中國數字科技館——航空館

簡介

航空技術是二十一世紀最為活躍的高新技術之一，也是衡量一個國家綜合國力的重要標志，對保證國家安全、帶動國民經濟其他部門的發(fā)展具有重大意義。北京航空航天大學是我國著名的培養(yǎng)航空航天高級技術人才、從事相關技術研究的高等學府，經過近五十年的建設，北京航空航天大學形成了一批具有航空航天特色的、門類齊全的學科，取得了一大批具有國際水平的重要科技成果，建有北京航空館、航空發(fā)動機陳列館、導彈陳列館等展館，展覽內容覆蓋航空航天主要專業(yè)領域，館藏資源十分豐富，是面向全社會的重要科普教育基地。

北航航空博物館充分發(fā)揮優(yōu)勢和特色，最大限度地發(fā)揮社會經濟效益，利用當前以網絡技術為代表的最新信息技術手段建設博物館，使展示形式由平面、靜態(tài)變?yōu)榱Ⅲw、動態(tài)；由單一呆板變?yōu)樾蜗?、交互；使分散的資源集中共享；使單元、區(qū)域教育變成全面的遠程教育。

2006年，中國科協承擔了科技部國家科技基礎條件平臺建設項目“中國數字科技館”，北京航空航天大學作為參與單位承擔了“數字航空館”建設。本文介紹“數字航空館”建設中采用的一些關鍵技術，包括三維物體建模技術、三維模型編碼和傳輸技術、全景圖、虛擬裝配以及數字版權保護技術。

三維物體建模技術

目前，三維物體建模主要有三種方法：第一種，手工建模，建模人員利用三維建模軟件(如Maya)構造三維模型；第二種，基于深度圖像建模，利用三維掃描設備采集物體表面深度信息，經過深度圖像拼接等處理過程，構造出高精度的三維模型；第三種，基于圖像建模，用數碼相機拍攝整個物體圖像，利用計算機視覺方法計算出圖像深度信息，最終構造出逼真的三維模型。我們主要開展了基于深度圖像三維物體建模和基于圖像建模的研究。圖1(a)是三維掃描儀美能達VIVID 910，圖1(b)為研究人員使用該三維掃描儀采集“北京航空館”中“黑寡婦”飛機三維數據的現場。

基于深度圖像的三維建模

三維物體的幾何形狀往往比較復雜，而三維掃描設備的掃描視角有限，為了全方位地獲得三維物體表面的幾何信息，需要在多個不同的視點位置進行掃描。每次掃描采集到的點云數據具有深度信息，稱之為深度圖像(range image)。利用深度圖像配準技術將這些深度圖像拼接起來，就可以構造出完整的三維幾何模型。然后用紋理重構技術將數碼相機拍攝的高分辨率紋理圖像無縫地粘貼到三維幾何模型上，就可構造出逼真的三維模型。

傳統的深度圖像配準方法需要用戶手動選取待配準的兩幅深度圖像間三對或三對以上的對應點。我們提出了一種自動深度配準方法，主要分三步：第一步，兩兩粗略配準。用曲面的微分特性作為特征描述符，首先對待配準的兩幅深度圖像進行基于Octree的特征點提取。然后結合特征值以及特征點之間的角度、距離等約束條件，找出盡可能可靠的特征對應點，并得到相應的兩兩粗略配準的可能結果。最后結合精確配準的結果，對配準結果進行一致性檢測，從而得出最可靠的配準結果。第二步，兩兩精確配準?；贗CP(Iterative Closest Point)迭代最近點算法，對粗略配準的結果做進一步優(yōu)化。第三步，全局配準。兩兩配準后存在累積誤差，因此兩兩配準后，需要優(yōu)化全局誤差，消除累積誤差。全局優(yōu)化是一個復雜的優(yōu)化問題，計算復雜度較高。我們基于均勻分布檢驗的方法剔除孤立點、噪聲點和邊界點；為了加速對應點搜索速度，采用建立對應點緩沖區(qū)方法，節(jié)省了存儲空間，提高了搜索對應點效率；為了優(yōu)化對應點之間的誤差，采用基于偽逆矩陣優(yōu)化誤差的方法，具有較高的穩(wěn)定性和效率。

