三维建模技术（精选十篇）
三维建模技术 篇1
目前, 成熟的三维地质建模技术多集中于简单层状地质体的三维重构与表达分析, 而对结构复杂、物性分布不均匀的特殊地质现象 (如断层、不整合接触面、透镜体、地层倒转等) 的建模技术研究得尚不够深入。复杂地质体构模技术研究的瓶颈主要集中在地质断层构造的模拟和表达上。断层构造的三维建模及模拟技术的研究在国内外还处于探索和研究阶段, 一般主要从两方面研究: (1) 基于面向地质的CAD研究, 它允许任何面, 无论是断层面还是地质界面, 均可在三维空间弯曲; (2) 基于对地震分析方法改进的三维体模拟方法。然而, 现有建模方法大多存在以下不足: (1) 建模过程复杂繁琐, 人工参与较多, 自动化和智能化程度不高; (2) 不能将地质规律融入到建模流程中, 缺乏构建地层的“知识推理规则”; (3) 没有考虑断层等复杂地质构造的影响, 适用范围有限。同时, 断层在地壳中广泛发育且极为重要:区域性的断层不仅控制或影响区域地质结构和构造演化, 还常控制和影响区域成矿作用, 并以此背景形成区域成矿带;某些中小型断层控制着矿体的产状和形态, 有些断层对石油、天然气和地下水的分布、储聚和运移也有重要影响;浅层活动性断层更直接影响建筑物的稳定性、工程施工的安全性和地震活动, 同时是地震的重要地质背景。因此, 在三维空间中研究断层及其构模技术具有重要的理论意义和实用价值。为此, 在综合考察多种建模方法的基础上, 本文提出了一种新的断层建模技术:基于断层上下盘特征约束的地质体构模技术。
1 三维地质模型
1.1 常见三维地质模型分析
地质模型有实物模型和数学模型之分, 其中数学模型是描述数据组织的概念集合, 是概念模型的数学表达, 它包含对大量空间实体和空间关系的归纳, 决定数据存储的数据结构及可进行的操作, 是现实世界向数字世界转换的桥梁。
目前地质建模方法主要有四种类型:即基于面的建模方法、基于体的建模方法、混合建模方法以及泛权建模方法。
根据现有模型的优缺点, 笔者采用混合建模的方法实现断层建模, 其中, 面模型采用TIN (Triangular Irregular Network) , 体模型采用非规则块体 (Irregular Block) 。非规则块体的优势是可以根据地层空间界面的实际变化进行模拟, 从而解决了规则块体模型对于有边界约束的沉积地层、地质构造和开挖空间的构模方面的不足, 因而可以提高空间建模的精度。
1.2 三类基本的断层建模方法
目前, 国内外对于断层的三维表示与模拟技术尚处于研究和探索阶段, 主流的断层构模方法可分为三类: (1) 基于地层恢复的断层构模技术, 又称为整体法; (2) 基于分区插值的断层构模技术, 可称为局部法; (3) 断层与地层的统一构模技术。
基于统一建模的思想, 本文提出的基于断层上下盘特征约束的地质体构模技术可以快速准确地建立起符合勘查数据和地质认识的含断层的三维地质体模型。当勘查数据更新或地质认识改变后, 只需重新拟合断层面, 调整断层特征线, 断层模型便可及时得到更新, 这在实际工作中有助于提高工作效率。相比于其它方法, 它更尊重原始勘查数据, 并且可以融入地质专家的主观认识和经验, 大大提高了模型建立的速度和精度。
2 基于断层上下盘特征约束的断层建模流程
基于断层上下盘特征约束的地质建模方法在理论上适合于各种形态的断层, 具有较强的适用性。它的基本思想为:耦合多元断层数据构建断层面并提取断层特征线, 并以此作为约束边界利用边界限制TIN生成技术构建地质体。其基本流程图如图1所示, 具体建模步骤有以下8点:
(1) 获取断层控制数据。断层的多数据来源包括:剖面、钻孔数据、储量图、平面图和特征参数描述等。对已有的数据整理出不同类型和不同精度的断层数据, 并进行检验和校对。
(2) 断层面的模拟。如图2 (a) 所示。断层面是岩层或岩体破裂错开, 沿两盘发生相对移动的破裂面。断层面是一种面状构造, 可以用走向、倾向、倾角来描述, 可以利用剖面上的断层线, 根据已有的数据进行合理的解释, 并进行断层面的拟合, 形成合理的断层面形态。在断层较少, 且断层数据丰富准确的情况下, 可以直接利用这些数据进行拟合。然而在现实中断层往往相互交切, 错综复杂, 其属性数据也难以确定。因此断层面的模拟是一个反复的过程, 在程序自动构建断层面后可以根据需要综合地质知识和专家经验进行人机交互。
(3) 提取断层与当前地质体模型的特征线。如图2 (b) 所示。断层交线反映了断层所切过的地层及其形态, 最上、最下断层交线之间的范围即为断层的作用范围。断层两盘相当层面的断层交线之间的相对关系反映了断层的性质, 它们之间的距离反映了断层的位移大小。同一盘地层断层交线之间的关系体现了地层的空间叠置关系。地质体空间边界特征, 直接影响到模型的准确性和实用性。因此, 断层交线及其相互关系体现了断层面的结构特征, 它在刻画断层及地层的空间几何形态和属性方面有重要意义, 必须逐层精确求取。
(4) 构建基于断层特征线地质体面。将第三步提取的断层特征线作为边界约束条件, 利用约束三角剖分生成地质体TIN面。
(5) 断层面的切割。根据断层的性质判断是否需要切割地质体。由于断层可能没有完全切透其上覆或下翼的地层, 即断层上盘和下盘不一定相切, 可能错开, 例如煤层中的大多数断层, 由于煤层很薄, 煤层断层的上盘和下盘可能完成错开了。这时需要根据现有资料判断断层两翼是完成切透还是连续, 从而判断是否删除切割的区域。如图3所示, (a) 不删除切割区域, (b) 则删除切割区域。
(6) 模型的检验。检验应贯穿模拟过程的始终, 无论在每个中间阶段, 还是在模型建立后, 都应进行有关的检验与检查。一般的检验包括:原始数据的精度检查, 即所形成的面是否与原始数据点相一致, 原始点的数据是否被保留;地质合理性的检查, 可利用平面图和剖面图同时检查, 如检查每一层 (包括断层面) 的等值线图, 以及从一些重要剖面来检查断层的交切、断层与地层的交切、不同层间以及断层两侧的地层形态的一致性等。若模型比较符合实际地质情况, 则进行下一步, 否则返回第3步, 第3步骤中可以根据已有资料、地质知识和专家经验对断层特征线进行手动调整。
