高校教育研究单 理工建设 虛拟现实技术中三维建模方法的分析与研究 文杰曹茂永李良 (山东科技大学山东青岛266510) 【摘要】虚拟建模是虚拟现实技术窦现的基颱。本文详蛔介绍了三雌建襪技术的内客,实观方法和一系列用建模工具。并对各种 【关键词】建模虚拟现实技术实现方法 【中图分类号】0343,2 文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(b)-0162-02 虚拟现实是近几年来倍息技术迅速发展边界检测的方法,但会牺牲一定的精确性。木等)的三维几何模型并建立虚拟环境中的光 的产物,是一种创建和体验虚拟世界的计算1.4行为建模 照和材质模型,然后进行纹理映射及控制参 机系统。虚拟现实是在虚拟的数字空间中模 行为建模描述物体运动和行为特征,是虚数设定,最后通过软件控制根据观察者的位 拟真实世界中的事物这就常要真实世界的事拟现实的自主性特性的体现。虚拟现实的自置、光照、消隐信息,在输出设备上实时渲 物在数字空间中的表示,于是催生了虚拟现实主性特性,简单地说是指动态实体的活动、染绘制视景画面,从而完成对整个场景的漫 中的建模技术,虚拟现实对现实“虚拟”得到变化以及与周围环境和其它动态实体之间的游。图1是几何建模法的流程框图。 底像不像,与建模技术紧密相关。因此,建模动态关系,它们不受用户的输入控制即用不与2.2基于三维扫描设备 技术的研究具有非常重要的意义。 之交互)。例如战场仿真虚拟环境中,直升飞 随着科技的发展,人们发明了一些专门用 机螺旋桨的不停旋转;虚拟场景中的鸟在空中于建模的自动工具设备被称为三维扫描仪。 1三维建模技术的内容 自由地飞翔,当人接近它们时,它们要飞远等它能够自动构建出物体的三维模型并且精度 拟现实中的建模经历了从几何建模、行为 非常之高,主要应用于专业场合,当然其价格 物理建模到行为建模的发展进程。几何建模 也非常“专业”,一套三维扫描仅价格动辄数 虛拟现实建模的基础,与物理建模和真正体2建模技术的实现方法 十万,并非普通用户可以承受得起。三维扫描 数字空间中的信息主要有一维、二维、仪有接触式与非接触式之分。 可以实现虛拟现实“看起来真实、动起来真三维几种形式。一维的信息主要指文字,通过()接触式三维扫描仪需要扫描仪接触到 实”的特征,枃造一个能够通真地模拟现实世现有的键盘、输入法等软硬件。二维的信息主被扫描物体,它主要使用压电传感器,捕捉 界的虚拟环境 要指平面图像,通过照相机、扫描仪、物体的表面信息,这种设备价格稍便宜,但使 1.1几何建模 hoto Shop等图像釆集与处理的软硬件。对用不方便 几何建模是开发虚拟现实系统过程中最于虚拟现实技术来说,关心的核心是事物的 2)非接触式三维扫描仪不需要接触被扫 基本、最重要的工作之一,是虚拟现实技术的维建模。按使用方式的不同,现有的建模技 可捕捉到物体表面的三维信息。根 基础。对象的几何建模是生咸高质量视景图术主要可以分为:几何模型、扫描没备、基 器的不同,有超声波、电磁、光学 像的先决条件,它是用来描述对象内部固有的于图像等几种方法 类型,其中,光学的方法有结构简 几何性质的抽象模型,所表达的内容包括:2.1基于几何模型的建模技术 工作范围大等优点得到了广泛 (1)对象中基元的轮廓和形状,以及反映基 基于几何模型的建模技术是由专业人员的应用 元表面特点的属性,例如颜色 通过使用专业软件(如 Auto CAD、3 djmax、2.3基于图像的建模技术 (2)基元间的连接性,即基元结构或对象的Maya)等工具,运用计算机图形学与美术方面 于图像的建模技术不依赖于三维几何 拓扑特性。