三维建模技术在多媒体技术与虚拟现实中的应用

三维建模是许多研究与应用领域的关键技术。创建物体的三维模型主要有三种手段:利用三维软件建模、通过仪器设备测量建模和利用图像或者视频建模。

1.三维软件建模

传统的三维建模主要使用基于几何造型的建模方法。通过使用几何造型软件，创建出物体的三维模型。

几何建模技术的研究对象是对物体几何信息的表示与处理，它能将物体的形状存储在计算机内，形成该物体的三维几何模型，并能为各种具体对象应用提供信息，如能随时在任意方向显示物体形状、计算体积、面积、重心、惯性矩等。

目前，在市场上有许多功能强大的三维建模和动画制作软件，如Autodesk公司的AutoCAD、3ds Max、Maya、Softimage，Robert McNeel＆Assoc公司的Rhino，NewTek公司的LightWave 3D，以及开源的跨平台全能三维动画制作软件Blender等。表6-1列出了一些常用三维建模软件的信息。

表6-1　常用三维建模软件

表6-1中所列这些软件工具的共同点是利用一些基本的几何元素通过一系列几何操作，如平移、旋转、拉伸以及布尔运算等来构建复杂的几何场景。

如图6-1所示为使用3ds Max软件构建的武汉大学宋卿体育馆模型。

图6-1　武汉大学宋卿体育馆模型

如图6-2所示为使用Solidworks软件构建的武汉大学老图书馆模型。

图6-2　武汉大学老图书馆模型

如图6-3所示为使用草图大师构建、渲染的武汉大学卓尔体育馆模型。

2.利用仪器设备建模

三维扫描仪又称为三维数字化仪，是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具之一。它能快速方便地将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。

(www.xing528.com)

图6-3　武汉大学卓尔体育馆模型

三维扫描仪与传统的平面扫描仪、摄影机、图形采集卡不同之处在于:

(1)三维扫描仪扫描对象是立体的实物，而不是平面图案。

(2)通过三维扫描仪扫描，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。而摄影机只能拍摄物体的某一个侧面，且会丢失大量的深度信息。

(3)三维扫描仪输出的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，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。

3.基于图像或视频建模

传统的三维建模工具虽然日益改进，但构建稍显复杂的三维模型依旧是一件非常耗时费力的工作，而人们要构建的很多三维模型都能在现实世界中找到或加以塑造，因此三维扫描技术和基于图像建模技术就成了一个理想的建模方式。但三维扫描技术一般只能获取景物的几何信息，而基于图像建模技术为生成具有照片级真实感的合成图像提供了一种自然的方式，因此它迅速成为计算机图形学领域中的研究热点。

通常所说的基于图像建模是指利用图像来恢复出物体的几何模型，这里的图像包括真实照片、绘制图像、视频图像以及深度图像等。而广义的基于图像建模技术还包括从图像中恢复出物体的视觉外观、光照条件以及运动学特性等多种属性，其中的视觉外观包括表面纹理和反射属性等决定模型视觉效果的因素。

近几年来，基于图像的建模方法获得了迅猛发展并取得了显著的成果。利用深度图像进行建模的研究十分活跃，尤其是在室内场景、人体(动作)、特定物体集合的重建研究中取得了较大的进展。目前，单幅结构场景图像的三维建模是计算机视觉与人工智能以及虚拟现实等领域的热点问题。

基于图像建模技术相对于传统的建模方法，具有简单、快速、真实感强等特点，在实际中获得了广泛的应用。特别是随着计算机图形学、虚拟现实等领域对复杂真实感模型需求的增加，基于图像建模技术将得到更大的发展和应用。

4.三维建模方法

目前三维建模的方法很多，其中主要有Mesh网格建模、多边形建模、NURBS曲面建模和Patch面片建模等。

(1)Mesh网格建模。Mesh网格建模是历史最悠久的建模方法，其模型由被称为“面”的许多相互连接的小三角形组成，每个“面”有不同的尺寸和方向，通过排列这些面，可以用简单的模型结构建立出复杂的三维模型。Mesh网格模型还易于进行动画编辑，通过改变面的尺寸和方向，便可以制成弯曲、扭转、变形等简单的动画或复杂的动画等。

(2)多边形建模(Polygon建模)。多边形建模是目前三维软件流行的建模方法之一。可编辑的多边形对象包含顶点、边、边界、多边形和元素5个次级结构编辑层级，其编辑方法与可编辑网格对象相似。多边形建模首先使对象转化为可编辑的多边形对象，然后通过对该多边形对象的顶点、边、多边形等各种子对象进行编辑和修改来实现建模过程。多边形建模是动画、游戏制作领域最为常用的建模方式，通过使用足够的细节，可以创建任何表面。

(3)NURBS建模。NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)是“非统一均分有理性B样条”的意思。NURBS建模是由曲线组成曲面，再由曲面组成立体模型，曲线有控制点可以控制曲线曲率、方向、长短等。NURBS建模是目前流行的建模方法之一。

凡是可以想象出来的东西都可以使用NURBS方法为其建模，NURBS方法的优势是既具有多边形建模方式的灵活性，又不依赖于复杂的网格来细化表面。建模时可以使用曲线来定义表面，这些表面在视图中看起来细节较少，但在渲染时却有更高的精度。许多动画设计师使用NURBS方法创建角色模型，就是因为NURBS建模可以提供光滑的更接近有机角色形态的表面，并使网格结构保持相对较低的细节，因此与其他建模方法相比，使用NURBS建模可以提高效率。