介绍两种真实感图形实时绘制技术场景简化技术;基于图像
基于图形图像的三维建模技术探讨
基于图形图像的三维建模技术探讨摘要：现代的工程建筑设计、产品设计和地理信息研究等方面离不开三维建模技术。
虚拟场景的构建是虚拟技术的重点和难点，同时，在产品设计中也要应用图像图形的融合技术来构建三维模型。
本文对基于图形的三维建模、基于图形的三维建模和图形图像混合建模进行了探讨，为三维建模提出了新的思路。
关键词：图形图像；三维建模；探讨中图分类号：tp319 文献标识码：a 文章编号：1007-9599 （2013） 02-0000-021 基于图像的虚拟建模技术1.1 基于图像建模技术的实现过程。
基于图像的建模技术技术摆脱了对三维几何的依赖，单纯利用照相机拍摄的离散图像或摄像机录下的视频图像为基础，经过技术处理后生成真实的景观图像，之后利用适合表现图片景象的空间模型把全景图像做成虚拟的实景空间，通过软件操作，可以对实景空间进行前进、后退、环视、仰视、近看、远看等操作，实现用户对场景的三维角度观察，这些操作过程在普通计算机上就可以实现。
全景生成技术是基于图像处理来建立三维模型的关键，有了它就可以实现对实景的虚拟再现，生成的全景图按照可浏览的角度划分为柱面全景图和球面全景图。
柱面全景图可以满足对水平空间的360度转化观察，而球面全景图可以实现经纬360的浏览转化。
1.2 基于图像建模的基本方法。
按照视觉的形式来构建三维模型是计算机视觉领域中的典型技术，主用用车船、飞机等交通工具的导航设备上。
由pollefeys等人提出的多幅图像的处理技术，主张从同一物体所对应的几个不同的对应点信息中提取出物体外形的轮廓信息，这些信息由5部分构成：匹配和抽取特征点；相机定标；重投影图像生成；立体像的校正位置和曲面散乱点构建。
建立立体视觉模型有一个完善的基本原理，具体内容是：根据已知的两幅照片来确认物体所一一对应的点，这些对应点实际上是物体表面上同一个的投影形成的两个不同位置的点。
通过对物体同一点在两个图片中的两个投影点位置的确定，可以找出相机内部和外部的参数。
武汉大学遥感学院 虚拟现实 重点资料
第一章虚拟现实概念一、虚拟现实定义：虚拟+现实（1）如何获得体验？（2）相关定义：幻境/灵境，人工现实，赛博空间，增强现实（3）虚拟现实与仿真的不同（4）虚拟现实与三维动画二、虚拟现实的特征（四个）临境性/沉浸性，交互性，想象性/构想性，多感知性三、虚拟现实的发展历程（1）Lanier——虚拟现实天才（2）VPL的发展，VPL（3）虚拟现实发展方向（4）国内外研究虚拟现实的主要机构（5）应用（复习PPT中）四、虚拟现实主要技术内容，技术体系（1）实时三维计算机图形技术（2）广角的立体显示（3）用户的跟踪（4）立体声（5）触觉与力觉反馈（6）语音输入输出五、虚拟现实系统（四个）桌面使，沉浸式，增强式，分布式第二章虚拟现实系统输入输出设备一、虚拟现实硬件的系统集成（1）虚拟现实系统需要（2）计算机系统的功能（3）虚拟现实系统平台——VIEW二、典型输入输出装置（六个）（1）三维跟踪传感设备1、跟踪器2、不良跟踪3、衡量跟踪器性能的参数（五个）：精度、抖动、偏差、延迟、更新率4、三维跟踪器类型（五个），各类跟踪器优缺点、定义、原理机械、电磁、超声波、光学、混合惯性跟踪器（2）漫游和操纵借口：鼠标（3）手势接口（4）立体显示器1、立体显示原理：立体图绘制，立体图像显示、绘制，立体视觉2、装置：眼镜，头盔显示器，立体显示投影，3D显示器3、应用（5）触觉和力觉反馈装置1、分类：接触反馈，力反馈2、触觉反馈借口<1>要求：真实性，安全性，轻便舒适性，折中性<2>分类：触觉鼠标、手套，温度反馈手套3、人类触觉系统——感知类型（四个）触觉感知，温度感知，本体感知，肌肉运动感知4、力反馈借口<1>特点：机械带宽概念<2>操纵杆，臂，手套（特点）（6）3D声音生成器三、虚拟现实系统中人的因素（四个）（1）虚拟现实系统组成：计算机，借口和用户（2）眼镜，耳朵，身体感觉（深部感觉，内脏感觉，本体感觉，外感受感觉），平衡与运动眩晕第三章虚拟现实建模技术一、虚拟现实建模概述：虚拟环境建模与传统CAD建模的不同？