连接性的描述可以用矩阵、树、网的知识搭建出物体的三维模型,它以计算机建模而是利用照相机采集的离散图象或摄象 图形学为基础,首先对真实场景进行抽象用机采集的连续视频作为基础数据经过图象处 (3)应用中要求的数值和说明信息,这些多边形构迨虚拟景观(包括地形、建筑、树理生成真实的全景图象然后通过合适的空间 信息不一定是与几何形状有关的,例如基元的 名称,基元的物理特性等 1.2物理建模 理建模是虚拟现实系统中比较高层次 设计图纸 三维建模 场数据库L优化调度 驱动引擎 的建模,即在建模时考虑对象的物理属性。包 场景杂 括定义对象的质量、重量、惯性、表面纹理 光滑或粗糙、硬度、形状、改变模式(橡皮带 或塑料)等等 分形技术和粒子系统就是典型的物理建 操作者 用户接口 交互漫游虚拟实景 模方法,分形技术在虚拟现实中一般仅用于 静态远最的建模在虚拟现实中粒子系统用于 图1几何建模法的流程框图 动态的、运动的物体建模,如常用于描述火 焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象 1.3运动建模 全景图优化调度 在虚拟环境中,仅仅建立静态的三维几何 真实场景「相机“图像数据库 生成器 编铒器 体还是不够的,物体的特性还涉及到位置改 相机 变、碰撞、捕获、缩放、表面变形等。碰撞检 测是虚拟现实技术中的一项重要技术,它在运 动建模中经常使用。例如虚拟环境中,人不能 穿墙而入,否则便与现实生活相悖。碰撞检测 实时控制虚拟实景 需要计算两个物体的相对位置。如果对两个 操作者 用户接口 浏览罂 对象上的每一个点都做碰撞计算,就要花许多 时间。因而,为了节省系统开销,常采用矩形 图2几何建模法的流程框 万方数据
!婴!兰苎!!塑 gaoxtaqlaoyuya哪Iu 虚拟现实技术中三维建模方法的分析与研究 毛文杰曹茂永李良 (山东科技大学 山东青岛 26651 0) 理工建设 【摘要】虚拟建模是虚拟现实技术实现的基硪。本文详细介绍了三堆建模技术的内容，实现方法和一系列常用建模工具。并对各种 实现方法进行了分析和比较，最后给出了一个应用实例． 【关键词l建模 虚拟现实技术 实现方法 【中图分类号】O 3 4 3．2 I文献标识码】A 【文章编号l l 009—9646(2 008)09(b)-0162--02 虚拟现实是近几年来信息技术迅速发展 的产物，是一种创建和体验虚拟世界的计算 机系统。虚拟现实是在虚拟的数字空间中模 拟真实世界中的事物，这就需要真实世界的事 物在数字空间中的表示，于是催生了虚拟现实 中的建模技术。虚拟现实对现实“虚拟”得到 底像不像，与建模技术紧密相关。因此，建模 技术的研究具有非常重要的意义。 1三维建模技术的内容 虚拟现实中的建模经历了从几何建模、 物理建模到行为建模的发展进程。几何建模 是虚拟现实建模的基础，与物理建模和真正体 现虚拟现实特征的行为建模三者结合起来，才 可以实现虚拟现实“看起来真实、动起来真 实”的特征，构造一个能够逼真地模拟现实世 界的虚拟环境…。 1．1几何建模 几何建模是开发虚拟现实系统过程中最 基本、最重要的工作之一，是虚拟现实技术的 基础。对象的几何建模是生成高质量视景图 像的先决条件，它是用来描述对象内郯固有的 几何性质的抽象模型。所表达的内容包括： (1)对象中基元的轮廓和形状，以及反映基 元表面特点的属性，例如颜色。 (2)基元间的连接性，即基元结构或对象的 拓扑特性。连接性的描述可以用矩阵、树、网 络等。 (3)应用中要求的数值和说明信息。这些 信息不一定是与几何形状有关的，例如基元的 名称，基元的物理特性等。 1．2物理建模 物理建模是虚拟现实系统中比较高层次 的建模，即在建模时考虑对象的物理属性。包 括定义对象的质量、重量、惯性、表面纹理、 光滑或粗糙、硬度、形状、改变模式(橡皮带 或塑料)等等。 分形技术和粒子系统就是典型的物理建 模方法。分形技术在虚拟现实中一般仅用于 静态远景的建模；在虚拟现实中粒子系统用于 动态的、运动的物体建模，如常用于描述火 焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象。 