數(shù)字展館中三維模型的快速建模及優(yōu)化技術(shù)研究

侯守明，景 靜

（河南理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河南 焦作 454003）

數(shù)字展館中三維模型的快速建模及優(yōu)化技術(shù)研究

侯守明，景 靜

（河南理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河南 焦作 454003）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一種利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環(huán)境，并通過使用傳感設(shè)備與之交互的新技術(shù)，數(shù)字展館利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)及數(shù)字化手段來實現(xiàn)藏品保存，陳列展示，科學(xué)研究和社會教育等功能。數(shù)字展館的核心內(nèi)容是建立逼真的虛擬環(huán)境，場景建模是構(gòu)造數(shù)字展館的第一步，本文通過查詢現(xiàn)有資料，對數(shù)字展館中三維模型的快速建模及場景優(yōu)化技術(shù)進行了相應(yīng)的研究。

數(shù)字展館；快速建模；場景優(yōu)化

1 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一種利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環(huán)境，并通過使用傳感設(shè)備與之交互的新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國外發(fā)展較早，已經(jīng)有了近30年的研究使用歷史[1]。它有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如博物館的三維虛擬展廳、軍事模擬訓(xùn)練、醫(yī)療救治模擬方案等各方面都有它的影子。中國對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研發(fā)也非常重視，已經(jīng)有十多年的研究和應(yīng)用。

三維虛擬展館以傳統(tǒng)展館為基礎(chǔ)，利用三維虛擬技術(shù)將展館及其陳列品進行數(shù)據(jù)收集、建模，將其放在互聯(lián)網(wǎng)上進行展示、宣傳，人們參觀展館時不再受時間和空間的限制。具有環(huán)境可控、互動體驗、擴充性好、信息豐富、使用便利、節(jié)約資源、低碳環(huán)保等顯著特點，受到了國內(nèi)外廣泛的重視。所以三維展館中如何采用編寫腳本或者插件的方法對已有場館的CAD模型進行快速、自動的簡化、優(yōu)化，滿足虛擬現(xiàn)實場景的需求特點，從而提高建模效率，節(jié)約開發(fā)時間，是一個非常值得研究的問題。

2 虛擬展館的快速建模

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，第一步就是場景建模，建立一個逼真的虛擬環(huán)境，是它的核心內(nèi)容。然后在此模型的基礎(chǔ)上，進行繪制、消隱等后期工作，最終構(gòu)成一個能使人感到“身臨其境”的虛擬世界。目前，虛擬現(xiàn)實建模技術(shù)主要分為傳統(tǒng)建模技術(shù)和快速建模技術(shù)。

2.1 傳統(tǒng)建模技術(shù)

傳統(tǒng)建模技術(shù)包括以下幾種：

（1）幾何建模技術(shù)，一種傳統(tǒng)的構(gòu)造三維虛擬場景的方法，它以計算機圖形學(xué)為基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)模型為支撐，構(gòu)建出虛擬對象的幾何輪廓，它通過對點、線、面等幾何元素的數(shù)學(xué)描述，經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)、變比等幾何變換和并、交、差等集合運算來構(gòu)建對象的幾何外觀特征，但是還要經(jīng)過光照、陰影處理、紋理映射等技術(shù)對模型進行渲染，使其更加貼近現(xiàn)實場景，以達(dá)到令人滿意的效果。通常利用專業(yè)的三維建模軟件或一些程序語言進行建模。

（2）圖像建模技術(shù)利用外部設(shè)備，如高清數(shù)碼相機等圖像工具，采集物體的數(shù)據(jù)資料并進行處理，將接近視線的畫面方向的畫面進行變換，插值與變形，最后生成當(dāng)前視點的虛擬環(huán)境，即照片建模技術(shù)（IBMR）。

（3）將幾何建模技術(shù)與圖像建模技術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合起來的方法就是混合建模技術(shù)，他能使建模達(dá)到最好的效果。它最基本做法就是在建模場景中針對不同部分采用適合它的不同方法，一般系統(tǒng)中的全景視覺效果可以采用圖像建模技術(shù)，；而對于場景中需要與用戶進行交流的部分采用幾何建模技術(shù)來增強用戶在虛擬環(huán)境中的沉浸感[2]。

2.2 快速建模技術(shù)

快速建模技術(shù)有以下幾種方式

2.2.1 建立常見的幾何圖形模型庫，如樹木，花草等常用模型，當(dāng)需要其時，可以直接使用，既簡化了復(fù)雜的建模程序，又節(jié)省了建模時間。

2.2.2 自動的幾何建模方法 自動的幾何建模方法有很多，三維掃描儀就是一種常見的自動建模方法。它可以快速有效的對真實物體進行數(shù)據(jù)收集，并將收集的物體信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再經(jīng)過計算機的處理進行建模，省略了許多復(fù)雜的建模程序，節(jié)省了建模時間。