(7) 基于面模型构建体模型。将地质体的边界封闭起来生成体模型, 便于空间操作和分析。将以层面拓扑关系组织的断层地质界面三角网集根据其相交而形成的拓扑关系转变为封闭的、具有整体流形特征的、以块体拓扑形式组织的三角网集合, 根据三角形之间的表面拓扑关系生成封闭实体拓扑关系, 从而生成封闭、一致的块体模型, 最终实现由表面表达的模型到实体建模的转换。
(8) 模型的三维可视化与分析。不仅可以对模型进行常规的可视化显示与分析, 例如布尔运算、三维漫游、地质切片等;还可以重点实现煤层的厚度和高度查询、等值线生成, 二维地质剖面的绘制等。另外, 还可以根据地质研究的需要对含断层的地质模型进行地质分析, 例如断层与煤层、地层的空间关系, 断层的空间展布分析预测等。
3 含断层地质体建模实例研究
本研究是在GeoView软件支持下完成的, GeoView是由中国地质大学 (武汉) 国土资源信息系统研究所研制的具有完全自主版权的国产三维可视化地学信息系统平台。该系统采用多S结合与集成的方式, 融合了DBMS、CADS、GIS、GPS、RS和ES等技术, 形成了一套从基层信息技术支持到上层行业应用的完整系统平台, 并形成了与之相应的八大应用系统。
3.1 研究区简介
(1) 区域构造:勘查区位于鄂尔多斯台坳、东胜隆起区之中部, 整体为一向南西方向倾斜的单斜构造, 构造类型为简单型, 有波状起伏, 区内断裂构造不发育, 构造相对简单。
(2) 地层:地层总体产状为向西南倾斜的的单斜构造, 地层层序由老至新依次为:三叠系、侏罗系、白垩系、第三系及第四系。
(3) 煤层:主要含煤地层为侏罗系延安组, 含煤2-6号煤5个煤组, 含煤6-25层, 平均18层, 单孔煤层厚度7.20-31.89m, 其中含可采煤层2-14层, 平均8层, 可采厚度2.35-26.90m。
(4) 断层:初步确定正断层三条F1、F2、F3, 均由2-3个断点控制, 控制程度可靠。勘探区及钻孔分布情况如图4所示。
3.2 实际建模过程
运用上述基于断层上下盘特征约束的地质建模技术, 对该研究区进行地质建模, 实际应用主要有以下几点:
(1) 用到的地质资料:勘探线剖面图 (21个) 、各煤层储量图、钻孔数据 (勘探区共183个钻孔, 台吉兆勘探区钻孔间距为4千米, 其他勘探区钻孔间距均为2千米) 、地形地质图和勘探报告等。从地质资料中提取断层数据、拟合断层面、提取断层特征线。
(2) 煤层线、地层线和断层特征线等距离离散化成样品数据。
(3) 从储量图中提取无煤区和研究区边界线, 并投影到各煤层和地层上。
(4) 模型建立和验证。建模用到的数据有:煤层或地层的样品数据、无煤区和边界线的投影线、断层线及其样品数据。以无煤区和断层特征线为边界约束进行TIN剖分生成面模型, 再根据需要转变为体元模型。三维地质建模是一个反复交互迭代的过程, 由于新数据的加入和认识的加深, 只需局部调整断层线和断层面, 重新离散化成样品数据。校正和验证用的资料有:勘探总体报告、钻孔柱状图、对比图。
(5) 模型三维可视化与分析。对模型可视化显示并可以对模型进行光滑显示、储量计算、厚度估计和地质切片等分析。
3.3 实例效果分析
运用上述建模过程对研究区的煤层、地层及其断层进行地质建模, 取得了良好的实际效果。经过地质分析和模型验证, 建立的三维地质模型基本反映了该区的地质状况。部分全区主可采煤层及断层如图5所示;6-2中单层煤层及其断层的局部效果如图6所示。
4 结束语
三维人体与服装建模技术综述总结 篇2
三维人体与服装建模技术综述
摘要：在参阅了大量资料与文献的基础上综述了现有的三维人体建模的一般方法并对各自的优缺点进行了分析，着重介绍了三维人体建模与服装建模，可对三维人体与服装建模技术有一定的了解。
引言：关于人体建模技术的研究始于20世纪70年代末，计算机人体建模技术发展到现在, 已经出现了大量的不同实现方法, 且随着时间的推移, 还可能不断地有一些新方法出现, 而一些老方法也可能会得到进一步完善和发展。三维人体建模是计算机人体动画、人机系统计算机仿真等系统首要解决的问题之一。三维人体建模首先要建立逼真的人体模型，同时要考虑人体模型的动态特征。本文将从各个方面介绍三维人体与服装建模得技术的各个方法，这将有助更清晰地区别和了解各种方法的特点。在服装CAD、网络虚拟试衣、三维人体动画和游戏等应用领域，都面临着如何解决真实人体与服装的三维重建问题，即人体与服装的真实感虚拟建模。在计算机图形学中，物体的造型一般分为传统几何建模和物理建模两大类。传统几何建模采用线框、表面和实体等造型技术，只描述物体的外部几何特征，适合静止刚体的造型。物理建模则是将物体的物理特征和行为特征融进传统的几何模型中，既包含了表达物体所需要的几何信息，又包含了物体材料的物理性能参数。在现实世界中，服装的运动受织物材料特性和人体运动的共同影响。人体运动所产生的肢体位移造成人体皮肤表面和服装布料之间的碰撞，力的相互作用驱动服装跟随人体运动。由于用计算机模拟人体与服装真实效果的复杂性，在三维人体与服装的造型中出现了几何建模技术、物理建模技术、结合几何与物理的混合建模技术。一、三维人体与服装的几何建模技术
1．人体
三维虚拟人体的几何建模技术主要是曲面建模，又称表面建模，这种建模方法的重点是由给出的离散数据点构成光滑过渡的曲面，使这些曲面通过或逼近这些离散点。在人体曲面建模时，主要采用基于特征的和参数化的人体曲面建模两种具体建模方法。
2.基于特征的人体曲面建模
基于特征的人体曲面建模根据人体的整体结构，将人体模型划分为若干个基
杨孝辉-201107004240-W112 本的结构特征。为进行曲面造型，针对每个结构特征可定义相应的造型特征。造型特征分为主要造型特征(即人体模型中指定的特征)和辅助造型特征(即为了精确表达人体模型的较细节几何特点所定义的造型特征)。该方法的优点在于．它使得人体模型的曲面建模更加灵活，可以针对人体模型不同部位的几何特征，选择最适合的曲面建模方法，而不必拘泥于某一种曲面表达方式。此外，还可较方便地改进人体模型建模方法。根据人体模型尺寸表，可定义一系列的特征曲线，曲线的生成通过相关特征点(根据人体物理特性定义的点)和模型样本点(根据人体模型曲面造型需要定义的点)来得到。仅靠特征曲线还不足以表达人体模型的所有几何形状，需补充定义几何造型曲线，与特征曲线共同构造出曲线网络。网络曲线多采用3次B样条曲线表达，人体曲面模型的构建则采用B样条曲面。
