工具，有水平的建模

4、大 師都可以用幾何造型技術(shù)達(dá)到很好的效果。 然而，科技在發(fā)展，人們總希望機(jī)器 能夠幫助人干更多的事。于是，人們發(fā)明了一些專門用于建模的自動(dòng)工具設(shè)備， 被稱為三維掃描儀。它能夠自動(dòng)構(gòu)建出物體的三維模型， 并且精度非常之高，主 要應(yīng)用于專業(yè)場(chǎng)合，當(dāng)然其價(jià)格也非常 專業(yè)”一套三維掃描儀價(jià)格動(dòng)輒數(shù)十萬(wàn)， 并非普通用戶可以承受得起。三維掃描儀有接觸式與非接觸式之分。1. 接觸式三維掃描儀需要掃描儀接觸到被掃描物體。它主要使用壓電傳感 器，捕捉物體的表面信息，這種設(shè)備價(jià)格稍便宜，但使用不方便，已經(jīng)不是主流。2. 非接觸式三維掃描儀不需要接觸被掃描物體，就可捕捉到物體表面的三 維信息。根據(jù)使用傳感器的不同，

5、有超聲波、電磁、光學(xué)等多種不同類型。其中， 光學(xué)的方法有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、工作范圍大等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。激光 掃描儀、結(jié)構(gòu)光掃描儀技術(shù)是當(dāng)今較主流的方向，其掃描結(jié)果可以達(dá)到非常高的 精度。總的來(lái)說，三維掃描儀以其高精度的優(yōu)勢(shì)而得到應(yīng)用，但由于傳感器容易受到噪聲干擾，還需要進(jìn)行一些后期的專業(yè)處理，如 ：刪除散亂點(diǎn)、點(diǎn)云網(wǎng)格化、 模型補(bǔ)洞、模型簡(jiǎn)化等。專業(yè)的三維掃描儀雖然可以彌補(bǔ)幾何建模需要大量人工操作的麻煩，并且可以達(dá)到很高的建模精度，但其昂貴的設(shè)備費(fèi)用、專業(yè)的操作步驟，卻使得它無(wú)法 得到很好的推廣，并且，它只可以得到物體表面的幾何信息，對(duì)于表面紋理，仍 舊無(wú)法自動(dòng)獲得。針對(duì)這些問題，計(jì)算

6、機(jī)領(lǐng)域的專家們結(jié)合了最近發(fā)展的計(jì)算機(jī) 圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了基于圖像的建模技術(shù)(Image Based Modeli ng),這種技術(shù)只需使用普通的數(shù)碼相機(jī)拍攝物體在多個(gè)角度下的照片， 經(jīng)過自動(dòng)重構(gòu)，就可以獲得物體精確的三維模型。而通過使用圖像中不同的信息， 這種技術(shù)又可以分成以下幾類：1. 使用紋理信息：這種方法通過在多幅圖像中搜索相似的紋理特征區(qū)域，重 構(gòu)得到物體的三維特征點(diǎn)云，它可以得到較高精度的模型，但對(duì)于紋理特征比較 容易提取的建筑物等規(guī)則物體效果較好，不規(guī)則物體的建模效果不理想。2. 使用輪廓信息：這種方法通過分析圖像中物體的輪廓信息，自動(dòng)得到物體 的三維模型，這種方

7、法魯棒性較高，但是由于從輪廓恢復(fù)物體完全的表面幾何信 息是一個(gè)病態(tài)問題，不能得到很好的精度，特別是對(duì)于物體表面存在凹陷的細(xì)節(jié)， 由于在輪廓中無(wú)法體現(xiàn)，三維模型中會(huì)丟失。這種方法比較適用于對(duì)精度要求不 是很高的場(chǎng)合，如游戲、人機(jī)工效等。3. 使用顏色信息：這種方法基于Lambertian漫反射模型理論，它假設(shè)物體表面點(diǎn)在各個(gè)視角下顏色基本一致。因此，根據(jù)多張圖像顏色的一致性信息， 重構(gòu)得到物體的三維模型，這種方法精度較高，但由于物體表面顏色對(duì)環(huán)境非常敏 感，這些方法對(duì)采集環(huán)境的光照等要求比較苛刻，魯棒性也受到影響。4. 使用陰影信息：這種方法通過分析物體在光照下產(chǎn)生的陰影， 進(jìn)行三維建 模。它能

8、夠得到較高精度的三維模型；但對(duì)光照的要求更為苛刻，不利于實(shí)用。5. 使用光照信息：這種方法給物體打上近距離的強(qiáng)光，通過分析物體表面光 反射的強(qiáng)度分布，運(yùn)用雙向反射比函數(shù)(Bidirectio nal Reflecta nee Distributi on Funetion)等模型，分析得到物體的表面法向，從而得到物體表面三維點(diǎn)面信息， 這種方法建模精度較高，而且對(duì)于缺少紋理、顏色信息(如瓷器、玉器)等其他方法無(wú)法處理的情況非常有效，然而其采集過程比較麻煩，魯棒性也不高。6. 混合使用多種信息：這種方法綜合使用物體表面的輪廓、 顏色、陰影等信 息，提高了建模的精度，但多種信息的融合使用比較困難， 系統(tǒng)的魯棒性問題無(wú) 法根本解決。雖然基于圖像的全自動(dòng)建模系統(tǒng)還無(wú)法達(dá)到實(shí)用的程度 ；然而，在這方面已 經(jīng)出現(xiàn)了一些半自動(dòng)的成熟軟件工具。基于圖像的建模技術(shù)是當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)研究的熱點(diǎn)，也是未來(lái)幾年重 點(diǎn)的研究方向，它可以極大地降低虛擬現(xiàn)實(shí)中建模環(huán)節(jié)的門檻與成本。 雖然現(xiàn)在 還有一些技術(shù)門檻需要克服，但相信用不了幾年時(shí)間，