计算机科学2008VoL35N.2 三维建模技术研究进展) 栾悉道应龙谢毓湘吴玲达文军 (国防科技大学信息系统与管理学院长沙410073) 摘要三维建模是许多研究与应用领域的关键技术。对三维建模技术中涉及的三维数据获取与建模方法进行了系 统的介紹,重点对激光扫描系统、基于图像建模技术进行了说明与对比。阐述了三维建模技术的最新研究进展及应 用。最后指出模型检索研究以及数宇化手段存在的问题对三维建模的研究进行了展望。 关键词三维建模基于图像建模与绘制激光扫描,三维数据获取 Advances in Study of 3D Modeling LUAN Xi- Dao YING Long xIE Yu Xiang WU Ling-Da WEN Jun School of Information System and Management, National University of Defense Technology, Changsha 410073) Abstract 3D modeling is a key technique to much research and applications, This paper systemically introduces equip- and Image-Based Modeling and Rendering(IBMR)in recent years. This paper also introduces applications of 3D mod- eling. Finally, several problems and deficiencies are pointed out and further challenges are foreseen from three aspects modeling retrieval, digitizing method, and dynamic modeling. eywords 3D modeling, IBMR, Laser-scanning, 3D data acquisition 1引言 500kHz时,精度大概为5cm)来实时生成水下地形和环境模 通过建立正确的模型来描述和表现事物的各种属性,是 对被测物体进行外观尺寸的测量从总体上可分为接触 现代科学探索事物本身发展、运行规律的一个普遍而且重要和非接触式两种。接触式测量方法既包括最传统的使用卷尺 的方法。不论是在应用领域还是在科学领域,对整个世界进的测量方式,也包括复杂的坐标测量机(CMM, Coordinate 行三维建模研究都是一个不断兴起的领域。对现实世界的 Measuring Machine精度可以达到20微米)。这两种方法也 建模和模拟,就是根据研究的目标和重点,在数字空间中对其是机械工程行业常用的工业测量方法,传统的接触式测量不 形状材质运动等属性进行数字化再现的过程 但慢,而且还给测量带来误差。CMM系统虽然精确度高,但 随着先进的数字化仪器及设备不断投入实际应用计算它是一个非移动系统,安装在一个固定平台上,对被测物体的 机辅助下的三维建模技术已经从最初费时费力的基于几何的尺寸有限制。 手动建模,发展到包括三维扫描仪、基于图像的建模与绘制 随着计算机图形学与视觉、声学、光学技术及其相关设备 (IBMR)等多种方法在内的三维建模。建模对象也从简单的的发展,非接触式测量技术得以出现,从而大大丰富了模型获 几何体建模,发展到比较复杂的人脸、肢体、发丝等建模,甚至取手段的结果。非接触测量方法中包括激光扫描系统( 是流体的模拟 vvID910激光扫描仪)、全站仪系统(如AXYZ系统,精度为 随着三维建模在各个领域研究与应用的不断扩大和深1:10000,0即可以分辨一个尺寸为5米的物体上50微米的距 入,有必要对现有的建模方法进行细致的比较和探讨。本文离)近景摄影测量系统(如 V-STARS系统,精度高于1: 着重介绍三维信息获取、三维建模模型表现的整个处理过10000以及结构光系统(如 Shape Cam系统)等。 程说明各个过程的发展现状与研究重点介绍三维建模在各 2.1激光扫描系统 个领域的应用,并阐述其未来的发展趋势 以ⅥVm910激光扫描仪为例激光扫描系统具有一些 2三维信息获取 明显的优点:快速(根据不同的扫描模式,扫描时间从0.3秒 到2.5秒)数据量大(在不同的模式至多可以得到77000到 在模型数据获取阶段要获得待建模型物体的外观数据,30000个点的数据)精度高(扫描精度分别为0.22毫米和 如长宽尺寸深度数据。在不同的研究与应用领域,根据需求0.16毫米)而且操作简单,可以根据物体大小的不同和测量 的不同,获取数据的类型与方法也有较大的不同因而使用的距离的需要,在三种镜头间进行切换 设备和数据建模的过程也有区别。例如,对海底地形的三维 文[3]在使用全向激光测距记录深度数据的同时,使用全 建模就无法通过常用的手段来获得地形数据必须借助声向拍摄系统对室外场景进行拍照。利用室外场景中的各种平 纳、海洋地形、卫星等方法来得到。U. Castellani等人研究使面区域,如墙壁、道路,使用ICP算法来同步匹配距离数据 用声学照相机系统获得水下地形的三维数据(在信号频率为然后,利用同地拍摄的照片,以相应的分辨率对场景模型进 )基金项目:国家自然科学基金(60473117)。栾憑道博士生研究方向为多媒体信息系统与虚拟现实技术。 万方数据计算机科学2008Voi．35№．2 三维建模技术研究进展*) 栾悉道应龙谢毓湘吴玲达文军 (国防科技大学信息系统与管理学院 长沙410073) 摘要三维建模是许多研究与应用领域的关键技术。