二、参数化的人体曲面建模
参数化的人体曲面建模采用几何约束来表达人体模型的形状特征，从而获得一簇在形状上或功能上相似的设计方案。即在建模过程中应结合人机工程学原理，利用人体各部分固有的比例关系，从人体模型的众多特殊尺寸中提取出起决定性作用的参数。一旦几何特征参数确定下来，系统将根据人机工程学原理，修改相应的主要造型特征，使其满足新的尺寸要求。同时，利用人体模型主、辅造型特征问的关联结构，修改相关的辅助造型特征，获得新的人体模型造型特征，对新的人体模型造型特征进行曲面造型，最终得到用户所需的人体模型。参数化建模是一种更为抽象化的建模方法，它以抽象的特征参数表达复杂人体的外部几何特征，依托于常规的几何建模方法，使设计人员能够在更高、更抽象的层面上进行人体设计。NM Thalmann和DThalmann最早使用多边形表面生成虚拟人MarilynMonroe，之后又提出JLD算符用于对人体表面的变形。Forsey将分层B样条技术用于三维人体建模。Douros等使用B样条曲面重构三维扫描人体模型。曲面模型的优点是速度较快，缺点是不考虑人体解剖结构，取得非常逼真的模拟效果比较困难。提高表面模型的逼真性是目前的研究热点之一。尽管曲面建模技术已经能够完整地描述人体的几何信息和拓扑关系，但所描述的主要是人体的外部几何特征，对人体本身所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素缺乏描述，对于人体动态建模仍有一定的局限性。
除曲面建模方法外，还有棒状体建模和实体建模方法。棒状体建模是最早出
杨孝辉-201107004240-W112 现的虚拟人体几何建模方法，人体表示为分段和关节组成的简单连接体，使用运动学模型来实现动画模拟，实现人体的大致动作。实体模型使用简单的实体集合模拟身体的结构与形状，例如圆柱体、椭球体、球体等，然后采用隐表面的显示方法，其计算量大，且建模过程非常复杂。在三维人体模型结构中，实体模型和棍棒体模型基本上已较少使用。
三、服装的几何建模方法
服装的几何建模方法着重模拟布料的几何表象，尤其是波纹、褶皱等，不考虑服装面料的物理特性，将织物视为可变形对象，用几何方程表达并模拟虚拟现实环境中的织物动画效果。目前常用B样条曲面、Bezier曲面：INURBS曲面来进行服装曲面造型。
Lalfeur等开始用简单的圆锥曲面代表一条裙子，并穿着在一个虚拟模特上，以人体周围生成的排斥力场来模拟碰撞检测。Hinds等将人体模型的上半躯干进行数字化图像处理以获得基础人形，提出了在人体模型上定义一系列位移曲面片的、典型的几何三维服装建模方法，用三维数字化仪取得人体模型上的三维空间点，然后用双3次B样条曲面拟合得到数字化的人体模型，服装衣片被设计成围绕人体模型的曲面，然后将之展开到二维，这些服装衣片是通过几何建模得到的。此方法计算速度较快，模拟出的服装具有其形态特点，生成的图形具有一定的织物视觉效果，但不能代表特定的服装织物，仿真效果较差。1.线框建模
线框建模是采用点、直线、圆弧、样条曲线等构造三维物体的图形表示技术，它是计算机图形学在CAD/CAM应用中最早用来表示形体模型的建模方法，并且至今仍在广泛应用。线框建模只是单纯的用点、线的信息表示一个形体，数据量少，定义过程简单，对其编辑、修改非常快，符合服装生产中人们打样的习惯。很多复杂的形体设计往往先用样条勾画出基本轮廓，然后逐步细化。人体的线框建模是将人体轮廓用线框图形和关节表示。由于包含的信息有限，因此该法存在缺陷[1]：
(1)有模糊性和歧义性，即不能够无二义性地表达三维人体；(2)无法实现三维人体模型的自动消隐及真实感人体模型显示；(3)无法进行剖面操作；
杨孝辉-201107004240-W112 但线框建模方法很容易产生人体的动作，并且可作为实体建模、曲面建模的基础，因此至今仍在广泛应用。最早开发商品化人机系统仿真软件的英国诺丁汉大学SAMMIE系统生成的人体模型APPOLLO(包含17个关节点和21个节段)、Chrysler公司用Fortran开发的CYBER-MAN系统生成的人体模型以及由Pennsylvania大学计算机图形实验室用C语言开发JACK软件生成的人体模型(包含88个关节点，17个节段)采用的就是线框建模的方法。2.实体建模
实体建模[2]的概念尽管早在20 世纪60 年代就已提出, 但到20 世纪70 年代才出现简单且有一定实用意义的实体建模系统.到20 世纪70 年代后期, 实体建模技术在理论、算法、和应用方面才比较成熟.三维人体的实体建模由于增加了实心部分表达，信息更加完备，从而使得三维人体得到无二义性描述。并且实体建模方法提供了顶点、边界、表面和实体几乎所有的几何和拓扑信息，因此它可以支持对表达人体的消隐、真实感图形显示。
实体建模技术包含两部分内容，一部分是体素(长方体、球体、柱体、锥体等)定义和描述;另一部分是体素之间的集合运算(并、差、交等)。但是随着物体结构复杂性的增加,计算量会随之加大,导致计算效率差、耗时长。
采用实体建模的方法构建的系统有:波音公司开发的Boeman人体建模软件、以及后来在该系统中开发的允许用户建立任意尺寸和比例的人体几何建模程序生成的人体模型、KomyisB等在IBMRs/600CATIA系统上构造的三维人体模型等。毛恩荣等在研究用于机械系统人机界面匹配的人体模型中，采用面向对象的继承方法，将人体构造成由一系列立方体所组成的三维人体模型实际上也是实体建模方法。3.多面体建模
多面体建模[3]是从构造多面体开始，对多面体的任意一个面、棱边、顶点进行局部修改，从而构造一个与实体外形相似的多面体(即基本立体)，然后通过类似于磨光的处理，自动产生自由曲面的控制顶点，并拼接成所需的形状。它是一种根据设计者的构思来进行局部处理并生成人体模型的方法。用多面体建模可以灵活地进行人体形状设计。多面体人体建模的步骤如下：
（1）首先它将产生一个由直线和平面所组成的基本立体, 作为人体形状的原型；
杨孝辉-201107004240-W112（2）由基本立体产生曲线模型；
