用于景觀環(huán)境真三維實(shí)時(shí)顯示的圖像處理技術(shù)

童月恒

摘要：真三維立體顯示不同于二維平面顯示，能夠以三維的方式顯示立體圖像。真三維顯示技術(shù)可顯示具有真實(shí)感的數(shù)字景觀場(chǎng)景，能夠真實(shí)的展示物體，達(dá)到模擬觀察真實(shí)世界的效果。為了獲得快速高效的真三維顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)景觀環(huán)境模型進(jìn)行分解、組合、展開(kāi)、投影等功能，更加直觀準(zhǔn)確的展示景觀環(huán)境的空間信息，需要采用特定的圖像處理技術(shù)對(duì)景觀環(huán)境進(jìn)行真三維實(shí)時(shí)顯示?；诖?，文章研究分析了可用于景觀環(huán)境真三維實(shí)時(shí)顯示的圖像處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞：景觀環(huán)境；真三維；實(shí)時(shí)顯示；圖像處理

檢索：www.artdesign，org，cn

中國(guó)分類號(hào)：TP3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-2832（2016）05—0082-03

一、前言

顯示技術(shù)用來(lái)描述客觀實(shí)體，通常采用影像來(lái)進(jìn)行描述。該技術(shù)源于人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)與探索，在不斷的生產(chǎn)、生活實(shí)踐中總結(jié)而來(lái)。不僅豐富了人們的日常娛樂(lè)活動(dòng)，同時(shí)也提供了一種新的表現(xiàn)方式，使人們?cè)谀M的環(huán)境中就可以達(dá)到身臨其境的感覺(jué)。在不斷地探索改進(jìn)中，圖像的質(zhì)量逐漸提高，從模擬顯示單一的個(gè)體逐漸發(fā)展到能夠較全面的展示復(fù)雜的場(chǎng)景環(huán)境，最終達(dá)到模擬人們觀察世界的效果。

現(xiàn)有景觀環(huán)境的渲染或演示技術(shù)，一般采用平面顯示或者視差立體顯示系統(tǒng)作為觀察平臺(tái)。在顯示影像的過(guò)程中，除了需要獲取平面信息，同樣也需要獲取深度信息。如果缺乏深度信息或者深度信息不完整，則難以表現(xiàn)出整個(gè)組織的三維立體結(jié)構(gòu)。目前，需要獲得深度信息的領(lǐng)域有空中交通管制、醫(yī)學(xué)成像、大氣環(huán)境、軍事等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域的成像過(guò)程中需要以大量的跟讀信息作為成像的支撐依據(jù)，通常以三維的形式進(jìn)行顯示。通過(guò)采集獲取三維信息，模擬三維結(jié)構(gòu)從而進(jìn)行三維顯示。相比較常規(guī)的缺乏深度信息的現(xiàn)實(shí)手段，該方法不易丟失三維信息，顯示效果要優(yōu)于常規(guī)的偽三維顯示技術(shù)。目前，一種新型顯示技術(shù)——真三維顯示則滿足了獲取深度信息數(shù)據(jù)，且能夠顯示具有真實(shí)空間感的三維立體圖形的需求，成為可視化新需求的最佳解決方法。

現(xiàn)有的真三維立體顯示技術(shù)可分為分光立體（G[asses-basedStereoscopic）、自動(dòng)分光立體顯（Autostereoscoplc Oisplays）、全息術(shù)（Hologram）和體三維顯示（Vo[umetric3D Oisplay）4大類。在該4類顯示技術(shù)中，分光立體和自動(dòng)分光立體顯示較為成熟，是本領(lǐng)域的常規(guī)的數(shù)字化手段。這兩類技術(shù)采用視差的方式最終來(lái)進(jìn)行3D顯示。但該方法的缺點(diǎn)在于3D景象是人工構(gòu)成，在自然度上存在著偏差，長(zhǎng)時(shí)間的觀察會(huì)對(duì)觀察者的腦力造成負(fù)擔(dān)，從而使觀察者的身體產(chǎn)生不適。

目前，主流的全息技術(shù)通常利用干涉和衍射的原理，但是通常只能模擬顯示靜態(tài)的環(huán)境。人們?cè)谶M(jìn)行觀察時(shí)，必須按照一定的角度進(jìn)行，并且不具備完善的人機(jī)交互。如果想體驗(yàn)到科幻電影中的3D顯示效果，則需要采用體三維顯示。