點云表示的深度圖像配準后，需要重建表面，即網格化。我們使用基于Delaunay三角剖分的方法重建模型表面。先對點云進行三維Delaunay三角剖分，然后求每點的法向量，濾掉過大三角面片并且將三角面片從小到大排序，根據對三角面之間投影的遮擋關系，使用貪心法抽取物體表面，最后調整法向一致性，實現表面重建。

物體表面屬性一般用紋理圖像表示。首先用數碼相機拍攝物體表面紋理圖像，然后利用紋理重構技術把紋理圖像無縫地粘貼到三維模型上。紋理重構要解決兩個問題：紋理圖像與幾何模型配準，以及將紋理圖像無縫地粘貼到三維模型表面上。我們采用基于側影輪廓線方法配準其中一幅紋理圖像，其余圖像用基于特征點的方法配準，從而實現紋理圖像與幾何模型的配準。

三維模型編碼和傳輸技術

利用三維掃描儀采集數據構造的三維模型精度高，逼真度高，三維模型數據量也很大。一方面，龐大的三維數據對現有的計算機存儲和處理能力提出了巨大的挑戰(zhàn)；另一方面，在現有的網絡帶寬下傳輸和繪制三維模型也十分困難，不利于三維模型在Internet上的廣泛傳播和利用。為此需要研究三維模型的壓縮編碼、傳輸和繪制技術。

在幾何驅動編碼中，頻域編碼有很高的編碼效率，但只適合于流形網格，計算開銷很大，在壓縮比大時失真嚴重，而且是有損壓縮。在空間域方法中，Kdtree和Octree等空間劃分的方法逐漸成為壓縮編碼領域的研究熱點，一方面這種樹形結構能很好地重新組織幾何數據，另一方面只要劃分足夠精細就能夠做到無損壓縮。我們提出一種基于Octree的三維網格模型壓縮編／解碼方法，對幾何、拓撲和屬性都進行了壓縮編碼，壓縮比高且適合網絡遞進傳輸，滿足了當前大數據量三維模型存儲及網絡傳輸的需求。首先對三維網格模型的頂點信息重新進行Octree空間劃分，統計分析其中各種不同類型的節(jié)點，找出占總節(jié)點數目比例最多的一類或幾類節(jié)點，單獨對其使用較少的比特位進行幾何信息編碼；然后根據幾何信息的傳輸順序，重新排列拓撲信息和屬性信息并編碼；最后設置單獨的遞進文件控制幾何信息傳輸、顯示以及解碼時拓撲、屬性信息的同步映射。我們的方法有以下特點：第一，使用Octree子分過程能產生豐富的信息，而且空間劃分效率較高，收斂速度快，能更有效地進行幾何和拓撲編碼。第二，可以有效地控制壓縮程度，一般能達到無損壓縮程度，如果設置較小的Octree深度值，也能得到更大壓縮比率的有損壓縮。第三，設計了優(yōu)化的遞進顯示策略，完全根據用戶視點信息“按需傳送”，使客戶端不僅很快就能顯示圖形，并且所展示的圖形繪制過程也比較合乎人眼的視覺習慣。第四，不需要針對網絡帶寬估計傳輸時間，客戶端響應時間短，真正充分地利用網絡帶寬。圖2為航空館中的飛機模型在網絡上傳輸的解碼過程。

全景圖

全景圖是一種利用IBR(Image—Based Rendering)技術構造的具有一定漫游能力的虛擬環(huán)境。它具有三大優(yōu)點：(1)以照相機采集的實景圖像或攝像機采集的視頻為基礎構造虛擬場景，無需三維建模；(2)根據時間空間的聯系組織視景圖像，把時間、空間相關的各種媒體信息集成在一起，用戶可以在虛擬空間中漫游，操縱虛擬物體；(3)既可以呈現真實環(huán)境，還可以做到虛實結合。