（3）曲面的产生： 在曲线模型的基础上, 用参数曲面进行拟合； 四、三维人体与服装的物理建模技术
传统的人体建模技术经历了从线框建模，曲面建模到实体建模的发展历程，其对人体的几何信息和拓扑信息的描述已相当完备。但它们所描述的主要是人体的外部几何特征，而对人体本身所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素(如重力等)则缺乏描述。传统的人体建模方法对静止人体的建模是非常成功的，但对于人体动态建模却相当乏力。正是针对这一问题，人们尝试将人体的物理属性和人体所受的外部环境因素引入到传统的几何建模方法中，形成了全新的基于物理的建模方法[4]。
基于物理的建模方法是针对传统的人体建模技术主要描述人体的外部几何特征，而对人体本身所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素(如重力等)缺乏描述的基础上发展起来的。因此它尝试将人体的物理属性和人体所受的外部环境的各个方面因素引人到传统的几何建模方法中，形成的一种全新的建模方法。由于在建模过程中引人了人体自身的物理信息和人体所处的外部环境因素，因而基于物理的建模方法能获得更加真实的建模效果。同时也由于引人了时间变量，对人体或服装进行三角、网格或粒子划分,进行能量、受力分析,能较真实地模拟柔性物体的特性，人体的动态特征将得到有效地描述。但基于物理的建模方法在人体的动态运动规律表达多是采用微分方程组数值求解方法来进行动态系统的计算，与传统的人体建模方法相比，基于物理的建模方法在计算上要复杂得多。但此法能弥补传统人体建模方法的不足，自产生以来也得到了迅速的发展。
与传统的建模方法相比，基于物理的建模方法具有以下几个特点：(1)在建模过程中引入了人体自身的物理信息和人体所处的外部环境因素，因此，基于物理的建模方法能获得更加真实的建模效果；
(2)在建模过程中引入了时间变量，因此，基于物理的建模方法能对人体的动态过程进行有效地描述；
(3)人体的动态运动规律多采用微分方程组的形式表达，在基于物理的建模过程中，通常采用微分方程组的数值求解方法来进行动态系统的计算，因此，与传统的建模方法相比, 基于物理的建模方法在计算上要复杂得多,由于基于物理
杨孝辉-201107004240-W112 的建模方法弥补了传统的几何建模方法的不足, 自产生以来便得到了迅速的发展。物理建模方法虽然仿真效果更接近真实状态，但因模型中包含的有效织物力学结构参数很难确定，加之运算时间太长，应用受到了限制。
五、离散模型的建立
织物是由大量纤维、纱线形成的复杂结构体，是非连续的，宜使用离散的方法建立模型。1994年Breen等提出采用相互联系的粒子系统模型模拟织物的悬垂特性，1996年Eberhardt等发展了Breen的粒子模型，体现了织物的滞后效应，增加了风动、身动等外力对服装面料的影响。在粒子系统的基础上，由Provot和Howlett先后提出的质点一弹簧模型结构简单，容易实现，计算效率较高，取得了较好的应用效果。该模型将服装裁片离散表达为规则网格的质点～弹簧系统。每一个质点与周围相连的若干个质点由弹簧相连，整个质点一弹簧系是一个规则的三角形网格系统。Desbrun等对质点～弹簧模型加以延伸、扩展和改进，综合显式、隐式积分，提出一种实时积分算法，可实现碰撞和风吹等检测和反应。刘卉等也用改进的质点一弹簧模型完成了模拟服装的尝试。
人体多层次模型是最接近人体解剖结构的模型，通常使用骨架支撑中间层和皮肤层，中间层包含骨骼、肌肉、脂肪组织等，因此人体从内到外分成骨架、骨头、肌肉、脂肪和皮肤等几个层次，可分别采用不同的建模技术。骨头层可看成刚性物体，采用几何模型。皮肤层属于最外层，需要较多的真实性，可采用基于物理的模型，指定皮肤层每个顶点的质量、弹性、阻尼等物理参数，计算每个点的运动特性，实现皮肤的变形。皮肤需要匹配到骨架上，其动态挤压和拉伸效果由底层骨架运动及肌肉体膨胀、脂肪组织的运动获得，附着于骨头上的肌肉和脂肪也得适当地采用物理建模方式形成。
Chadwick等提出了“人体分层表示法”的概念。在此基础上，Thalmann等提出一种更加高效的、基于解剖学的分层建模算法来实现人体的建模与仿真。通过这种方法建立的人体模型从生理学和物理学角度都能实现更加逼真的效果，但模型复杂度高，人体变形时计算量大。
几何建模能赋予服装更灵活的形状，可以方便地修改服装的长短胖瘦、结构线等外观形状，模型简单，执行速度快，但不能通过参数控制服装的悬垂及质感。物理建模允许通过选择参数值较为直观地控制服装的悬垂及质感，如增加质量参
杨孝辉-201107004240-W112 数值将得到厚重织物，但模型复杂，计算费时。服装的混合建模技术吸取了几何和物理的优点。通常在图形生成或模拟过程中，先用几何方法获得大致轮廓，再用物理约束和参数条件进行局部结构细化，从而获得逼真、快速的模拟图形。
Kunii和Godota使用混合模型实现了对服装皱褶的模拟。Rudomin在进行模拟时先使用几何逼近的方法，在人体的外围生成„个3DJ]~装凸包，给出了悬垂织物的大致形状，后利用Terzopoulos的弹性形变模型对织物的形态进行细化处理。在实际应用中，混合建模技术更适合于织物和服装变形形态的模拟，既能满足对服装三维效果的仿真，且能在一定程度上实现三维交互设计，计算时间也将显著缩短，可以满足实时的要求，是目前较好的选择。在三维人体建模上，对静止人体的实现主要采用面建模技术，重点描述人体的外表面，即皮肤的外形。为了实现人体的动态仿真，需要考虑人体本身的物理特征(如质量、密度、材料属性等)和行为特征，使得计算机模拟的人体活动符合真人的运动效果，采用了物理建模技术，但由于人对人体解剖结构、自身组织及器官的物理特性、人体运动及动力学行为等研究和了解得并不充分，很难建立起完整的三维人体物理模型。
在三维服装模拟上，需要设置面料的质地、图案、色彩、尺寸及环境的灯光、重力、风源、风速、风向等，以及人体与服装的动力学约束，才能完成服装动态特性的运动模拟和仿真。服装的几何建模能方便模拟面料的几何表象，但也只能实现服装的外观形状。物理建模技术大多用于对单个织物的动态模拟，对整个由衣片缝合而成的、具有一定款式和饰物的服装造型则过于复杂。
