逆向工程中三维建模模型纹理贴图方法探究

0 引言

逆向工程（又称反求工程）是指以实物为依据，获取其点云数据并构造出三维模型，继而将这些模型用于产品的分析与制造[1]。作为数字化建设中的关键技术，逆向工程随着数字化建设逐步融入我国的各个行业并获得了重要的应用价值。

1 逆向工程

1.1 技术路线

在逆向工程中，首先需要外业测量，其主要任务是测量扫描物体的点云数据并拍摄相应的纹理照片。其次内业处理，将外业测量得到的数据进行降噪、拼接、剪辑。最后，进行三维建模并完成模型贴图，如图1所示。

图1 逆向工程流程图

1.2 存在问题

三维建模后期需要对模型进行纹理贴图，贴图的方法较多，各个方法有不同的优缺点和适用范围，如何选择一种适用模型特点并能逼真还原模型的贴图方法是急需解决的问题。

2 纹理贴图方法探究

本文以某油田数字化项目为例，选择阀门、地面、电动机防护罩三种比较有特点的模型，探究三种贴图方法在不同模型上面的贴图效果、内存占用量和操作难易程度。

2.1 UVW展开贴图

UVW展开贴图是一种贴图方法，它能将三维模型展开成为带有坐标信息的二维图纸，在其各个位置附上贴图，即可得到与三维模型一一对应的三维模型贴图。

2.1.1 阀门

以阀门模型为例，如图2所示，使用UVW展开贴图步骤如下：

1）选中阀门模型，选择修改-UVW展开。

2）打开UV编辑器，调整贴图的位置，以便于后期附上纹理图片，如图3所示。

3）设置UV模板的宽度和高度均为512（为了方便比较，所有贴图方法的贴图尺寸为512×512），在PS软件中将其附上相应的纹理贴图，如图4所示。

4）将图4处理后的带有坐标信息的纹理图片附给模型，最终效果图如图5所示。

阀门UVW展开贴图的纹理图片尺寸为512×512，内存占用量为74.4kB。

图2 阀门模型

图3 阀门UV展开图

图4 纹理贴图

图5 阀门UVW展开效果图

2.1.2 地面

对地面模型UVW展开贴图，处理完纹理之后附给地面模型，最终效果图如图6所示。地面的纹理图片尺寸为512×512，内存占用量为64.8kB。

图6 地面UVW展开效果图

2.1.3 电动机防护罩

由于电机防护罩模型贴图需要部分透明，能隔着模型看到后边的物体，所以无法用UVW展开方法进行贴图，因此不对其贴图研究。

2.2 多维材质贴图

多维材质贴图是常用的一种贴图方法，对于一个模型，它可以用一个多维子材质来表现多个材质才能表现的效果。

2.2.1 地面

以地面模型为例，多维材质贴图步骤如下：

1）根据现场地面材质分类，按照顺序设置相应区域的材质ID编号，如图7所示。

2）选择材质一致的区域，附上纹理图片，调整纹理的位置，最后将地面模型转换成可编辑多边形。

3）重复步骤2）的操作，直至将所有材质全部附给地面，最终多维材质球和模型效果图片如图8所示。

此地面模型多维制材质贴图一共用到10幅纹理图片，每一幅图片尺寸为512×512，内存占用量共598.5kB。

图7 材质ID编号

图8 地面多维材质球和最终效果

2.2.2 阀门

对阀门多维材质贴图，最终多维材质球和模型效果如图9所示。本次阀门多维材质贴图共用到三幅纹理图片，每一幅图片尺寸为512×512，内存占用量共176.5kB。

图9 阀门多维材质贴图效果

2.2.3 电动机防护罩

由于使用多维材质贴图无法实现透明效果，因此不对电动机防护罩模型多维材质贴图。

2.3 透明贴图

透明贴图是一种常用的纹理贴图方法，它不仅可以还原模型真实纹理，还能达到透过模型看到后边设备的效果。

2.3.1 电动机防护罩

以电动机防护罩为例，透明贴图步骤如下：

1）处理纹理图片，根据拍摄的图片处理需要显示的纹理，格式保存为jpg，如图10所示。

2）处理透明图片，根据“黑透白不透”的原则，将需要显示的部分做成白色，将需要透过的地方做成黑色，格式保存为png，如图11所示。

3）在材质球里边，先把纹理图片设置在漫反射颜色的位图里边，再将透明图片设置不透明度的位图里边，最后将材质附给模型，最终材质球和效果图如图12所示。

此次电动机防护罩透明贴图共用两幅图片，尺寸均为512×512，内存占用量为192.9kB。

图10 纹理图片

图11 透明图片

图12 透明贴图最终效果

2.3.2 其他

由于阀门模型和地面模型不要透明效果，因此不再对其透明贴图。

3 结论

本文介绍了三种常用纹理贴图方法，并通过各种方法在阀门、地面、电动机防护罩三种模型上面的对比应用，主要得到以下结论。

1）UVW展开适合于模型表面复杂、贴图坐标不规则、模型较小且需要显示细腻的情况，例如阀门等各种设备、房屋。它不仅可以做出精致的纹理贴图、逼真

【】【】细腻的三维效果，还具有较小的内存占用空间。但是，在UV编辑的时候，需要对重点突出的多边形放大、拼接、移动，对其他地方简化处理，这一过程操作复杂、耗时较长。

2）多维材质贴图适合于模型较大且需要较多纹理图片的情况，例如大场景地面模型、墙体模型，它具有较高的细腻的显示效果。但是其操作步骤较多，纹理图片较多，有较大的内存占用量。

3）透明贴图适合于需要透过模型可以看到后边物体的情况，例如门、窗、电动机防护罩等。它的显示效果比较好，很有科技感，但是其操作较复杂，需要耐心地处理透明图片，内存占用量一般。

参考文献：

[1]朱昱,李小武,魏金栋,汪兴兴,朱杨杨,倪红军.基于逆向工程的三维模型重构[J].塑料科技,2017,45(04):79-83.

[2]傅咏冬.基于三维城市模型的纹理图像的处理方法研究[J].城市勘测,2003,(04):27-28,30.

[3]方毛林,谢海荣,高飞,叶周润.基于三维激光扫描的雕像建模与贴图[J].北京测绘,2016,(05):120-123.

[4]陈立,王文开,胡嫣,黄会祺.基于3DS MAX的三维虚拟校园动画漫游的实现[J].中国教育信息化,2010,(05):81-84.