我們開發(fā)一個類似于QuickTimeVR的全景圖構造工具，如圖3所示，可以方便地構造出全景圖，如圖4所示。

在客戶端我們使用Java技術開發(fā)一個Applet嵌入瀏覽器中，實現跨平臺的虛擬場景瀏覽。圖5是北京航空館室外場景的全景圖漫游，用戶可以點擊視圖下面的按鈕加快、減慢視點旋轉的速度，也可拉近、調遠視點離目標的距離。當窗口視圖出現黃色邊框時，表明此處是熱區(qū)，可用鼠標點擊熱區(qū)進入其他頁面，進一步瀏覽其詳細信息。

虛擬裝配

虛擬裝配是虛擬制造技術中的重要一環(huán)，在整個虛擬制造的過程中起到至關重要的作用。在數字航空館中，虛擬裝配有助于用戶了解飛機裝配過程。我們制作了基于Web的“鷂”式飛機虛擬裝配系統，用戶可以親自體會到飛機的拆卸組裝的過程，以便對這架珍貴的藏品有更深刻的了解，如圖6所示。虛擬裝配體現在用戶對飛機部件模型的任意選取及拖放，提供裝配圖紙及裝配動畫演示來提示用戶，各部件在一定范圍誤差內就自動拼接，以減少用戶操作上的困難。

數字版權保護技術

在數字博物館中，數字版權保護具有十分重要的意義。我們主要開展了數字水印和遠程繪制兩方面的技術研究。

數字水印技術

我們針對圖像和三維模型開展了數字水印技術研究。

在圖像數字水印方面，我們提出了一種針對彩色圖像的魯棒性盲水印算法，可以根據二值圖水印信號位流，結合宿主圖像DCT系數相關性自適應地嵌入水印信號。提取水印時不需要原始宿主圖像，可以批量處理，適于在Internet上檢測侵權數字作品，對JPEG有損壓縮、疊加噪聲等處理操作具有較好的魯棒性。

在三維數字水印方面，提出一種針對三維網格模型的盲水印算法。首先通過主成分分析對模型進行預處理，然后對三維模型進行Octree剖分，選擇特定Octree層次和節(jié)點的編碼嵌入有意義的大容量水印信息。該算法提取水印時不需要原始模型數據，算法與模型的拓撲無關，可以對點云數據進行水印嵌入，特點是嵌入容量大，可抵抗旋轉、平移、縮放和頂點重排序攻擊，根據結合Octree高層編碼構造的零水印，還可以在一定程度上抵抗均勻化簡、噪聲等攻擊，具有較強的魯棒性和普適性。三維模型的水印嵌入和提取結果如圖7所示。遠程繪制技術

三維數字水印技術只能在數據失竊之后證明盜版行為，而無法事先防止對三維數據的攻擊。我們實現了一種基于遠程繪制的三維模型發(fā)布系統，可以更有效保護三維模型的版權。我們的系統采用服務器／客戶端模式。用戶瀏覽三維模型時，客戶端先下載粗模型供用戶使用，并將用戶視點信息實時傳至服務器，服務器根據用戶視點對精細三維進行繪制，然后將繪制的圖像經過壓縮發(fā)給客戶端，客戶端將這個圖像解壓并映射到三維粗模型上，供用戶瀏覽，如圖8所示。與目前流行的“先下載，再顯示”的3D模型發(fā)布系統相比，我們的遠程繪制系統具有先天的安全性優(yōu)勢——需要保護的原始模型數據保存在服務器端，而客戶端接收到的只是服務器端繪制的當前視點圖像數據。為了防止?jié)撛诘墓粽呤褂梅掌魈峁┑?D圖像重構初始的三維模型，我們在服務器還采取了日志分析、對繪制請求設置限制和噪聲干擾等防范重構的措施。

成果及總結

數字博物館建設已經越來越受到各國政府和組織的重視，因此開展數字博物館關鍵技術研究和應用有著十分重要的現實意義。中國數字科技館一航空館的建成對普及全民航空科學知識，推動我國廣大青少年的素質教育，培養(yǎng)、造就我國航空航天高技術人才具有重要意義。圖9是數字航空館中戰(zhàn)機梟龍和飛豹的三維飛機模型展示，感興趣的讀者可訪問中國數字科技館—航空館。