1．3运动建模 在虚拟环境中，仅仅建立静态的三维几何 体还是不够的，物体的特性还涉及到位置改 变、碰撞、捕获、缩放、表面变形等。碰撞检 测是虚拟现实技术中的一项重要技术，它在运 动建模中经常使用。例如虚拟环境中，人不能 穿墙而入，否则便与现实生活相悖。碰撞检测 需要计算两个物体的相对位置。如果对两个 对象上的每一个点都做碰撞计算，就要花许多 时间。因而，为了节省系统开销，常采用矩形 一162一 边界检测的方法，但会牺牲一定的精确性。 1．4行为建模 行为建模描述物体运动和行为特征，是虚 拟现实的自主性特性的体现。虚拟现实的自 主性特性，简单地说是指动态实体的活动、 变化以及与周围环境和其它动态实体之间的 动态关系，它们不受用户的输入控制(即用不与 之交互)。例如战场仿真虚拟环境中，直升飞 机螺旋桨的不停旋转；虚拟场景中的乌在空中 自由地飞翔，当人接近它们时，它们要飞远等 行为。 2建模技术的实现方法 数字空间中的信息主要有一维、二维、 三维几种形式。一维的信息主要指文字，通过 现有的键盘、输入法等软硬件。二维的信息主 要指平面图像，通过照相机、扫描仪、 PhotoShop等图像采集与处理的软硬件。对 于虚拟现实技术来说，关心的核心是事物的三 维建模。按使用方式的不同，现有的建模技 术主要可以分为：几何模型、扫描设备、基 于图像等几种方法。 2．1基于几何模型的建模技术[2】 基于几何模型的建模技术是由专业人员 通过使用专业软件(如AutoCAD、3dsmax、 Maya)等工具，运用计算机图形学与美术方面 的知识，搭建出物体的三维模型。它以计算机 图形学为基础，首先对真实场景进行抽象，用 多边形构造虚拟景观(包括地形、建筑、树 木等)的三维几何模型，并建立虚拟环境中的光 照和材质模型。然后进行纹理映射及控制参 数设定，最后通过软件控制根据观察者的位 置、光照、消隐信息，在输出发备上实时渲 染绘制视景画面，从而完成对整个场景的漫 游。图l是几何建模法的流程框图。 2．2基于三维扫描设备㈨ 随着科技的发展，人们发明了一些专门用 于建模的自动工具设备，被称为三维扫描仪。 它能够自动构建出物体的三维模型，并且精度 非常之高，主要应用于专业场合，当然其价格 也非常“专业”，一套三维扫描仪价格动辄数 十万，并非普通用户可以承受得起。三维扫描 仪有接触式与非接触式之分。 (1)接触式三维扫描仪需要扫描仪接触到 被扫描物体。它主要使用压电传感器，捕捉 物体的表面信息，这种设备价格稍便宜，但使 用不方便。 (2)非接触式三维扫描仪不需要接触被扫 描物体，就可捕捉到物体表面的三维信息。根 据使用传感器的不同，有超声波、电磁、光学 等多种不同类型。其中，光学的方法有结构简 单、精度高、工作范围大等优点，得到了广泛 的应用。 2．3基于图像的建模技术H 基于图像的建模技术不依赖于三维几何 建模，而是利用照相机采集的离散图象或摄象 机采集的连续视频作为基础数据，经过图象处 理生成真实的全景图象，然后通过合适的空间 图1．几何建模法的流程框图 ——————1 r荟疆i西碉优化调度}空间 _|fi像数掘J年卜1生成器f——叫编辑器 操作者L一用户接口 1 ．1浏览器 图2．几何建横法的流程框图 卿搬制．|霎孑实景 万方数据
理工建设 票期高校教育研究 音、视频、图像进行超文本连接.VRML 使得信息能够在一个交互的三维空间中很容 建模技术应用实例 虚拟现实技术是一系列高新技术的汇集 包括计算机图形学,图像处理与模式识别、 智能接口技术,人工智能、多传感器技术以及 高度并行的实时计算枝术还包括人的行为学 研究等多项关健技术。目前,其应用已广泛 涉及军事、教育培训、工程设计、商业 医学、影视、艺术、娱乐等众多领域并带 来了巨大的经济效益,图3图4是采用基于 图像建模的方法实现的煤矿巷道效果图, 图3矿井直井筒 图4矿井三叉巷道 5结语 虛拟场景的建立是虚拟现实系统的核心 型把多幅全景图象组织为虚拟实景空间,用 Intergraph Corporation的 SolidEdge等.