对三维建模技术中涉及的三维数据获取与建模方法进行了系 统的介绍，重点对激光扫描系统、基于图像建模技术进行了说明与对比。阐述了三维建模技术的最新研究进展及应 用。最后指出模型检索研究以及数字化手段存在的问题，对三维建模的研究进行了展望。 关键词三维建模，基于图像建模与绘制，激光扫描，三维数据获取 Advances in Study of 3D Modeling LUAN Xi-Dao YING Long XIE YwXiang WU Ling-Da WENJun (School of Information System and Management，National University of Defense Technology，Changsha 410073) Abstract 3D modeling is a key technique tO much research and applications．This paper systemically introduces equip— ments of 3D data acquisition and modeling methods，discusses the characters and developments of laser scanning system and Image-Based Modeling and Rendering(IBMR)in recent years．This paper also introduces applications of 3D mod— eling．Finally。several problems and deficiencies are pointed out and further challenges are foreseen from three aspects： modeling retrieval，digitizing method，and dynamic modeling． Keywords 3D modeling，IBMR，Laser-scanning，3D data acquisition 1 引言 通过建立正确的模型来描述和表现事物的各种属性，是 现代科学探索事物本身发展、运行规律的一个普遍而且重要 的方法。不论是在应用领域还是在科学领域，对整个世界进 行三维建模研究，都是一个不断兴起的领域。对现实世界的 建模和模拟，就是根据研究的目标和重点，在数字空间中对其 形状、材质、运动等属性进行数字化再现的过程。 随着先进的数字化仪器及设备不断投入实际应用，计算 机辅助下的三维建模技术已经从最初费时费力的基于几何的 手动建模，发展到包括三维扫描仪、基于图像的建模与绘制 (IBMR)等多种方法在内的三维建模。建模对象也从简单的 几何体建模，发展到比较复杂的人脸、肢体、发丝等建模，甚至 是流体的模拟。 随着三维建模在各个领域研究与应用的不断扩大和深 入，有必要对现有的建模方法进行细致的比较和探讨。本文 着重介绍三维信息获取、三维建模、模型表现的整个处理过 程，说明各个过程的发展现状与研究重点，介绍三维建模在各 个领域的应用，并阐述其未来的发展趋势。 2三维信息获取 在模型数据获取阶段，要获得待建模型物体的外观数据， 如长宽尺寸、深度数据。在不同的研究与应用领域，根据需求 的不同，获取数据的类型与方法也有较大的不同，因而使用的 设备和数据建模的过程也有区别。例如，对海底地形的三维 建模，就无法通过常用的手段来获得地形数据，必须借助声 纳、海洋地形、卫星等方法来得到。U Castellani等人研究使 用声学照相机系统获得水下地形的三维数据(在信号频率为 500kHz时，精度大概为5cm)来实时生成水下地形和环境模 型‘1。。 对被测物体进行外观尺寸的测量，从总体上可分为接触 和非接触式两种。接触式测量方法既包括最传统的使用卷尺 的测量方式，也包括复杂的坐标测量机(CMM，Coordinate Measuring Machine，精度可以达到20微米)。这两种方法也 是机械工程行业常用的工业测量方法。传统的接触式测量不 但慢，而且还给测量带来误差。CMM系统虽然精确度高，但 它是一个非移动系统，安装在一个固定平台上，对被测物体的 尺寸有限制。 随着计算机图形学与视觉、声学、光学技术及其相关设备 的发展，非接触式测量技术得以出现，从而大大丰富了模型获 取手段的结果。非接触测量方法中包括激光扫描系统(如 VIVID9IO激光扫描仪)、全站仪系统(如AxYZ系统，精度为 1：100000，即可以分辨一个尺寸为5米的物体上50微米的距 离)、近景摄影测量系统(如V-STARS系统，精度高于1： 100000)，以及结构光系统(如ShapeCam系统[2])等。 2．1激光扫描系统 以VIVID910激光扫描仪为例，激光扫描系统具有一些 明显的优点：快速(根据不同的扫描模式，扫描时间从0．3秒 到2．5秒)、数据量大(在不同的模式，至多可以得到77000到 300000个点的数据)、精度高(扫描精度分别为0．22毫米和 0．16毫米)而且操作简单。可以根据物体大小的不同和测量 距离的需要，在三种镜头间进行切换。 文[3]在使用全向激光测距记录深度数据的同时，使用全 向拍摄系统对室外场景进行拍照。利用室外场景中的各种平 面区域，如墙壁、道路，使用ICP算法来同步匹配距离数据。 然后，利用同地拍摄的照片，以相应的分辨率。对场景模型进 *)基金项目：国家自然科学基金(60473117)。栾悉道博士生，研究方向为多媒体信息系统与虚拟现实技术。 ·208· 万方数据