（1）虚拟现实中三类虚拟环境真实世界环境的模仿，人类主观构造的环境，真实世界人类不可见环境的模仿（2）虚拟环境（五个）（5）虚拟物体，虚拟光（虚拟环境的照明方式：现实/虚拟世界），物理仿真，动画，碰撞检测（3）处理流程（输入位置，输出视频、音频、触觉）（4）虚拟物体的特性（五个）1、静态和动态特性2、物理约束3、细节层次4、表面属性5、音频装置二、如何实施虚拟环境的建模？：对模型建模1、虚拟世界中的模型：静态模型描述，动态模型建立2、如何完整的描述出模型？模型信息：视觉外形，物体特性，实体信息，环境信息三、虚拟现实的建模（视觉建模）（1）几何建模1、实体对象的组织方法：层次建模方法，属主建模方法2、实体的几何模型<1>对象形状：三维建模软件绘制三维模型，从商业数据库中购买现有的三维模型，用特殊的硬件或软件实现自动三维建模<2>对象外表：增加物体的多边形（before），实时纹理处理能力（after）（2）运动建模（3）物理建模1、对象的物体特性（两个）2、VR 的物理属性用微分方程来描述，构成动力学系统：由系统分析和系统仿真来研究。
基于图像的图形绘制技术的应用
了在 Ｉｔ ｔ ｎｅ ｍｅ 网上进 行虚 拟环 境 漫游 的功 能。
关 键 词 基 于 图像 的绘 制 技 术 全 光 函数 全 景 图 投 影 变 换
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计算机图形图像技术
最常用旳图形输入设备是键盘和鼠标。人们 一般经过某些图形软件由键盘和鼠标直接在屏幕 上定位和输入图形，如CAD系统就是用鼠标和键盘 命令制作多种工程图旳。另外还有跟踪球、空间 球、数据手套、光笔、触摸屏等输入设备。跟踪 球和空间球是根据球在不同方向受到旳推或拉旳 压力来实现定位和选择。数据手套则是经过传感 器和天线来发送手指旳位置和方向旳信息。这几 种输入设备在虚拟现实场景旳构造和漫游中尤其 有用。光笔是一种检测光旳装置，它直接在屏幕 上操作，拾取位置。
可用于美术创做旳软件诸多，如二维平面旳 绘图程序CorelDraw, photoshop, paintshop, 三 维动画建模和渲染软件3D MAX, Maya等
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❖ 7.3 图形与图像旳区别与联络 图形和图像有着较大不同。因而计算机图形学和
数字图像处理目前仍被作为两门不同课程。 计算机图形学是指将点、线、面、曲面等实体生
计算机图形学一种主要旳目旳就是利用计算 机产生令人赏心悦目旳真实感图形。为此，必须 建立图形所描述旳场景旳几何表达，再用某种光 照模型计算在假想旳光源、纹理、材质属性下旳 光照明效果，所以，计算机图形学与计算机辅助 设计有着亲密联络。
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❖ 7.1.2 计算机图形处理旳基本概念 计算机图形处理是指把由概念或数学描述
目前正在研究下一代顾客界面，开发面对主流 应用旳自然、高效多通道旳顾客界面。研究多通道 语义模型、多通道整合算法及其软件构造和界面范 式是目前顾客界面和接口方面研究旳主流方向，而 图形学在其中起主导作用。
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➢ 地形地貌和自然资源图 国土基础信息是国家经济系统旳一种构成部
分。利用这些存储旳信息可绘制平面图、生成三 维地形地貌图，为高层次旳国土整改进行预测和 提供决策，为综合治理和资源开发研究提供科学 根据，在军事方面也有主要价值。
图像处理技术的特点和应用场景
图像处理技术的特点和应用场景随着时代的进步和科技的发展，图像处理技术在各个领域中扮演着愈加重要的角色。
它能够将数字图像处理成为更易懂、更有意义的信息，让人们更好地理解和应用它们。
在非常多的领域中，图像处理技术的应用已经逐渐走向成熟，成为社会和经济发展的新引擎，同时它也有自身的独特性质和特点。
第一特点：图像处理技术的非线性在数字图像处理中，图像是一种复杂的、非线性的数据结构。
这意味着，在一定条件下，图像处理技术可以通过线性过滤方法对其进行处理。
但在更多的情况下，图像处理需要采用非线性方法，以得到更精确的结果。
微分算子、纹理特征、形态学等非线性的技术轻而易举解决了许多线性算法无法解决的问题。
非线性算法也能够加强像素表达的具体细节和局部性，更好地反映物体特征，同时还能够实现更加稳健的算法，拥有强大的适用性。