二、真三維顯示技術(shù)概述

按顯示原理，真三維顯示可以分為主要用來(lái)對(duì)靜態(tài)物體進(jìn)行顯示和動(dòng)態(tài)物體進(jìn)行掃描顯示。當(dāng)顯示靜態(tài)物體時(shí)，在一個(gè)固定的空間中進(jìn)行像素顯示。該顯示技術(shù)主要利用紅外轉(zhuǎn)換技術(shù)。但紅外技術(shù)在較高功率下會(huì)對(duì)眼睛有害。當(dāng)顯示動(dòng)態(tài)物體時(shí)，主要靠能夠做往返機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置來(lái)進(jìn)行掃描顯示。體掃描顯示利用可見(jiàn)光成像，對(duì)人身體無(wú)傷害，同時(shí)在結(jié)構(gòu)尺寸上也無(wú)過(guò)多限制因素。因此，結(jié)合以上特點(diǎn)，體掃描可以實(shí)現(xiàn)無(wú)害的，小型化的3D動(dòng)態(tài)顯示，最終模擬出如同科幻電影般的三維透視圖像。掃描體顯示（Swept-Volume Display）和固態(tài)體顯示（so[id-VolumeDisplay）是目前體三維顯示技術(shù)的兩大分支。掃描體顯示（Swept-VolumeDisplay）技術(shù)的代表作是Felix3D（圖1）和Perspecta（圖2）；固態(tài)體顯示（solid-Volume Display）的代表作是DepthCube。

三、真三維顯示在建筑與環(huán)境設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用研究的重要性

真三維顯示技術(shù)是當(dāng)今國(guó)際信息電子產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)研究方向之一，20世紀(jì)90年代初，隨著光電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的國(guó)家投入到真三維顯示技術(shù)的發(fā)展中來(lái)，增加了越來(lái)越多的相關(guān)研究。其中，以美國(guó)和德國(guó)的研究成果最為突出。在我國(guó)，進(jìn)行相關(guān)研究的單位也越來(lái)越多，以浙江大學(xué)、中科院的研究較為突出。目前，隨著該技術(shù)研究的不斷成熟，有關(guān)成果已開(kāi)始用于醫(yī)學(xué)診斷、軍事戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等少數(shù)領(lǐng)域。然而，該技術(shù)在建筑與環(huán)境設(shè)計(jì)領(lǐng)域尚未得到應(yīng)有的重視，主要原因可能是該技術(shù)主要屬于光電領(lǐng)域，使得有關(guān)建筑與環(huán)境設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究人員對(duì)接受它心存恐懼，以為高不可攀。其實(shí)不然，建筑與環(huán)境設(shè)計(jì)領(lǐng)域技術(shù)人員如果對(duì)現(xiàn)有三維圖像處理技術(shù)熟悉，想將該技術(shù)應(yīng)用于建筑與環(huán)境設(shè)計(jì)領(lǐng)域還是較容易的，推動(dòng)該技術(shù)在建筑與環(huán)境設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用對(duì)提高該領(lǐng)域的設(shè)計(jì)與眼務(wù)水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

四、真三維顯示技術(shù)在景觀環(huán)境中的圖像處理方法

（一）應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化三維圖像設(shè)計(jì)

常規(guī)的景觀環(huán)境設(shè)計(jì)軟件是AutoCAD，但隨著該領(lǐng)域的不斷發(fā)展，更高級(jí)的軟件技術(shù)也不斷地涌現(xiàn)，其中最為代表性的是BlM（BuiWingInformation Mode（建筑信息模型）技術(shù)。BlM是基于存儲(chǔ)信息的方式進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)。例如，當(dāng)設(shè)計(jì)三維墻體模型時(shí)，需要獲得墻和開(kāi)窗的信息，以及所需材料、顏色、類型、表面處理方式等一系列的信息。這些信息屬于幾何信息和建筑屬性信息，并且在BIM軟件中以參數(shù)的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)效率。

景觀環(huán)境有許多不具有參數(shù)化條件，例如設(shè)計(jì)風(fēng)格；有的已經(jīng)具有參數(shù)化條件，例如某項(xiàng)設(shè)計(jì)模型的營(yíng)造方法，完全具有參數(shù)化條件。因此，通過(guò)BIM軟件，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行創(chuàng)作時(shí)，直接以參數(shù)的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程。