要实现虚拟试衣、虚拟时装表演、服装的网上展示和虚拟购物等的虚拟环境，不仅需要建立人体和服装的模型，而且还要考虑人体、服装间、人体与服装间的碰撞，因此统一人体和服装的造型是必需的。结合几何建模和物理建模的各自优点，接近人体解剖结构，把最外层设置为服饰层的人体多层次模型将是今后重点研究的方向。
六、结束语
一种三维人体建模方法能否在具体人体模型实现中发挥作用，主要由建模方法本身性能和实现方法(如计算机程序)的质量两方面共同决定。实现方法的好坏很大程度上依赖于建模方法的原理，因此对人体建模方法本身进行理论上的分析研究，寻求一种好的建模方法是非常重要的。并且随着人体建模方法研究的深人，杨孝辉-201107004240-W112 还可能会有一些新的建模方法出现，原有的方法也可能会得到进一步完善和发展。
参考文献：
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Erick Mendez , Gerhard Schall , Sven Havemann , Sebastian Junghanns , Dieter Fellner , Dieter Schmalstieg IEEE Computer Graphics and Applications
三维虚拟城市景观建模技术研究 篇3
关键词：三维建模；城市景观；虚拟城市；CityGML
所谓的“虚拟城市” 是指运用3S技术（遥感RS、全球定位系统GPS、地理信息系统GIS）、遥测、仿真虚拟技术等现代化技术，以宽带网络为纽带，并应用计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，模拟和表达城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市环境中的现象和过程。城市三维景观中涉及多种地物模型和地形模型，而地形模型是其中必不可少的一类特殊模型，是城市实体的三维空间基础。
1 虚拟三维城市模型系统数据
CityGML是虚拟三维城市模型系统数据库的结构设计主要逻辑，其主要是对三维数据进行储存和管理。当前，主要的数据类型主要有：地籍数据和航空影像；DTM（数字地型模型），20 m精度部分作为框架数据，高分辨率DTM作为三维城市模型的核心数据，特殊地区用TIN建模；对建筑物而言，在三维模型中可以把它当作一个cityObjectMember来看待，它的空间属性并不是非得与LOD2层次的数据描述相同。建筑物模型数据，采用激光扫描或摄像测量方法在大约250 km2范围内对建筑物进行三维重建，建模工具主要通过数据CAD或3D MAX转换成为CityGML格式。
2城市园林景观三维可视化应用
2.1在城市园林景观中，一般情况下所以园林中一部分为建好的，一部分为在建的，在这些区域的数据源多对应现状是普查GIS数据库和CAD设计施工图。设计者为了表达城市园林景观的设计理念和意向的各种分布形态，把CAD设计施工图的数据源中把地形地貌平面、竖向规划、小品平面位置及铺装、植物的分布等所对应。
2.2城市园林景观GIS数据的现状地形图的获取普查是现状建成数据的主要来源。其中，按照绿化分类普查的GIS数据主要有：公园绿地在内的面状数据和对应的属性关联子表，通过“绿地细斑代码”属性字段进行关联。
3 三维虚拟城市景观专题模型
3.1 DTM模型。三维城市建模中地形是最重要的一部分，需要CityGML用起伏要素（ReliefFeature）来描述，其中，每个起伏要素对象可以对某块地域内的地形起伏来描述。具体表现为：规则格网和不规则三角形以及质点集和断裂线等。断裂线主要表示为地面上不连续的部分，几何上一般以三维曲线来变现。这四种地形表现形式在CityGML数据集中可以随意组合。首先，在不同的LOD中可以出现不同类型的精度与分辨率做出反映。其次，不同组合方式可用来描述每块地表。值得注意的是，此种情况下不规则三角网与断裂线必须缝合。再次，相邻的地域可以以不同的形式来分别表达。为了能便于组合不同地域地形比，各个起伏要素对象可用一个二维多边形来指定其有效范围，这种方法可以让地形在不同精度时便于拼合。
3.2建筑物模型。CityGML就是建筑物模型的核心，它是对建筑物的组成和附属部分的空间和专题特征的表达方式。其中AbstractBuilding类是该模型的枢纽，它是CityGML的子类。而BuildingPart和Building类是AbstractBuilding的派生类。即建筑物建模时把某一部分的建模视为抽象“建筑我对象”。另外，一个复杂建筑物对象（BuildingComplex）的一部分也可以是一个Building对象。当考虑不同LOD层次的地形数据和建筑物模型数据叠加时，建筑物和地形的集成是三维城市建模的一个重要问题。因此，（TerrainIntersection）的概念被引入了建筑物和地表面发交叉曲线，该曲线可以精确地对建筑物和地表面的结合位置进行描述，形成一个焕然建筑物的闭环。如：当有的建筑物包含有院子时，则该曲线可以形成两个闭环来组成，其他建筑物的描述也是以此方式来描述的。当集成时，为确保纹理的准确定位，应把采取拖拽的方式把建筑物和地形表面的拖至与交叉曲线完全吻合的为止。
3.3细节层次模型（LOD）。根据处理和分析多元数据的展示需要，CityGML可以分为5个细节层次的精细程度来描述三维城市。其实2.5维的DTM数据既为LOD0，其可以再2维地图和航空影响上以相互叠加的方式来使用。LOD1所描述的建筑物是呈块状形的。LOD2则是主要描述建筑物的屋顶、纹理和植被对象等。LOD3所描述的对象主要是建筑物的结构层次。另外高分辨率的纹理也可以在这些结构面上相互叠加。LOD4层次主要对房间的内部结构进行建模。细节层次的不同点位的精确度也不同。因此，城市的三维数据集质量可以以LOD的级别来评价。用户也可以根据自己的需求，随意选取合适的建模层次。在同一对象可以在一个CityGML数据集中上以不同细节层次来表示，而两个数据集中也可以分别把同一对象的不同细节层次放在一起。细节层次模型既便于三维对象可视化展示，也便于多源数据的集成。