和基础,随着研究的深入,建模的实现方法得 户在这个空间中可以前进,后退、环视、仰 Auto CAD几何建模是直按利用图形几何元到进一步的完善和提高。例如采用基于模型 视、俯视、近看、远看等操作,从而实现全素,属于线框模型表示。现在该公司推出的 位观察三维场景的效果,多用于漫游系统。 MechanicalDesktoP(MDT,是釆用结构模型和图像的混合建模技术就能将两者的优点集 图2为图象法建模的流程框图。 进行实体建模,将立方体、圆柱体、圆体合于一体,在应用中扬长避短既增加了场景 真实感,又能保证实时性与交互性,提高用 弊,基于几何模型的建模方法可以得到精确本体素的布尔操作(和、积、差、交、并)的沉没感,总的来说虚拟现实中的建模技术 度比较高,比较细腻逼真的虚拟场景而且便描述和表达复杂物体的三维形状信息。然 正在向高精度、高鲁棒性、易用的方向发展 于用户与虚拟场景中虚拟对象的交互,但对复通过虚拟现实软件,如 Visualization Toolkit 杂场景进行建模时太过繁琐,工作量大,费时(VTK), WorldTooKit等,把建模对象引入虚 参考文献 费力场景实时谊染绘制时对计算机软硬件要拟环境再通过编程语言进行实体对象的交互团】]杨克检等虚拟现实中的建模方法武汉 比较高;基于图像的建模方法不需复杂建编程 工业大学学报.200123(6)47-50. 无关对硬件的要不及几何建模那么高但行进候,O开放式三维图形标准0pmGL进2王汝传,张登银虚拟现实中3D图形建模 模,漫游效果及处理时间与场景内容的复杂度 penGL作为三维图形标准,它是用 方法的研究冂计算机辅助工程.2000.12 缺乏交互性,当真实场景并不存在或处于设函数构造几何元素,属于表面模型表示·[3] DONALD HEARN, M. PAULINE 计规划阶段时,它就无能为力了;基于三维扫 OpenGL是一种图形与硬件的接口,包括了 描没备建模法以其高精度的优势而得到应用,100多个图形函数。开发者可以用这些函数 BAKER计算机图形学M]蔡土杰孙正 兴,等译北京:电子工业出版社,1998 但由于传感器容易受到噪声干扰还需要进行来建立三维模型和进行三维实时交五,(4]李自力,虚拟现实中基于图形与图像的混 一些后期的专业处理,如:删除散乱点,点云 OpenGL提供的基本功能有:模型绘制、模型合建模技术中国图象图形学报201.6 网格化、模型补洞、模型简化等241 观察、坐标变换、颜色模式设定、位图和 像处理、融合和反发样、雾化效果,光 3虚拟现实建模工具 照处理、效果增强、纹理映射、实时动S]江加和宋子善等虚拟现实中基于图象的 虚拟坏境中的几何实体建模根据实际和交互技术等, OpenGL在虚拟现实建模领 维空间漫游方法门光学技术200026 有的查美类本生风相重豪所域应用广 (3)采用虚拟现实建模语言VRML]黄铁军VRM是什么?中国图象图形学 建模软件,实时仿真软件以及与前两者相关 virtualReality Modelinglanguage)对对象进 报,1998,3(3):165-16 的函数库,现今,建立虚拟环境一般有如下行建模,VRML是一种网络上使用的描述三团7 Wolfgang Broll., TanjaKooPO.vRM 工具方法 维环境的场景描述语言。VRML语言是一种 魏第)采用A0CAD进行对象实体的三维文件格式它用于定义与更多信息相关的三维 Com Puter& GraPhics, 1996, 20(3): 25 或用与 AutoCAD类似的三维实体造型世界的布局和内容。由于其空间中都是些彼 软件,如 Solid works corporation的此间相互作用并能与用户响应的对象,所以它 Solid works, Parametrielne的Pro/的空间广阔,本身还具有交互性。