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