数字展馆中三维模型的快速建模及优化技术研究

2018-02-17侯守明

信息记录材料 2018年1期

关键词：虚拟环境展馆虚拟现实

侯守明，景静

（河南理工大学计算机科学与技术学院河南焦作 454003）

数字展馆中三维模型的快速建模及优化技术研究

侯守明，景静

（河南理工大学计算机科学与技术学院河南焦作 454003）

虚拟现实技术是20世纪末发展起来的一种利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境，并通过使用传感设备与之交互的新技术，数字展馆利用虚拟现实技术及数字化手段来实现藏品保存，陈列展示，科学研究和社会教育等功能。数字展馆的核心内容是建立逼真的虚拟环境，场景建模是构造数字展馆的第一步，本文通过查询现有资料，对数字展馆中三维模型的快速建模及场景优化技术进行了相应的研究。

数字展馆；快速建模；场景优化

1 引言

虚拟现实技术是20世纪末发展起来的一种利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境，并通过使用传感设备与之交互的新技术。虚拟现实技术在国外发展较早，已经有了近30年的研究使用历史[1]。它有非常广泛的应用领域，如博物馆的三维虚拟展厅、军事模拟训练、医疗救治模拟方案等各方面都有它的影子。中国对虚拟现实技术的研发也非常重视，已经有十多年的研究和应用。

三维虚拟展馆以传统展馆为基础，利用三维虚拟技术将展馆及其陈列品进行数据收集、建模，将其放在互联网上进行展示、宣传，人们参观展馆时不再受时间和空间的限制。具有环境可控、互动体验、扩充性好、信息丰富、使用便利、节约资源、低碳环保等显著特点，受到了国内外广泛的重视。所以三维展馆中如何采用编写脚本或者插件的方法对已有场馆的CAD模型进行快速、自动的简化、优化，满足虚拟现实场景的需求特点，从而提高建模效率，节约开发时间，是一个非常值得研究的问题。

2 虚拟展馆的快速建模

在虚拟现实系统中，第一步就是场景建模，建立一个逼真的虚拟环境，是它的核心内容。然后在此模型的基础上，进行绘制、消隐等后期工作，最终构成一个能使人感到“身临其境”的虚拟世界。目前，虚拟现实建模技术主要分为传统建模技术和快速建模技术。

2.1 传统建模技术

传统建模技术包括以下几种：

（1）几何建模技术，一种传统的构造三维虚拟场景的方法，它以计算机图形学为基础，数学模型为支撑，构建出虚拟对象的几何轮廓，它通过对点、线、面等几何元素的数学描述，经过平移、旋转、变比等几何变换和并、交、差等集合运算来构建对象的几何外观特征，但是还要经过光照、阴影处理、纹理映射等技术对模型进行渲染，使其更加贴近现实场景，以达到令人满意的效果。通常利用专业的三维建模软件或一些程序语言进行建模。

（2）图像建模技术利用外部设备，如高清数码相机等图像工具，采集物体的数据资料并进行处理，将接近视线的画面方向的画面进行变换，插值与变形，最后生成当前视点的虚拟环境，即照片建模技术（IBMR）。

（3）将几何建模技术与图像建模技术的优势相结合起来的方法就是混合建模技术，他能使建模达到最好的效果。它最基本做法就是在建模场景中针对不同部分采用适合它的不同方法，一般系统中的全景视觉效果可以采用图像建模技术，；而对于场景中需要与用户进行交流的部分采用几何建模技术来增强用户在虚拟环境中的沉浸感[2]。

2.2 快速建模技术

快速建模技术有以下几种方式

2.2.1 建立常见的几何图形模型库，如树木，花草等常用模型，当需要其时，可以直接使用，既简化了复杂的建模程序，又节省了建模时间。

2.2.2 自动的几何建模方法自动的几何建模方法有很多，三维扫描仪就是一种常见的自动建模方法。它可以快速有效的对真实物体进行数据收集，并将收集的物体信息转化为数字信号，再经过计算机的处理进行建模，省略了许多复杂的建模程序，节省了建模时间。

传统的三维扫描技术主要分为两大类，一类是接触式扫描，可以通过接触物体表面来获得物体的三维几何信息，这类设备适用性强、精度高、不受环境光照和物体颜色的限制，但由于接触物体，容易受物体周边环境于物体本身材质的影响，效率低，速度慢，价格昂贵，普及困难；另一类是非接触式扫面，包括激光扫面，结构光扫面、基于多台彩色相机三维重建系统等，但这类也存在操作复杂价格昂贵的缺点，同时也需要后期大量的人工操作才能得到较好的效果。

近年来，kinect等深度相机不断涌现这类设备具有能够快速地同时获取场景彩色图像和深度信息，且其不受环境可见光谱干扰，成本更为低廉等优点，给3D扫描技术更广阔的前景[3]。

2.2.3 ipad+ItSeez3D应用建模方法

苹果公司推出了一款新的ipad应用——ItSeez3D，该应用可以结合Occipita结构传感器，让ipad永科在家中就能将各种物体甚至是人转化为3D模型。该3D是扫描装置通过连接ItSeez3D应用以及ipad上的Structure Sensor设备，是使用者可以快速的捕捉物体的外形及颜色，并将截取的完成的资料上传至云端，完整的3D模型将在几分钟之内传回到ipad上，同时传回的模型既可以导入到3D打印机中，也可以导入到CAD软件进行编辑，最后制造出一个复制品。

3 场景建模的优化方法

建模过程中，场景优化是不可缺少的一部分，优化结果对虚拟漫游场景有着重要的影响，优化结果的好换影响着系统运行的效率和流畅性。为了提高系统的运行效率和流畅性，必须对模型进行优化处理。场景优化除了加强硬件上的配置，常见的还有以下几种方式：

3.1 优化文件中的导入模型

建模时为了保证模型的准确性，文件中数据精度比较高，用来描述的几何体比较复杂，这就使文件过于庞大，网上传输时不流畅。适当的减小数据的精度，重新设置模型中所有数据的精度，减小数据量，可以使用户浏览更加流畅。在模型中，尽量在可以使用基本几何体的地方使用基本几何体。

3.2 场景分块

在一个复杂场景中，我们可以将其分为多个子场景，根据试点的变化，我们可以将子场景进行分类，可分为可见场景、部分可见场景和不可见场景。例如虚拟展馆中按场馆或展厅可分为多个子场景，观察者处在哪个场馆前只可看到视点中这个展厅内的场景。这样就可以去掉可是空间以外的部分，从而降低场景的复杂程度，加强系统漫游的流畅率。