VRML是 Engineer, CATIACAD/CAM软件以及面向对象的语言,它支持多用户,可以与声 上接161页 并已经基于完成 时,为各类可以访问该系统的人员设置了权3.2应用前景及意义 限,用户只能在各自的权限下浏览、查询、本系统的开发实现能够大大方便我院后[l宋颜浩《AP与相关数据库技术高级指 更新等操作,而不能超越自己的权限,从而保勤管理部门的宿舍管理工作,实现无纸化办 证了系统的安全性,可靠性 公,既简化了日常重复操作的工作鬟又有利[2】求是科技,《ASP.NET数据库系统开发 (3)系统的易维护性、易移植性:没计该于数据资料的备份,提高了工作效率。本系 实例导航》,人民邮电出版社,2005 系统时,采用先进的ASP技术,系统的代码设统图形化的操作界面,简单明了,因此管理人(3王克杰,《Drea ver MX完全实战》 计通用,适应于不同的系统支撑软件,因此该员易于操作,可以很快上手.同时此系统的中国宇航出版社,2003 系统有较好的可移植性 应用,也可以充分协调后勤集团与其他各相关 (4)该软件适合于各高校的学生宿舍管理,部门间的工作 万方数据
理工建设 图3矿井直井筒 模型把多幅全景图象组织为虚拟实景空间，用 户在这个空间中可以前进、后退、环视、仰 视、俯视、近看、远看等操作，从而实现全 方位观察三维场景的效果，多用于漫游系统。 图2为图象法建稹的流程框图。 上述各种建模方法在实际应用中各有利 弊。基于几何模型的建模方法可以得到精确 度比较高，比较细腻逼真的虚拟场景，而且便 于用户与虚拟场景中虚拟对象的交互。但对复 杂场景进行建模时太过繁琐，工作量大，费时 费力，场景实时渲染绘制时对计算机软硬侔要 求比较高；基于图像的建模方法不需复杂建 模，漫游效果及处理时间与场景内容的复杂度 无关，对硬件的要求不及几何建模那么高，但 缺乏交互性，当真实场景并不存在，或处于设 计规划阶段时，它就无能为力了；基于三维扫 描设备建模法以其高精度的优势而得到应用， 但由于传感器容易受到噪声干扰，还需要进行 一些后期的专业处理，如：删除散乱点、点云 网格化、模型补洞、模型简化等‘2】f4】f“。 3虚拟现实建模工具 对虚拟环境中的几何实体建模。根据实际 情况选择一种实用性强的工具相当重要。所 有的虚拟现实开发工具大致可分为三类：三维 建模软件、实时仿真软件以及与前两者相关 的函数库。现今，建立虚拟环境一般有如下 工具方法： (1)采用AutoCAD进行对象实体的三维 建缕，或用与AutoCAD类似的三维实体造型 软件，如SOlidWO rksC OrP0ration的 SOlidW0rkS．ParametrieIne的Pro／ Engineer，CATIACAD／CAM软件以及 图4矿井三叉巷道 IntergraphCorporation的SolidEdge等。 AutoCAD几何建模是直接利用图形几何元 素，属于线框模型表示。现在该公司推出的 MechanicalDesktoP(MDT)，是采用结构模型 进行实体建摸，将立方体、圆柱俸、圆锥体 等作为基本体素配置在三维空间内，通过对基 本体素的布尔操作(和、积、差、交、并) 描述和表达复杂物体的三维形状信息。然后 通过虚拟现实软件，如VisualizationToolkit (VTK)，WorldTOOKit等．把建模对象引入虚 拟环境，再通过编程语言进行实体对象的交互 编程。 (2)采用开放式三维图形标准OpenGL进 行建模。OpenGL作为三维图形标准，它是用 函数构造几何元素，属于表面模型表示。 OpenGL是一种嘲形与硬件的接口，包括了 l 00多个图形霸数。开发者可以用这些函数 来建立三维模型和进行三维实时交互． OpenGL提供的基本功能有：模型绘制、模型 观察、坐标变换、颜色模式设定、位图和 图像处理、融合和反发样、雾化效果，光 照处理、效果增强，纹理映射、实时动画 和交互技术等。