虚拟现实技术的应用---基于VRML技术的城市之旅(6)

　　3.2  建模技术

　　3.2.1  人工的几何建模方法

　　由构造VR的观点看，几何建模是构造VR的致命技术，它的限制可能妨碍VR的进展。VR研究将受益于共享的开放的建模，包括物理建模环境等。为了加深理解，需要回顾三维几何模型怎样获取。下面回顾几个VR工作所报告的模型获取过程。VR的几何建模一般通过基于PC或基于工作站的CAD工具获取。在北卡大学漫游的项目中，AutoCAD用于产生构成一座教堂几何模型的12000个多边形。讨论的一个问题是"由为其它目的写的CAD程序中取出要求的数据"。由AutoCAD产生的文件取出三维几何并不困难，但问题是并非所有要求的数据都以VR要求的形式提供。特别是没有提供有关建筑物实际物理的数据，用于实时漫游算法的划分信息，以后由手工或专用程序加入。

　　VPL Reality Built for Two (RB2) 系统使用Macintosh Ⅱ，作为固体建模的设计站，用IRIS工作站作为绘制/显示站。RB2是用于设计和实现实时VR的软件开发平台。在RB2下开发是快速的交互的，具有可实时编辑的属性约束和交互。RB2的几何建模功能利用了软件模块RB2 Swivel和数据流/实时动画控制台Body Electric。RB2在组织上有大量跟随者，他们没有足够的资源开发自己的VR。RB2是交钥匙系统，它的几何物理文件格式是专有的。

　　在NPSNET项目中，初始的三维插图集由SIMNET数据库得到。这些模型知道的武器系统的三维外表比SIMNET少得多。结果，研究者开发了保存这些三维模型的开放格式，把物理模型增加到格式中，并改写了系统，包含了面向对象的动画能力。例如，NPSNET研究组正在利用MultiGen CAD工具开发无物理的模型，这用于SGI基于Performer的NPSNET-4系统。有物理的CAD系统已开始开发，但还很贵，只是专用的。许多VE应用要复制真实世界。不是用手建立模型，最好利用视觉或其它感觉自动获取模型。自动获取复杂环境模型(如工厂环境)当前还不现实，但这是合适的课题。同时，自动或接近自动获取几何模型，现在在某些情况是现实的。部分自动的交互式获取在不久将是可行的。现在已有利用激光扫描建立实际物体三维外形的设备出售。

　　三维扫描仪（3 Dimensional Scanner）又称为三维数字化仪（3 Dimensional Digitizer）。它是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具。它能快速方便的将真实世界的立体彩色信息转换为能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。它与传统的平面扫描仪、摄像机、图形采集卡相比有很大不同。首先，其扫描对象不是平面图案，而是立体的实物。其次，通过扫描，可以获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，彩色扫描还可以获得每个采样点的色彩。某些扫描设备甚至可以获得物体内部的结构数据。而摄像机只能拍摄物体的某一个侧面，且会丢失大量的深度信息。第三，他输出的不是二维图像，而是包含物体表面每个采样点的三维空间坐标和色彩的数字模型文件。这可以直接用于CAD或三维动画。彩色扫描仪还可以输出物体表面色彩纹理贴图。

　　1．三维信息获取技术

　　早期用于三维测量的是坐标测量机（CMM）。目前，CMM仍是工厂的标准立体测量装备。它将一个探针装在三自由度（或更多自由度）的伺服装置上，驱动探针沿三个方向移动。当探针接触物体表面时，测量其在三个方向的移动，就可知道物体表面这一点的三维坐标。控制探针在物体表面移动和触碰，可以完成整个表面的三维测量。其优点是测量精度高。其缺点是价格昂贵，物体形状复杂时的控制复杂，速度慢，无色彩信息。

　　测量臂借用了坐标测量机的接触探针原理，把驱动伺服机构改为可精确定位的多关节随动式机械臂，由人牵引装有探针的机械臂在物体表面滑动扫描。利用机械臂关节上的角度传感器的测量值，可以计算探针的三维坐标。因为人的牵引使其速度比坐标测量机快，而且结构简单，低，灵活性好。但不如光学扫描仪快。也没有彩色信息。FARO和Immersion公司提供这类产品。

　　借助雷达原理，发展了用激光或超声波等媒介代替探针进行深度测量。这是激光或超声波测距器。测距器向被测物体表面发出信号，依据信号的反射时间或相位变化，可以推算物体表面的空间位置，称为"飞点法"或"图像雷达"。不少公司开发了用于大尺度测距的产品（如用于战场和工地）。小尺度测距的困难在于信号和时间的精确测量。Leica和Acuity推出了采用激光或红外线的测距器。Senix公司推出了超声波测距器。它受遮挡的影响较小。但要求测量精度高，扫描速度慢，而且受到物体表面反射特性的影响。

　　基于计算机视觉原理提出了多种三维信息获取原理。这包括单目视觉法，立体视觉法，从轮廓恢复形状法，从运动恢复形状法，结构光法，编码光法等。其中的结构光法，编码光法成为目前多数三维扫描设备的基础。这些方法可以分为被动式和主动式两大类。被动式法的代表是立体视觉法。主动式法的代表是结构光法，编码光法。光学扫描的装置比较复杂，价格偏高，存在不可视区，也受到物体表面反射特性的影响^[11]。

　　用于获得物体内腔尺寸的方法之一是CT。它以高能X射线对零件内部进行分层扫描。它的缺点是精度不高，价格昂贵，且存在放射性危害。

　　美国CGI公司生产的自动断层扫描仪（Automatic Cross Section Scanner, ACSS）可以克服这些缺点。但要求对被测物体进行破坏。

　　2．三维扫描系统的关键技术

　　在硬件和控制技术方面，扫描运动的伺服装置要求精度高，运行平稳，可定位性好。用扫描代替机械扫描是当前的趋势。各类传感器要求精度高，分辨率高，噪声小。

　　三维信息获取技术方面，三维信息获取的原理应综合考虑精度，速度，易实现性，易使用性，成本，使用背景等。原理确定后，还要注意实施方案，采用巧妙的技术策略，提升产品的性能。还要研究计算模型和误差模型，了解误差的原因，误差的传递，误差的校正和消除。往往还要包括数据的预处理和后处理技术。

　　色彩信息获取方面，物体的色彩由三个因素确定: 照明类型，物体表面的反射特性，眼睛按三条不同的光谱灵敏度曲线感知光线的能力。彩色是一种感觉。它与光源辐射能量的分布及观看者的视觉感受有关。目前的三维扫描仪一般得到的不是物体表面的材质和对入射光的反射特性，而是在某种照明条件下所呈现的色彩。

　　三维构型，显示及修改技术方面，扫描仪获取的是物体表面离散采样点的坐标和色彩。这些采样点的集合称为"点云"（Point Cloud）。必须用点，多边形，曲线，曲面等形式描述立体模型，即将"点云"构成"形"。同样的点集进行不同的连接，可能得到不同的三维模型。复杂表面的散乱点的构形是很困难的。还要将得到的三维模型显示出来，并对缺陷进行人工修改。还必须支持多种数据格式，将结果按指定的格式输出^[12]。

　　定标技术方面，确定有关的装置参数就是定标。它与计算模型和误差模型有关。定标精度和可靠程度直接影响测量精度。定标还可以校正装置的误差。对彩色扫描，还有色彩定标问题。