3.4几何拓扑建模。CityGML可以用0～3维基本几何元素分别为点、边、面、立体等边界表达的方法对专题对象的空间属性进行几何拓扑建模。其中，边、面、立体等基元可以聚合成为弧聚合体、面聚合体、立体聚合体。CityGML要求必須确保模型的点、边、面、立体基元及聚合体的一致性，满足完整性约束。并确保拓扑关系清晰性，消除数据冗余，如相离的两个立体基元之间，那么它们两者的体积加在一起就是其体积的总和，相反两个交叉的立体基元的体积计算则非常麻烦。
3.5几何语义建模。CityGML实现了对空间对象的几何拓扑属性和语义进行一致性建模。在语义特征上，CityGML以专题模型描述建筑物的属性和层次关系等几何拓扑对象。CityGML模型有语义和几何拓扑两个层次体系，其优点是便于在各自层次体系中分别遍历或者相互遍历。
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3.6建筑物建模。在一般的三维景观中，因为城市中建筑物种类繁多，结构用途各异组成最重要的部分；城市不同建筑风格不同。反映出一个城市的特色可以在特定地段以独特的建筑物及其所处的环境来反应。所以，景观模型的主要表达内容是城市建筑物。由于CAD矢量数据中建筑物等的属性信息不完善，因此，建筑物的高度信息需要查找相应的建筑物楼高资料，以获得准确的楼高信息，保证模型的精确性。导入的CAD底图中，构成建筑物的很多线不闭合，需要沿着建筑物的轮廓线重新描线，由线构成面，并根据建筑物高度赋予相应的高度值。
3.7道路建模。根据道路的表现形式不同可以将道路分级建模。級别低的道路如小路、内部道路等，可以贴近地面建模，而高速路、省道、国道等建模时则要高出地面相应的距离。道路建模时采用先高后低、高低有序原则，即先建级别高的，后级别低的，由高到低。重新描线时将道路封闭为多边形，并做相应级别高度的拉伸，建立道路框架。城市道路表现路面的同时，还主要表现道路附属设施，如路灯、栅栏、公交站台、指示牌等道路小品，这需要在建模软件中精细建模或者获取模型库中的模型。
4 应用三维虚拟城市景观建模技术需注意事项
4.1由于城市测量时地类地物的分层与三维建模时数据的分层略有不同，同时，不编辑和修正的大比例尺地形图图层较多，如果直接将其导入到软件中，不仅会对整个场景的美观产生影响，还会在建筑物的三维建模中受到干扰。因此先需要对CAD数据进行处理，以满足三维建模的需要。
4.2在三维城市建模中，根据建模精度的不同，地类地物的细节表现也不尽相同。在城市三维建模中，主要表现道路、河流、绿化等地类地物及其附属设施。因此在建模之前需要对现有的矢量数据进行处理，主要包括：减少数据的冗余，删除不必要的注记、控制点、高程点、等高线，清理不需要的图层；将点，线的高度属性统一改为0，防止有飞线，飞点产生。必要时需要手动修改点、线，将其高度属性改为0，将建筑物，道路，河流，绿化等信息分层设色，同时检查线状地物是否有重叠、悬挂等情况并加以修正。
参考文献：
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[4] 刘凯成.虚拟城市三维景观构建技术研究.城市建筑，2008.（2）.
煤矿井下三维巷道建模技术研究 篇4
关键词：巷道,ArcGISEngine,三维巷道,断面,Multipatch
煤矿地理信息系统主要面对两类空间对象, 即掘进巷道和地质体[1]。巷道作为煤矿生产中煤炭运输、通风、工人输送的唯一通道, 是煤矿安全生产工作的核心[2]。因此, 巷道系统是煤矿地理信息系统的重要组成部分, 如何立体、直观、准确地表现并反映煤矿井下巷道及其空间关系, 是煤矿科技工作者的重要研究课题, 也是煤矿安全、高效、合理开发的重要保障[3,4]。
目前, 三维可视化实现的技术很多, 鉴于煤矿井下巷道自身的特点, 不同学者也提出了不同的巷道建模方法。按照建模技术划分, 包括矢量图形结合虚拟现实技术、自主开发三维建模系统 (如OpenGL、Direct3D等) 和基于GIS平台二次开发 (Arcgis Engine、Super Map i Objects等) 。其中矢量图形结合虚拟现实技术, 建立的三维场景效果逼真, 但缺乏地质和空间分析能力;Open GL等全自主开发, 建立的三维场景效果逼真, 但缺乏地质和空间分析能力, 而且开发工作量大、难度高, 不支持管理和决策功能;基于GIS平台二次开发, 只需应用GIS平台组件库中的函数即可实现复杂的三维可视化及空间分析功能, 其中Arcgis Engine最为典型, 它的3D分析模块提供了丰富的三维可视化和分析功能。
在已制作的二维巷道网络数据基础之上, 利用C#、Arcgis Engine实现了煤矿三维巷道建模。
1 数据结构
采用何种数据结构来描述煤矿井下巷道, 应本着描述结构简单、具有拓扑关系、满足一定精度空间、便于处理与分析的原则[5]。多面体 (Multipatch) 结构是Arc GIS三维核心数据结构, 是与点、线、面平行的一种数据结构, 定义为描述三维表面块的元素集合, 包括三角带 (Trangle Strip) 、三角扇 (TrangleFan) 和环 (Ring) , 通过这3种类型几乎可以模拟自然界中所有规则和不规则的三维实体[6]。对于建筑物、道路这种相对规则的模型, 通常直接通过三维点符号的形式;对于巷道、地质体等结构不规则的模型, 需要节点级刻画的三维模型, 而Multipatch多面体数据结构即可进行节点级生成、管理、编辑和分析, 为构建复杂的三维巷道提供了途径。
2 三维巷道建模数据源
建立煤矿井下三维巷道模型需要的数据包括巷道网络和断面数据。巷道网络不仅用于描述煤矿井下巷道的空间位置, 而且可描述不同巷道之间的几何关系和拓扑关系;而断面数据则是三维巷道建模中确定巷道形状的决定因素。
2.1 巷道网络
本文在建立三维巷道模型时主要用到巷道中心线和导线点组成的巷道网络, 其中将巷道中心线抽象成GIS理论中的弧段, 将导线点抽象成弧段的结点 (图1) 。
(1) 巷道结点。巷道的起始点和结束点。煤矿井下每条巷道都布置有导线点, 导线点具有三维坐标[2], 本文中结点三维坐标通过逼近算法从导线点提取, 且全部结点存储于一个点集TUNNELPOINT中, 点集具有pointid属性, 用于记录结点的唯一ID值。巷道点集TUNNELPOINT设计的数据结构部分如下。
