李世琳

對圖形圖像三維建模技術(shù)的思索

李世琳

李世琳

鞍山市現(xiàn)代服務(wù)學(xué)校

近年來，隨著我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的越發(fā)成熟，越來越多的場所與領(lǐng)域開始對其進(jìn)行全面利用，從而實(shí)現(xiàn)自然方式和虛擬環(huán)境的相互操作，改變以往“身臨其境”的需要，對于景區(qū)宣傳、建筑群導(dǎo)向以及公共場所游覽等工作具有非常大的意義，屬于現(xiàn)代信息技術(shù)不可或缺的一個(gè)重要組成部分。而在現(xiàn)實(shí)工作上，設(shè)計(jì)人員需要利用圖像圖形等技術(shù)構(gòu)建三維模型，從而實(shí)現(xiàn)虛擬場景。本文主要從三維建模技術(shù)、通過圖形實(shí)現(xiàn)建模、通過圖像實(shí)現(xiàn)虛擬建模以及圖形與圖像的混合建模等技術(shù)層面進(jìn)行思索，希望通過淺陋的辦法為相關(guān)人員的三維建模提供一份參考辦法。

三維建模技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的成熟發(fā)展，人們不再滿足于以往平面所顯現(xiàn)的圖像，由此在三維空間上利用三維建模技術(shù)提高現(xiàn)實(shí)中的人、物以及各種形態(tài)的逼真性，為用戶提供一種“身臨其境”技術(shù)環(huán)境也就成為目前以及未來一段時(shí)間圖像成形的發(fā)展方向。在實(shí)際操作上，工作人員把現(xiàn)實(shí)中的人物進(jìn)行建模與模擬時(shí)，一般要從三維空間上進(jìn)行綜合性的考慮，從而全面掌握事物的具體形態(tài)、色彩、材料以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等屬性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)3D再現(xiàn)模式。從技術(shù)層面來講，這些都離不開實(shí)體事物的圖形圖像處理工作與對其模型進(jìn)行合理建模。

在進(jìn)行三維建模工作時(shí)，其技術(shù)的核心內(nèi)容是從實(shí)體的三維空間出發(fā)，全面掌握其信息屬性后構(gòu)造出立體模型，特別是在幾何模型的形成上，然后通過計(jì)算機(jī)建模軟件或者計(jì)算機(jī)編程，對實(shí)體模型的圖形進(jìn)行顯示，最后進(jìn)行相關(guān)操作與處理。而為了掌握實(shí)體的三維空間信息屬性，可以通過相應(yīng)的算法，并利用計(jì)算機(jī)所提供的程序，對于實(shí)體三維空間的特征點(diǎn)所具體存在的空間位置進(jìn)行建立，然后在二維圖像所提供的對應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)的定量關(guān)系進(jìn)行建立，最后得出實(shí)體三維空間表面的任意點(diǎn)坐標(biāo)值。而工作人員對以上操作完成后，得到實(shí)體的具體形狀、尺寸以及坐標(biāo)等相關(guān)幾何屬性后，就可以進(jìn)行構(gòu)模的操作步驟，實(shí)現(xiàn)三維幾何模型的構(gòu)建工作。

通過圖形進(jìn)行建模的相關(guān)辦法

通過圖形進(jìn)行建模的辦法，其在實(shí)際運(yùn)用上主要通過計(jì)算機(jī)的圖形學(xué)原理，從幾何圖形的相關(guān)性質(zhì)上進(jìn)行三維建模，屬于較為傳統(tǒng)與成熟的三維模型構(gòu)建辦法。

1.一般過程

對二維圖形進(jìn)行構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)圖形建模工作的基本前提，從我國目前在幾何模型繪制與構(gòu)建的實(shí)際情況來看，CAD軟件系統(tǒng)雖然較為傳統(tǒng)，在部分功能實(shí)現(xiàn)上有所限制，但是依然受到工作人員的歡迎，基本可以完成相關(guān)圖形的繪制工作與三維圖形的有效轉(zhuǎn)化工作。而構(gòu)建完成后的二維圖形，就可以通過Extrude、Bevel、BevelProfile、Lathe以及Lattice等軟件的編輯修改器，把所構(gòu)建的二維圖形進(jìn)行三維幾何體的有效轉(zhuǎn)化。

2.CAD軟件在圖形轉(zhuǎn)化與三維建模中的實(shí)際應(yīng)用

通過圖形所實(shí)現(xiàn)的三維建模工作，其一般要求是對機(jī)械或者建筑產(chǎn)品進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，從而形成直觀圖，便于其他設(shè)計(jì)工作的參考。從CAD技術(shù)的運(yùn)用上可以知道，其具有強(qiáng)大的繪圖與轉(zhuǎn)化能力，可以有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的型面分析工作、裝配干涉的分析工作、工作強(qiáng)度的分析工作以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)效率的分析工作等，為機(jī)械設(shè)備與建筑的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作提供參考，有效縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，更快占領(lǐng)市場。

通過圖像實(shí)現(xiàn)虛擬建模的辦法

1.實(shí)現(xiàn)過程

通過圖像實(shí)現(xiàn)建模后，將可以避免三維幾何的限制。在一般情況下，通過攝像頭所成形的離散圖像或者視頻圖像都可以作為基礎(chǔ)，而通過有效的技術(shù)處理工作后，同樣可以形成逼真的景觀圖像。然后再通過相關(guān)空間模型，將攝影出來的全景平面圖像進(jìn)行虛擬化，形成三維空間。最后運(yùn)用相關(guān)的軟件操作辦法，就可以對場景進(jìn)行三維空間角度的觀察，特別要指明的是，這些操作過程即使在普通計(jì)算機(jī)上也可以實(shí)現(xiàn)，因此特別的便利。與此同時(shí)，由于全景生成技術(shù)在利用上，主要通過圖像處理手段實(shí)現(xiàn)三維空間模型的構(gòu)建，因此掌握其主內(nèi)容后就可以滿足實(shí)景虛擬要求。