OpenGL在虚拟现实建模领 域应用广泛。 (3)采用虚拟现实建模语言V R M L (VirtualReahtyModelingLanguage)对对象进 行建模。VRML是一种网络上使用的描述三 维环境的场景描述语言。VRML语言是一种 文件格式，它用于定义与更多信息相关的三维 世界的布局和内容。由于其空淘中都是些彼 此间相互作用并能与用户响应的对象，所以它 的空间广阔，本身还具有交互性。VRML是 面向对象的语言，它支持多用户，可以与声 !!塑!兰!!塑 gaoxlaoflaoyuyanjiu 音，视频、图像进行超文本连接。VRML 使得信息能够在～个交互的三维空间中很容 易地被表达出来f6“”。 4建模技术应用实例 虚拟现实技术是一系列高新技术的汇集， 包括计算机图形学，图像处理与模式识别、 智能接口技术、人工智能、多传感器技术以及 高度并行的实时计算技术，还包括人的行为学 研究等多项关键技术。目前，其应用已广泛 涉及军事、教育培训、工程设计、商业、 医学、影视、艺术，娱乐等众多领域并带 来了巨大的经济效益。图3图4是采用基于 图像建模的方法实现的煤矿巷道效果图。 5结语 虚拟场景的建立是虚拟现实系统的核心 和基础。随着研究的深入，建模的实现方法得 到进一步的完善和提高。例如采用基于模型 和图像的混合建模技术就能将两者的优点集 合于一体，在应用中扬长避短，既增加了场景 真实感，又能保证实时性与交互性，提高用户 的沉浸感。总的来说，虚拟现实中的建模技术 正在向高精度，高鲁棒性、易用的方向发展。 参考文献 【l】杨克检等．虚拟现实中的建模方法【J】．武汉 工业大学学报．2001．23(6)．47-50． 【2】王汝传，张登银．虚拟现实中3D幽形建模 方法的研究[J】．计算机辅助工程．2000．12 (4)．25-30 【3】DONALD HEARN，M．PAULINE BAKER．计算机图形学【M】．蔡士杰，孙正 兴，等泽．北京：电子工业出版社，1998． 【4】李自力．虚拟现实中基于图形与图像的混 合建模技术[J】．中国图象图形学报．2001．6 (1)．96-100． 【5】江加和，宋子善等．虚拟现实中基于图象的 一维空间漫游方法【J】．光学技术．2000．26 (2) 【6J黄铁军．VRML是什么?【J】中国图象图形学 报，1998，3(a)：165-169． 【7】7 WolfgangBroll、TanjaKooPO．VRML： T 0d aY and T0m o r row[J】 ComPuter＆GraPhics，1996，20(3)；25- 28． (上接161页) 统时，为各类可以访问该系统的人员设置了权 限，用户只能在各自的权限下浏览、查询、 更新等操作，而不能超越自己的权限，从而保 证了系统的安全性，可靠性。 (3)系统的易维护性、易移植性：设计该 系统时，采用先进的ASP技术，系统的代码设 计通用，适应于不同的系统支撑软件。因此该’ 系统有较好的可移植性。 (4)该软件适合于各高校的学生宿舍管理， 并已终基于完成。 3．2应用前景及意义 参考文献 本系统的开发实现，能够大大方便我院后 【l】宋颜浩，gASP与相关数据库技术高级指 勤管理部门的宿舍管理工作，实现无纸化办 南》，中国水利水电出版社，2002． 公，既简化了日常重复操作的工作量，又有利 【2】求是科技，((ASP．NET数据库系统开发 于数据资料的备份，提高了工作效率。本系 实例导航》，人民邮电出版社。2005． 统翻形亿的操作界面，简单呀了，因此管理人 f3j王克杰，((Dreamweaver MX完全实战》， 员易于操作，可以很快上手。同时，此系统的 中国宇航出版社，2003． 应用，也可以充分协调后勤集团与其他各相关 部门间的工作。 一163— 万方数据