(2) 巷道弧段。巷道的起始点和结束点之间的连接弧段。在本文中巷道弧段即是巷道中心线, 用于表示1条完整的巷道, 在二维巷道中心线在采集时, 每段巷道中心线仅由开始点和结束点组成, 不包含其他中间节点。全部巷道弧段存储于一个线集TUNNELLINE中, 线集具有lineid、startid、endid和dmbh属性。巷道弧段集TUNNELLINE设计的数据结构部分如下。
2.2 巷道断面
实际上煤矿井下巷道不是一条简单的抽象线, 而是一个复杂的多面体, 不同用途的巷道, 其断面形状、高度、宽度也不一样, 所以巷道断面数据也是三维巷道建模的一个重要数据源。为了在三维建模时存储获取到的断面属性信息, 本文定义了一个巷道断面数据类型TUNNELPROFILE, 其部分属性定义如下。
煤矿常见的巷道类型包括梯形和拱形, 本文直接从巷道平面设计图 (CAD) 中提取了3种不同用途巷道的断面生成了1个shapefile文件, 其中定义了1个dmbh (断面编号) 字段作为主键。图2为巷道平面设计图中断面设计, 从巷道平面设计图中可以看出不同用途的巷道由于布设的设备不同, 从而巷道的高度、宽度各不相同, 甚至断面形状也不相同。
3 三维巷道建模
实现巷道三维建模是利用Multipatch分别对巷道弧段和巷道接头进行建模, 再对这2部分的三维模型进行纹理贴图处理, 然后叠加显示。
3.1 三维巷道断面获取
在前人的研究成果中, 通常在是利用离散化以及线段逼近的方法来表达巷道断面不规则的部分, 例如拱形断面, 就将拱顶部分离散化, 然后根据精度的需求将拱顶均分为不同个数的线段来逼近。
本文中巷道断面类型是通过巷道弧段的dmbh属性值, 在断面类型shapefile文件中查询相应断面编号的断面类型要素, 然后生成1个Tunnel Profile结构供三维建模使用, 而其中Ring属性是三维建模的关键参数。
3.2 三维巷道弧段建模
首先获取该巷道弧段的断面类型, 将巷道断面的环 (Ring) 移至巷道弧段起始点和终止点, 旋转环使其与巷道弧段中心线垂直, 通过断面类型的“GD-BGDZ” (轨顶标高相对地面偏移量) 字段值确定巷道弧段路径在断面中的位置, 然后拉伸巷道弧段起始点和终止点的环形成多面体即可。此方法是利用巷道弧段的路径和断面创建三维几何体, 体现了IMulti Patch环功能在三维建模时的优势。三维巷道弧段建模的实现效果如图3所示。
3.3 三维巷道接头建模
由于煤矿井下巷道用途不同, 其断面形态、宽度、高度等属性也不相同, 那么在巷道网络形成的过程中, 不同用途的巷道连接, 必然要面对接头拼接问题。如果接头处理不好, 就容易导致接头建出来的模型不平滑或者有缺口或者被堵住, 这样不仅严重影响建模效果, 而且也会导致后续功能不能实现。因此, 巷道接头建模是整个三维巷道建模流程中最重要的一个环节, 也是最具有难度的技术点。
3.3.1 接头类型
由于巷道的空间位置复杂、断面形态多样, 巷道接头的拼接类型主要包括同轴同面、同轴异面、异轴同面和异轴异面。其中同轴同面不存在巷道接头的拼接处理问题。
(1) 同轴异面。2条巷道弧段的中心线在同一水平线且相交, 实质只是由于断面不同而导致的巷道变径问题。
(2) 异轴同面。2条或多条巷道弧段的中心线在同一水平面且相交, 这是煤矿井下最基本的接头类型。包括2条巷道相接的拐角、3条巷道相接的丁字口和4条巷道相接的十字口等, 其中拐角难度最小, 丁字口和十字口需要对顶板、底板部分单独建模以保障建模效果。
(3) 异轴异面。2条或多条巷道弧段的中心线不在同一水平面且相交, 在巷道实际掘进中很少碰到, 但同样存在拐角、丁字口和十字口等多种情况。
3.3.2 建模算法
巷道接头的拼接处理实质是对巷道的圆滑处理、巷道变径以及相交。其中巷道的圆滑处理、巷道变径可描述成单个曲面的伸缩处理, 相交则是不同曲面的拟合拼接问题[7]。所以巷道接头的拼接处理可以用曲线拼接算法来加以描述和实现。在本文所用的三维巷道接头建模算法中, 不同拼接类型所用的建模算法基本一致。因此, 下面关于三维巷道接头建模算法的论述, 以拐角、丁字口和十字口等常见拼接情况进行。
(1) 拐角。拐角是三维巷道建模中最常见的一种情况, 即在同一水平面或不同水平面2条巷道弧段中心线相交。没有处理的巷道拐角不够平滑, 模型会有重叠或缺口, 与现实差距很大。利用2条巷道弧段的交点、夹角, 通过三角函数、向量等方法, 求解2条巷道弧段之间的内切圆弧;依据精度要求用一定个数的线段逼近圆弧, 返回逼近后圆弧的路径;最后按照巷道弧段建模中的方法进行拉升即可形成三维多面体。异轴同面拐角建模效果如图4所示, 异轴异面拐角建模效果如图5所示。
(2) 丁字口。丁字口接头也是较常见的一种巷道接头类型。按照巷道拐角的建模思路, 对于丁字口接头建模, 本文也是按照路径和断面的方法建立三维多面体。丁字口三维建模的具体流程是:按照与第一个巷道弧段的夹角大小排列巷道弧段集合;依次两两巷道弧段组合, 在求得两巷道弧段的内切圆路径后, 起点和终点采用各个巷道截面的半边, 拉升为半边巷道多面体;组合生成的3个半边巷道多面体后 (图6) , 利用中心线对应的顶板和底板线段, 利用三角带构建面, 盖住封闭3个半边巷道多面体即可。异轴同面丁字口建模效果如图7所示, 异轴异面丁字口建模效果如图8所示。
(3) 十字口。十字口接头建模方法和丁字口接头建模完全一致, 也是先构建两两巷道弧段之间的半边巷道多面体 (图9) , 然后构建三维面封闭顶板和底板即可。异轴同面十字口建模效果如图10所示, 异轴异面十字口建模效果如图11所示。
3.4 三维巷道纹理
本文中三维巷道纹理贴图实现的方法, 是在生成完成每一个三维接头模型或三维巷道弧段后就利用Arc GIS Engine中的相关纹理映射接口和方法对其进行纹理化。在Arc GIS Engine中, 提供了IGeneral Multi Patch Info、IGeometry Material List、IGeometry Material、IGeneral Multi Patch Creator等接口用于对三维模型进行纹理映射。如图12所示为创建纹理后的三维巷道内部效果。