目前主流的BIM軟件有：ArchiCAD、MicrostationTriFoma、Rerit。ArchiCAD是由Graphisoft公司研發(fā)；MicrostationTriFoma是由Bentley公司研發(fā)；Rerit是由Autodesk公司研發(fā)。GDL語(yǔ)言是常用的環(huán)境設(shè)計(jì)語(yǔ)言，設(shè)計(jì)師采用GDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用加工參數(shù)和幾何參數(shù)屬性的構(gòu)件子程序，對(duì)所需要設(shè)計(jì)的具體構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)重構(gòu)，即修改子程序的參數(shù)來(lái)進(jìn)行構(gòu)件，從而建立所需的構(gòu)建庫(kù)。利用C+設(shè)計(jì)構(gòu)件組裝系統(tǒng)，最終建立所需的用來(lái)輔助景觀設(shè)計(jì)的三維系統(tǒng)。

（二）VC環(huán)境下利用OpenGL進(jìn)行圖像處理

開(kāi)放陛圖形庫(kù)（Open Graphic Library）即OpenGL，起源于美國(guó)高級(jí)圖形和圖像計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司。該公司開(kāi)發(fā)了基于三維圖形的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。該標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)可以用來(lái)繪制三維圖形，支持實(shí)現(xiàn)可視化。OpenGL獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，具有可移植、兼容不同的平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)采用基于高速嵌入式軟、硬件處理的解決方案，對(duì)圖像信息進(jìn)行高速數(shù)據(jù)的采集、算法處理、還原，表現(xiàn)形式多樣、內(nèi)容豐富。通過(guò)人機(jī)交互平臺(tái)，將采集到的二維信息經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)得到三維圖像，通過(guò)真三維圖形處理器的應(yīng)用和算法，轉(zhuǎn)變?yōu)榭赏渡涞恼嫒S圖像傳送給投影機(jī)系統(tǒng)。真三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器工作原理如下：原始的圖形數(shù)據(jù)在圖形工作站經(jīng)過(guò)采樣以后，在轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行圖像的分個(gè)、三維建模和真三維采樣。嵌入式硬件算法器（Embedded Hardware Algorithm）在響應(yīng)空間光學(xué)觸控器的指令信息后對(duì)圖像進(jìn)行重分隔、模型變換和采樣。最后把校正后的位置信息傳給真三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)OpenGL與圖像數(shù)據(jù)接口處理立體圖像數(shù)據(jù)信息，并經(jīng)過(guò)編譯器優(yōu)化和代碼優(yōu)化和開(kāi)發(fā)，成為具有相應(yīng)功能的應(yīng)用軟件，設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)流程與界面，并實(shí)現(xiàn)不同類型模型的讀取，圖像技術(shù)處理容易方便，可實(shí)現(xiàn)多人、全角、裸眼立體觀看，實(shí)現(xiàn)與真三維顯示器中的三維虛擬物體進(jìn)行^機(jī)交互，初步實(shí)現(xiàn)了真三維立體圖像的實(shí)時(shí)顯示。

（三）應(yīng)用3D—DOCTOR軟件進(jìn)行圖像交互處理

3D—DOCTOR是由Able軟件公司研發(fā)。該軟件主要用于圖像的三維建模、渲染和圖像處理等方面。目前主要應(yīng)用于需要可視化的醫(yī)學(xué)三維領(lǐng)域，如x光透視成像、MRI、CT。除此以外，還可以適用于需要3D圖像處理的工業(yè)領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域。3D-DOCTOR所支持的圖片格式有：TIFF、DICOM、BM P、JPEG，可以對(duì)圖片的灰度和色彩進(jìn)行控制。該軟件原理如下：2D圖像輸入以后進(jìn)行量化采樣，對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)切片，將切片的數(shù)據(jù)進(jìn)行3D渲染，最終輸出STL.DXF、OBJ、3DS等格式文件。同時(shí)其所支持的程序擴(kuò)展功能可以提供基于Basic的腳本語(yǔ)言，滿足設(shè)計(jì)人員進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。在醫(yī)學(xué)圖像、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工業(yè)控制等領(lǐng)域，3D-DOCTOR已被廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)師通過(guò)該軟件建立設(shè)計(jì)對(duì)象的物體模型，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化，在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的保留細(xì)節(jié)，最大限度的還原真實(shí)場(chǎng)景。但是該方法的缺點(diǎn)也十分明顯，在建立運(yùn)動(dòng)的模型時(shí)不可交互控制，只能利用該軟件預(yù)先設(shè)定，所以不適用于需要設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)物體、建立運(yùn)動(dòng)物體模型的情況。