2.基本方法

著名視覺經(jīng)典教授Pollefeys等人在對圖像三維建模進(jìn)行研究后，提出了由多幅圖像進(jìn)行處理的技術(shù)，其主要基于同一物體所對應(yīng)的幾個(gè)不同的對應(yīng)點(diǎn)信息中提取出物體外形的輪廓信息。而這些信息主要有5個(gè)部分有效組成，一是匹配與抽取特征點(diǎn)；二是對相機(jī)的定標(biāo)；三是重投影圖像的生成；四是對立體像的位置進(jìn)行校正；五是對曲面的散亂點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)建。另外，在對立體視覺的模型進(jìn)行構(gòu)建的過程中，一般要從基本原理上進(jìn)行不斷完善，其具體的內(nèi)容有，從兩幅圖像上對實(shí)物的所對應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，而這部分所對應(yīng)的點(diǎn)，其實(shí)際上就是實(shí)物表面上的同一個(gè)，只不過在完成投影后所形成的位置不同。而掌握物體同一點(diǎn)投影后形成不同的位置后，一般就可以熟悉相機(jī)內(nèi)部與外部的相關(guān)參數(shù)，并可以基于兩張圖像的同一投影點(diǎn)上，對每兩個(gè)相互的對應(yīng)點(diǎn)畫出其直線，而這部分的直線在確定后，就可以從三維空間上對其交點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，而所確認(rèn)的這個(gè)點(diǎn)，其就屬于三維空間場景中，實(shí)物所應(yīng)對某個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

3.性能分析

通過圖像實(shí)現(xiàn)三維建模時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)較為顯現(xiàn)，主要有以下幾個(gè)方面。一是對于漫游效果與所需的具體處理時(shí)間，主要受到圖像畫面分辨率的影響；二是對于所需要的圖像，不但可以拍攝形成，還可以利用計(jì)算機(jī)生成，當(dāng)然二者也可以結(jié)合使用；三是真實(shí)度較高，更加有利于用戶感受“身臨其境”；四是在進(jìn)行具體操作工作時(shí)，其所要求處理數(shù)據(jù)量較小，因此一般計(jì)算機(jī)就可以完成，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

通過圖形與圖像混合使用實(shí)現(xiàn)建模在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

1.圖像定位

圖像定位，主要指的是對相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，把其外在形狀的具體特征定位到產(chǎn)品表面的應(yīng)有的位置。而在二維空間建模工作上，相關(guān)的定位手段較為榮譽(yù)。例如，設(shè)定圖像的原點(diǎn)為0 1（0，0），那么所要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，其表面點(diǎn)所對應(yīng)的映射點(diǎn)就是0 p（x，y，z）。如（圖1）所示。

圖1 產(chǎn)品模型圖像定位

2.物體表面形態(tài)細(xì)節(jié)度量

對于工業(yè)產(chǎn)品來說，其外在形態(tài)屬于客觀存在的物理存量，不但有圖案的明顯特征，還帶有形貌特征。而相對來說，光學(xué)結(jié)構(gòu)對于設(shè)計(jì)產(chǎn)品的圖案視覺效果與質(zhì)感具有重要的影響，而表面形貌則體現(xiàn)著產(chǎn)品圖案表面所擁有的幾何層次，在產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)的過程中影響較大。例如，對于一個(gè)零件的表面光滑程度、波紋的細(xì)膩度、形狀的規(guī)則程度、溝槽、凹坑和凸臺(tái)的形狀等，其主要受到產(chǎn)品表面圖案與形貌的共同影響。另外，產(chǎn)品形貌與圖案還存在著相互影響的關(guān)系，主要體現(xiàn)在，形貌本身屬于一種圖案，其同樣影響到產(chǎn)品設(shè)計(jì)表面的光學(xué)效果，而不同的形貌，其光澤與反射率同樣存在差別，因此不同產(chǎn)品感觀存在著差異；另外， 圖案的差異性可以改變形貌的具體特征，從而為外形提高優(yōu)秀的仿真效果。

3.特征描述

特征描述就是在產(chǎn)品的表面信息圖像和零件的形狀之間建立聯(lián)系，從而生成有生產(chǎn)意義的產(chǎn)品模型，圖像和圖形相融合的描述方式為：｛關(guān)聯(lián)實(shí)體：圖像中的幾何形狀；關(guān)聯(lián)表面：產(chǎn)品的表面面片；圖像定位參數(shù)：產(chǎn)品映射圖像的定位點(diǎn)和位置；圖像數(shù)據(jù)：產(chǎn)品外觀屬性的相關(guān)數(shù)據(jù)如分辨率、大小、I（r，c）等；映射變換：把圖像嵌入到產(chǎn)品外形的指定位置的相關(guān)轉(zhuǎn)化函數(shù)；檢測參數(shù)：描述產(chǎn)品表面加工所需要的參數(shù)，如顏色、紋理、精確度等；加工描述：得出產(chǎn)品的形貌方式｝。

結(jié)語

綜上所述，以圖形圖像所完成的三維建模對計(jì)算機(jī)空間模擬具有重要的意義，在實(shí)際的運(yùn)用上，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)不同要求選用不同工作辦法，從而科學(xué)有效的完成三維模擬工作，為用戶提供更為逼真與流暢的體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)更多用戶對于“親臨其境”的要求，讓先進(jìn)科技更能為人類生活水平的提高做出實(shí)際貢獻(xiàn)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.024