數字展館中三維模型的快速建模及優化技術研究
摘要：虛擬現實技術是20世紀末發展起來的一種利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環境, 並通過使用感測設備與之交互的新技術, 數字展館利用虛擬現實技術及數字化手段來實現藏品保存, 陳列展示, 科學研究和社會教育等功能。數字展館的核心內容是建立逼真的虛擬環境, 場景建模是構造數字展館的第一步, 本文通過查詢現有資料, 對數字展館中三維模型的快速建模及場景優化技術進行了相應的研究。
關鍵詞：數字展館; 快速建模; 場景優化;
1 引言
虛擬現實技術是20世紀末發展起來的一種利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環境, 並通過使用感測設備與之交互的新技術。虛擬現實技術在國外發展較早, 已經有了近30年的研究使用歷史[1]。它有非常廣泛的應用領域, 如博物館的三維虛擬展廳、軍事模擬訓練、醫療救治模擬方案等各方面都有它的影子。中國對虛擬現實技術的研發也非常重視, 已經有十多年的研究和應用。
三維虛擬展館以傳統展館為基礎, 利用三維虛擬技術將展館及其陳列品進行數據收集、建模, 將其放在互聯網上進行展示、宣傳, 人們參觀展館時不再受時間和空間的限制。具有環境可控、互動體驗、擴充性好、信息豐富、使用便利、節約資源、低碳環保等顯著特點, 受到了國內外廣泛的重視。所以三維展館中如何採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、優化, 滿足虛擬現實場景的需求特點, 從而提高建模效率, 節約開發時間, 是一個非常值得研究的問題。
2 虛擬展館的快速建模
在虛擬現實系統中, 第一步就是場景建模, 建立一個逼真的虛擬環境, 是它的核心內容。然後在此模型的基礎上, 進行繪製、消隱等後期工作, 最終構成一個能使人感到「身臨其境」的虛擬世界。目前, 虛擬現實建模技術主要分為傳統建模技術和快速建模技術。
2.1 傳統建模技術
傳統建模技術包括以下幾種:
(1) 幾何建模技術, 一種傳統的構造三維虛擬場景的方法, 它以計算機圖形學為基礎, 數學模型為支撐, 構建出虛擬對象的幾何輪廓, 它通過對點、線、面等幾何元素的數學描述, 經過平移、旋轉、變比等幾何變換和並、交、差等集合運算來構建對象的幾何外觀特徵, 但是還要經過光照、陰影處理、紋理映射等技術對模型進行渲染, 使其更加貼近現實場景, 以達到令人滿意的效果。通常利用專業的三維建模軟體或一些程序語言進行建模。
(2) 圖像建模技術利用外部設備, 如高清數碼相機等圖像工具, 採集物體的數據資料並進行處理, 將接近視線的畫面方向的畫面進行變換, 插值與變形, 最後生成當前視點的虛擬環境, 即照片建模技術 (IBMR) 。
(3) 將幾何建模技術與圖像建模技術的優勢相結合起來的方法就是混合建模技術, 他能使建模達到最好的效果。它最基本做法就是在建模場景中針對不同部分採用適合它的不同方法, 一般系統中的全景視覺效果可以採用圖像建模技術, ;而對於場景中需要與用戶進行交流的部分採用幾何建模技術來增強用戶在虛擬環境中的沉浸感[2]。
2.2 快速建模技術
快速建模技術有以下幾種方式
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, 當需要其時, 可以直接使用, 既簡化了複雜的建模程序, 又節省了建模時間。
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據收集, 並將收集的物體信息轉化為數字信號, 再經過計算機的處理進行建模, 省略了許多複雜的建模程序, 節省了建模時間。
傳統的三維掃描技術主要分為兩大類, 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, 這類設備適用性強、精度高、不受環境光照和物體顏色的限制, 但由於接觸物體, 容易受物體周邊環境於物體本身材質的影響, 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, 結構光掃面、基於多台彩色相機三維重建系統等, 但這類也存在操作複雜價格昂貴的缺點, 同時也需要後期大量的人工操作才能得到較好的效果。
近年來, kinect等深度相機不斷湧現這類設備具有能夠快速地同時獲取場景彩色圖像和深度信息, 且其不受環境可見光譜干擾, 成本更為低廉等優點, 給3D掃描技術更廣闊的前景[3]。
2.2.3 ipad+It Seez3D應用建模方法
蘋果公司推出了一款新的ipad應用——It Seez3D, 該應用可以結合Occipita結構感測器, 讓ipad永科在家中就能將各種物體甚至是人轉化為3D模型。該3D是掃描裝置通過連接It Seez3D應用以及ipad上的Structure Sensor設備, 是使用者可以快速的捕捉物體的外形及顏色, 並將截取的完成的資料上傳至雲端, 完整的3D模型將在幾分鐘之內傳回到ipad上, 同時傳回的模型既可以導入到3D印表機中, 也可以導入到CAD軟體進行編輯, 最後製造出一個複製品。
3 場景建模的優化方法
建模過程中, 場景優化是不可缺少的一部分, 優化結果對虛擬漫遊場景有著重要的影響, 優化結果的好換影響著系統運行的效率和流暢性。為了提高系統的運行效率和流暢性, 必須對模型進行優化處理。場景優化除了加強硬體上的配置, 常見的還有以下幾種方式:
3.1 優化文件中的導入模型
建模時為了保證模型的準確性, 文件中數據精度比較高, 用來描述的幾何體比較複雜, 這就使文件過於龐大, 網上傳輸時不流暢。適當的減小數據的精度, 重新設置模型中所有數據的精度, 減小數據量, 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
在一個複雜場景中, 我們可以將其分為多個子場景, 根據試點的變化, 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, 從而降低場景的複雜程度, 加強系統漫遊的流暢率。
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視點有密切關係。這種方法使用戶僅能看到當前場景, 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量。常見的消隱法主要有表優先順序演算法、Weiler-Atherton消隱演算法、Z緩衝器演算法等。
3.4 細節層次模型
細節層次模型是指同一個對象模型使用不同細節的描述方法得到一組模型。所謂層次控制是根據觀察者在不同位置上對模型的不同分辨來進行優化的, 根據這一原理, 我們在創建物體時創建不同細節的模型, 然後根據觀察者與模型的距離決定使用何種模型。
4 結語
本文主要介紹了虛擬展館的建模技術和場景優化技術, 給出了常用的幾種建模技術及場景優化方法, 以解決模型的精細度與實時性之間的矛盾[4], 為後期場景漫遊的實現奠定了良好基礎。
參考文獻
[1]姜學智李忠華.國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].遼寧工程技術大學學報, 2004, (2) :238-240
[2]李培.基於虛擬環境的博物館數字建模及場景優化技術研究[D].蘭州交通大學, 2013.
[3]楊紅庄.全自動深度相機三維掃描系統[D].中國科學技術大學:楊紅庄, 2015.
[4]李瑩.基於3ds+Max的建築虛擬場景建模及優化技術研究[J].計算機光碟軟體與應用, 2014, (02) :26-27