（四）應(yīng)用3DStudioMax軟件進(jìn)行3D圖像建模處理

Discreet公司開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于3D模擬顯示的軟件3DStudioMax，簡(jiǎn)稱MAX或者3dsMax。該軟件是基于Pc系統(tǒng)，應(yīng)用于三維渲染和制造。該軟件初期應(yīng)用于DOS環(huán)境，隨著WindowsNT出現(xiàn)后，兼容了Windows的操作系統(tǒng)，同時(shí)也降低了3D圖形制作的門(mén)檻。該軟件的強(qiáng)大之處在于內(nèi)置了多種設(shè)計(jì)工具，其中Polygon Modeting Toots（多邊形工具）能夠提高工作的流程和效率；Regdoll與MCloth模塊能夠使設(shè)計(jì)師更專注于創(chuàng)作，減少因技術(shù)難題所帶來(lái)的精力分散；自定義選項(xiàng)十分靈活，按設(shè)計(jì)師個(gè)人的工作方式優(yōu)化接口間切換。該軟件最新版本支持HDR影像合成工具，能提供色彩校正、點(diǎn)陣或向量式的繪圖變形、景深、動(dòng)態(tài)模糊等渲染效果。同時(shí)，迅銀硬體算圖（Quicksitver）和板巖材質(zhì)編輯器（Statemateria[Editor）能夠以視覺(jué)化的方式編輯景觀材質(zhì)，節(jié)點(diǎn)式的編輯方式能夠極大的提高工作效率，改善工作流程。在擁有GPu和cPu的硬件平臺(tái)上，能夠以極短的時(shí)間產(chǎn)生高品質(zhì)影像。材質(zhì)繪制和建模進(jìn)行了改良，能夠加速材質(zhì)的繪制和建模工作。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行渲染的工作室可以簡(jiǎn)單快速的從單個(gè)檔切換至多個(gè)檔設(shè)置，并目可以對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行修改而無(wú)需對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行渲染。暫時(shí)完成的設(shè)計(jì)可以轉(zhuǎn)存至Adobe Effects、Adobe Photoshop軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理，提高了工作效率。3DStudioMax主要應(yīng)用于3D建筑漫游、室內(nèi)設(shè)計(jì)，定位于中端軟件。如果需要一些較高級(jí)的要求（如動(dòng)態(tài)學(xué)模擬），3DStudioMax遠(yuǎn)不如AutodeskMaya強(qiáng)大。

（五）應(yīng)用AutodeskMaya軟件進(jìn)行3D建模渲染處理

AutodeskMaya是由Autodesk研發(fā)的著名的應(yīng)用于三維建模的軟件。AutodeskMaya的出現(xiàn)大大簡(jiǎn)化了了3D建模領(lǐng)域的工作流程，提高了工作效率。同時(shí)，通過(guò)新的的算法極大的提高了設(shè)計(jì)性能，改善了多邊形建模問(wèn)題，其多線程的工作方式可以充分發(fā)揮出多核處理器的優(yōu)勢(shì)，模型的外觀可依靠新的HLsL著色工具來(lái)大大增強(qiáng)，制作出更具彈陛的渲染效果。Maya2015是該軟件的最新版本，該版本極大的提高了視窗的功能。對(duì)于運(yùn)動(dòng)模糊（Motionb[ur）的顯示進(jìn)行了極大的增強(qiáng)。在提高性能的視窗中可顯示環(huán)境隔絕效果和景深通道。設(shè)計(jì)師無(wú)需打開(kāi)圖形編輯器即可對(duì)軌跡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編輯。流體的飛濺、沸騰和澆注效果可以利用新的流體功能來(lái)模擬。AutodeskMaya在動(dòng)力學(xué)解算方面擁有強(qiáng)大的功能，可在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)視覺(jué)效果。

AutodeskMaya的3D渲染功能比3DStudioMax更加全面，特別是在斑紋、毛發(fā)、粒子等建模上，顯示出了其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著景觀環(huán)境真三維實(shí)時(shí)顯示技術(shù)由概念轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)刑用通過(guò)圖像顯示處理二維信息，將采集的二維信息進(jìn)行連接，利用智能處理和信息融合技術(shù)對(duì)采樣的圖像進(jìn)行處理，最終采用真三維顯示技術(shù)將處理的圖像信息以3D的形式進(jìn)行顯示。設(shè)計(jì)者在更加高效便捷的平臺(tái)下進(jìn)行創(chuàng)作，增加景觀環(huán)境的三維感知力。

本文從景觀環(huán)境真三維實(shí)時(shí)顯示的圖像處理技術(shù)入手，介紹了目前景觀環(huán)境中真三維實(shí)時(shí)顯示圖像處理的重要手段，希望為讀者和景觀環(huán)境設(shè)計(jì)者帶來(lái)一些啟示，在實(shí)際應(yīng)用中得到參考。