第二特点：图像处理技术的实时性随着科技的发展和计算机硬件性能的提升，当今的图像处理技术可以实现实时处理，即当数据产生时就能够及时响应和处理。
例如，实时视频图像流处理技术可以逐一检测视频图像中的特定物体，实现实时的警报并群众准确化。
实时图像处理技术能够显著提高人们的行动速度和生产效率，在实时控制和决策方面发挥更大的作用。
第三特点：图像处理技术的可扩展性图像处理技术具有很强的可扩展性，在不断发展中逐渐形成了一个庞大的技术库。
这意味着，图像处理技术可以适应不同的领域、不同的应用场景和不同的问题。
同时，图像处理还可以通过不同的算法和技术进行优化和改进，以应对新的挑战。
一种算法可以被分解成一个操作序列，每个操作都可以用比它更基础、更强大的操作替换。
在底层操作的规范和组合下，算法能够不断发展，逐渐深入优化。
应用场景:医学影像图像处理技术在医学领域中有着很大的应用。
如CT、MRI等图像逐渐被医生用来进行诊断。
珍贵的医学影像数据中蕴含着大量的信息，如果不进行图像处理，解读这些影像就会显得困难。
因此，图像处理技术可以进行图像增强、小波变换、分割和分类等操作，提供高清晰度的影像，将潜在的病情清晰地呈现。
真实感实时绘制技术综述
程志全 ， 党 岗， 金士尧
ＣＨＥＮＧ ｈ ｑ ａ Ｄ Ｚ ￣ ｕ ｎ， ＡＮＧ ｎ ， Ｓ ｉ ａ Ｇａ ｇＪ ｈ－ ｏ ｙ
3D max 简介
3D Studio MAX 简介3D Studio MAX是Kinetix公司推出的一套强大的三维建模软件,由于它是基于Win NT 或Win98平台的，方便易学，又因其相对低廉的价格优势,所以成为目前个人PC上最为流行的三维建模软件。
其3.0版本的推出，更是巩固了它在个人PC平台上的地位。
它的3.0版本相较以前的版本有了明显的改进,具体表现在以下几个方面:⑴工作流模式使得工作组的协调更容易，效率更高。
3D Studio MAX R3引入了工作流模式，在具体的实现上从外部参考体系（XRef）、示意视图（Schematic View）的引入以及现在3D MAX 可以使用其他程序从外部加以控制，而不必激活它的工作界面。
⑵易用性的改进。
操作界面的改进是Release 3.0版本的最显著的变化，除了外观的变化之外，R3.0版本还增加了诸如用户自定义界面、宏记录、插件代码、变换Gizmo、轨迹条等功能。
⑶渲染的改进。
Autodesk公司在收购了以渲染和视频技术闻名的Discreet Logic公司，吸收了该公司的先进技术，3D MAX R3 对其渲染器几乎做了重新设计，不仅增加了渲染的速度，而且提高了画面渲染的质量。
⑷建模技术的增强。
建模技术的增强是3D Studio MAX最重要、最突出的改进，这也是在虚拟现实系统构建中应用它的一个有力的原因。
主要的改进包括：①细分曲面技术(Subdivision Surface) 。
3DS MAX 包含了细分曲面技术，细分曲面技术是1998年以来业界最流行的建模技术，大有赶超NURBS技术之势，它可以使模型建立更容易，而且效果更好。
②柔性选择。
此项技术可以“部分地”选择顶点，从而在变换顶点时获得光滑、柔和的效果,这对建立复杂物体的模型时非常有用。
③曲面工具和改进的NURBS技术。
使用曲面工具可以产生很复杂的“面片”模型，这亦是一种重要的建模方法，Release 3.0版本中的NURBS技术不但速度加快，而且增加了一系列方便、易用的功能。
实景合成原理及应用实例
实景合成原理及应用实例实景合成(Image-based Rendering) 是指根据已有的场景图像或模型信息，通过计算机算法生成新的合成图像的过程。
实景合成技术在计算机图形学、计算机视觉、虚拟现实等领域得到广泛应用。
实景合成的原理主要分为两种方法：基于图像的实景合成和基于模型的实景合成。
1. 基于图像的实景合成：基于图像的实景合成是在已有的一组图片上进行合成。
这种方法利用图像的纹理和颜色信息，通过对图像进行几何和光照的变换，生成新的合成图像。
常用的方法包括纹理映射(Texure Mapping)和视图插值(View Interpolation)。
- 纹理映射：纹理映射是将一个图片的纹理映射到另一个几何模型上的过程。
通过将源图像中的纹理信息根据新的几何模型进行变换，可以生成一个新的合成图像。