傳統(tǒng)的三維掃描技術(shù)主要分為兩大類，一類是接觸式掃描，可以通過接觸物體表面來獲得物體的三維幾何信息，這類設(shè)備適用性強、精度高、不受環(huán)境光照和物體顏色的限制，但由于接觸物體，容易受物體周邊環(huán)境于物體本身材質(zhì)的影響，效率低，速度慢，價格昂貴，普及困難；另一類是非接觸式掃面，包括激光掃面，結(jié)構(gòu)光掃面、基于多臺彩色相機三維重建系統(tǒng)等，但這類也存在操作復(fù)雜價格昂貴的缺點，同時也需要后期大量的人工操作才能得到較好的效果。

近年來，kinect等深度相機不斷涌現(xiàn)這類設(shè)備具有能夠快速地同時獲取場景彩色圖像和深度信息，且其不受環(huán)境可見光譜干擾，成本更為低廉等優(yōu)點，給3D掃描技術(shù)更廣闊的前景[3]。

2.2.3 ipad+ItSeez3D應(yīng)用建模方法

蘋果公司推出了一款新的ipad應(yīng)用——ItSeez3D，該應(yīng)用可以結(jié)合Occipita結(jié)構(gòu)傳感器，讓ipad永科在家中就能將各種物體甚至是人轉(zhuǎn)化為3D模型。該3D是掃描裝置通過連接ItSeez3D應(yīng)用以及ipad上的Structure Sensor設(shè)備，是使用者可以快速的捕捉物體的外形及顏色，并將截取的完成的資料上傳至云端，完整的3D模型將在幾分鐘之內(nèi)傳回到ipad上，同時傳回的模型既可以導(dǎo)入到3D打印機中，也可以導(dǎo)入到CAD軟件進行編輯，最后制造出一個復(fù)制品。

3 場景建模的優(yōu)化方法

建模過程中，場景優(yōu)化是不可缺少的一部分，優(yōu)化結(jié)果對虛擬漫游場景有著重要的影響，優(yōu)化結(jié)果的好換影響著系統(tǒng)運行的效率和流暢性。為了提高系統(tǒng)的運行效率和流暢性，必須對模型進行優(yōu)化處理。場景優(yōu)化除了加強硬件上的配置，常見的還有以下幾種方式：

3.1 優(yōu)化文件中的導(dǎo)入模型

建模時為了保證模型的準(zhǔn)確性，文件中數(shù)據(jù)精度比較高，用來描述的幾何體比較復(fù)雜，這就使文件過于龐大，網(wǎng)上傳輸時不流暢。適當(dāng)?shù)臏p小數(shù)據(jù)的精度，重新設(shè)置模型中所有數(shù)據(jù)的精度，減小數(shù)據(jù)量，可以使用戶瀏覽更加流暢。在模型中，盡量在可以使用基本幾何體的地方使用基本幾何體。

3.2 場景分塊

在一個復(fù)雜場景中，我們可以將其分為多個子場景，根據(jù)試點的變化，我們可以將子場景進行分類，可分為可見場景、部分可見場景和不可見場景。例如虛擬展館中按場館或展廳可分為多個子場景，觀察者處在哪個場館前只可看到視點中這個展廳內(nèi)的場景。這樣就可以去掉可是空間以外的部分，從而降低場景的復(fù)雜程度，加強系統(tǒng)漫游的流暢率。

3.3 可見消隱

可見消隱比場景分塊更加常用，它與用戶在場景的相關(guān)視點有密切關(guān)系。這種方法使用戶僅能看到當(dāng)前場景，消隱能看到的場景，去掉隱藏的線和面，減少了場景中的多邊形數(shù)量。常見的消隱法主要有表優(yōu)先級算法、Weiler-Atherton消隱算法、Z緩沖器算法等。

3.4 細(xì)節(jié)層次模型

細(xì)節(jié)層次模型是指同一個對象模型使用不同細(xì)節(jié)的描述方法得到一組模型。所謂層次控制是根據(jù)觀察者在不同位置上對模型的不同分辨來進行優(yōu)化的，根據(jù)這一原理，我們在創(chuàng)建物體時創(chuàng)建不同細(xì)節(jié)的模型，然后根據(jù)觀察者與模型的距離決定使用何種模型。

4 結(jié)語

本文主要介紹了虛擬展館的建模技術(shù)和場景優(yōu)化技術(shù)，給出了常用的幾種建模技術(shù)及場景優(yōu)化方法，以解決模型的精細(xì)度與實時性之間的矛盾[4]，為后期場景漫游的實現(xiàn)奠定了良好基礎(chǔ)。

[1]姜學(xué)智李忠華.國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2004，(2):238-240

[2]李培.基于虛擬環(huán)境的博物館數(shù)字建模及場景優(yōu)化技術(shù)研究[D].蘭州交通大學(xué)，2013.

[3]楊紅莊.全自動深度相機三維掃描系統(tǒng)[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué):楊紅莊，2015.

[4]李瑩.基于3ds+Max的建筑虛擬場景建模及優(yōu)化技術(shù)研究[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用，2014，(02):26-27

TP391.9 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0050-03