纹理映射广泛应用于计算机游戏、虚拟现实、电影特效等领域。
- 视图插值：视图插值是在已知的多个角度或视角的图像上生成新的视角图像。
通过计算不同视角图像之间的差异，再根据新的视角位置生成中间视角的图像。
视图插值在视频压缩、视频合成等领域中得到广泛应用。
2. 基于模型的实景合成：基于模型的实景合成是在已有的三维模型或场景信息的基础上进行合成。
这种方法利用已知的几何、光照和材质等信息，通过渲染算法生成新的合成图像。
常用的方法包括光线追踪(Ray Tracing)和辐射传输方程(Radiosity)。
- 光线追踪：光线追踪是一种模拟光线在场景中的传播和反射的算法。
通过追踪反射、折射和阴影等现象，计算光线最终到达像素的颜色和亮度。
光线追踪可以生成高质量的合成图像，但计算复杂度较高，常用于电影特效和产品设计等领域。
- 辐射传输方程：辐射传输方程是描述光在物体表面上的传播和散射的方程。
通过求解辐射传输方程，可以计算物体表面上每个点的颜色和亮度。
辐射传输方程常用于室内场景的光照计算和逼真的渲染。
实景合成技术在多个领域都有广泛应用。
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Schrocde 等人提出的三角网格简化算法通过引入 一些局部判别准则来删除顶点或边，他们的局部判 别准则主要基于相邻面片和边界内部顶点v ，记其周围相邻面片集为S , 则 该点的平坦性标准由下述的距离来描述： d ＝|N· （v 一C )|
其中N为向量
的单位向量。
· 总之，层次细节简化技术的研究主要集中在： 建立不同层次细节的模型。对任意给定的复杂多边 形网格M ，由精细至粗糙建立一模型序列： M0,M1…Mn ，其中M0=Mn 。 建立相邻层次的多边形网格Mi,Mi+1(0<i<n)之间 ：Mi Mi+1 的几何形状过渡：
· 从网格的几何及拓扑特性出发，存在着三种不同基 本化简操作，它们分别是： -顶点删除操作【 SCHR92 ] ，删除网格中的一个 项点，然后对它的相邻三角形形成的空洞作三角剖 分，以保持网格的拓扑一致性； 点删除
· 层次细节简化技术就是在不影响画面视觉效果的条 件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的 几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。该技术通 常对一个原始多面体模型建立几个不同逼近程度的 几何模型。与原模型相比，每个模型均保留一定层 次的细节，当从近处观察物体时，我们采用精细的 模型，而当从远处观察物体时，则采用较粗糙的模 型。 · 当视点连续变化时，在两个不同层次的模型之间 就存在一个明显的跳跃，有必要在相邻层次的模型 之间形成光滑的视觉过渡，即：几何形状过渡 《 geomorphs ）。
· 尽管现在的计算机硬件水平有了很大的提高，而且 对于这些真实感图形学算法的研究也有了很大的发 展，但是，满足某些需要实时图形显示的任务要求。 例如 一动态模拟 一实时交互的科学计算可视化 一虚拟现实系统
· 实时真实感图像学技术是在当前图形算法和硬件 条件的限制下提出的在一定的时间内完成真实感图 形图像绘制的技术。一般来说，它是通过损失一定 的图形质量来达到实时绘制真实感图像的目的。就 目前的技术而言，主要是通过降低显示三维场景模 型的复杂度来实现，这种技术被称为层次细节显示 和简化技术。
- 边压缩操作［H0PP93,96] ，把网格上的一条边 压缩为一个顶点，与该边相邻的两个三角形的退化 （面积为零），而它的两个项点融合为一个新的顶 点； 边删除
- 面片收缩操作［GIEN97 ] ，把网格上的一个面片 收缩为一个项点，该三角形本身和与其相邻的三个 三角形都退化，而它的三个顶点收缩为一个新的项 点。 面删除
这里，A（f），c（f），n（f）分别为三角面片的面 积、中心和法向量。
对边界顶点v ，记与它相邻的两个边界顶点为 V1、V2 则其平坦性标准定义为v 与v1与V2 连 线的距离。 SchroederW , ZargeJ 人and Lorensen WE , Decimation of triangle meshes , Computer Graph ics , 1992 , 26一2，65 一70 .
假设景物表面己离散为一系列三角形，顶点删除 算法首先从原始模型的顶点集中删除一些不重要的 顶点，同时从其面片集中删除与这些顶点相连的所 有面片。经上述操作后在原景物表面上留下了一些 空洞，算法然后对这些空洞进行局部三角剖分。由 于局部三角剖分产生的三角形数目少于删除掉的三 角片数目，因而新模型的．几何复杂性比原模型低。
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层次细节简化的必要性 当场景中许多面片在屏幕上的投影小于一个象素， 我们可以合并这些可见面而不损失画面的视觉效果。 层次细节简化（LO D：Leve1 of Detais）技术就 是顺应这一潮流而发展起来的一种快速显示技术。 层次细节技术最初是为简化采样密集的多面体网格 物体．而设计的一种算法．这些复杂的多面体网格 往往通过激光扫描测距系统扫描真实三维物体而得 到．为真实反映原物体的表面变化．扫描过程中所 采取的采样点非常稠密．这为三维场景的存储／传 输／及绘制带来极大的困难．为此人们开始研究复 杂多面体网格的简化。
· 在最近的几年中，又出现了一种全新思想的真实感 图像生成技术一基于图像的绘制技术( Image Based Rondoring ) ，它利用已有的图像来生成不 同视点下的场景真实感图像，生成图像的速度和质 量都是以前的技术所不能比拟的，具有很高的应用 前景。
· 在虚拟环境中，若采用单个计算机来生成左右眼立 体显示画面，且生成左右眼画面的时间大致相等， 则每幅画面的绘制时间应少于1 / 48 秒。由于虚拟 环境中所涉及的场景常包含数十万甚至上百万个多 边形，而且场景模型还日趋复杂，用场景简化技术 来就加速真实感画面生成就成了近年来图形学的一 个热门话题。
属于同一类的顶点被合并为一代表点，而这些代表 顶点为原多面体所示景物的重新采样。基于原多面 体的拓扑结构价日这些采样点可重新产生一个多面 体。所得到的多面体即为保持一定层次细节的模型。 原多面体的包围盒剖分生成的子空间越小，所得到 的层次模型就越逼近于原多面体。 方法的主要缺点是顶点的合并导致了一些重要高频 细节的丢失。
介绍两种真实感图形实时绘制的技术 场景简化技术; 基于图像的图形绘制技术。
· 在真实感图形学中，我们用数学模型来表示真实世 界中的物理模型，可以很好的模拟出现实世界中的 复杂场景，所生成的真实感图像可以给人以高度逼 真的感觉。 · 但是，用这些模型生成一幅真实感图像都需要较长 的时间，尤其对于比较复杂的场景，绘制的时间甚 至可以达到数个小时。
1993 年，Rossignac和Ｂorrel 提出一个实用的、 能实时建立LOＤ模型的多面体简化算法。 给定一个多面体M ，记K 为其拓扑，假设M 已三角 化。算法首先建立M 的长方体包围盒，并将该包围 盒所包围的空间均匀剖分成一系列的小长方体子空 间，然后采用各长方体子空间对景物顶点进行聚类 合并，位于同一长方体空间的顶点被归干同一类 （cluster ）。