在完成三维巷道接头、弧段建模以及纹理贴图后, 就已经完成了三维巷道建模的整个过程。以重庆盐井一矿井下巷道数据为例, 建立的部分三维巷道系统模型如图13所示。
4 结语
利用Arc GIS Multipatch多面体模型、巷道中心线网络数据和断面数据, 通过编写算法实现了煤矿井下三维巷道自动建模, 基本解决了不同断面类型巷道接头拼接的难题, 建立的三维巷道模型基本满足煤矿井下建模的要求。在建立三维巷道模型时, 利用了大量的拓扑关系数据结构, 为后续的飞行漫游、避灾路线计算、应急救援等三维应用和专业应用提供了数据基础、技术支持。
参考文献
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三维建模技术 篇5
关键词：水利水电工程规划论文
在现代信息技术不断深化发展的过程中，大型水利水电工程建设现代化、数字化发展已经成为其发展的必然趋势，而三维可视化仿真模型的构建是推动其发展的重要环节，三维可视化仿真模型的直观性、可操作性都明显优于传统设计方法，所以对其展开研究对提升大型水利水电工程整体性能具有重要的意义。
1大型水利水电工程的数据模型
数据模型的性能决定其包括能够描述系统的静态特征的数据结构、能够描述系统动态特征得到数据操作和保证系统整体持续运行的完整性约束三个主要结构，其共同使数据模型能够对现实世界真实的模拟，能够通过计算机实现并被人类理解。通常大型水利水电工程建筑物中同时存在规则和不规则的实体，在建筑模型中需要将建筑物中真实存在的面和体分为规则和不规则两种类型，通常平面区域或规则的曲面区域在数据模型中会视为规则面对像，否则为不规则面对像，体对象作为多个面对像构成的空间实体，其中如果存在一个及其以上的不规则面对像，则数据模型视其为不规则体对象，由此在数据模型中将规则面对像表示为多边形或函数构造面；将规则的体对象表示为长方体、圆柱体等几何构造体；将不规则面对像表示为TIN面片；将不规则体对像表示为以上基本元素的组合。某大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术中需要面对建筑物的点、线、面、体对象构建数据模型，其点对象的三维空间位置可以通过Q(x，y，z)表示，而两个点对象的三维空间位置即可以描述建筑物的线段对象，而多个线段对象将共同组成线对象，线对象又可以描述几何要素，由此可见数据模型可以实现对规则或不规则建筑实体的描述，三维可视化建模的数据模型实质上是以面对像或面对像的组合形式对建筑物实体进行仿真，所以在设计的过程中可针对不同的面对像进行优化，有利于建筑物整体性能的提升。
2大型水利水电工程建筑物的建模思路
由于构建的三维可视化模型既要表述系统的组成，又要表述复杂系统中不可分解的子系统，所以模型要由不同的模块构成，而模块之间既要有层次结构，又要具有组成和可连续的关系；不同模块其在构建的过程中需要用独立的物理设备或部件；能够通过独立的数学描述各模块的特征。三维可视化模型模块之间的关系决定，对建筑物实体的描述可以通过以下方法实现：针对单纯以简单物体粘合形式构成的物体可以通过空间分割描述，如长方体、圆柱体等；针对简单物体复杂粘合形式构成的物体，可通过构造实体几何表示的方法描述，如并集、交集等；针对复杂物体可通过边界表示法，对物体边界的点、线、面进行描述，不同性质实体描述方法的差异决定某大型水利水电工程应用三维可视化建模技术的过程中需要通过GIS平台，CAD，3dsmax图形处理软件等进行稽核建模、形象建模、三维显示。
3大型水利水电工程建筑物几何建模技术
几何建模技术即结合建筑物实体特征点的实际数据，计算其法向量，进而形成三维几何模型的过程，由于大型水利水电工程建筑物较复杂，其存在简单的建筑物、同高程水域平面、复杂三维实体构造等。构建简单的建筑物模型，可以通过空间分割描述，例如将箱体式房屋视为屋顶面和多个铅直外墙面构成的实体；构建同高程水域平面三维模型可以利用边界多边形的三角剖面表示；构建复杂三维实体三维模型利用制图软件将三维实体的数据在三维空间坐标体系中直接定位，然后利用以下技术进行建模：一种是参数化实体建模技术，其是通过多个参数控制特征部件表述建筑实体的几何关系，并利用代数方程对各部进行结构约束和尺寸约束，此技术以变参数几何模型作为模型构建的基础，能够实现交互参数驱动，而且能够定义参数约束。在某大型水利水电工程中其泄洪潮进水塔、溢洪道等建筑物属于复杂三维实体，在构建三维可视化模型的过程中需要通过以下步骤完成，首先，对建筑物全局变量和局部变量进行定义，例如在构建泄洪潮进水塔三维可视化模型时要选择此建筑物中心线底面点作为控制点，结合其边墙、启闭室等组成部分的关键点与中线点的距离，从全局的角度对其位置、尺寸等进行定义，然后根据定义的数据对局部变量的尺寸进行确定，通过Polylinez等绘图函数将其主体建筑物进行绘制，如进水塔；然后将其次要的组成部分利用拓扑关系按照固定点进行组合，由此形成泄洪洞进水塔建筑物的三维几何模型，此技术的优点是当设计发生改变时，只要对全局变量和局部变量进行更改即可，并不需要彻底的改变几何模型。另一种技术是CAD实体建模技术，此技术是利用CAD软件，通过获取几何元素及表达几何元素关系的约束条件，对几何元素进行确定的技术，如某大型水利水电工程的大坝为例，以大坝的填筑材料、结构等为划分标准，整个大坝会划分为不同的部分，而每部分的形状都很难规则，将不规则的部分细分成规则的形状，针对大量规则的构件进行建模，此时模型中的定量信息成为可以调整的参数，通过对参数赋予不同的数值，可以直接改变各部件的形状、体积，而相同或相似的部件可直接通过软件的图形处理功能实现，使构建的效率和准确性都得到保证，通过对某个部件的构建，实现整体大坝的三维模型构建。针对特征模型还可以利用特征建模技术，其是在系统特征库中存在建筑物建模所需的模型，通过对其进行尺寸约束和位置约束可以将特征模型直接应用于建筑物建模过程的技术，此技术具有效率高、可用性强的特点。
4大型水利水电工程建筑物形象建模技术
形象建模技术是针对已完成的几何模型进行形象美化的过程，使三维模型与建筑物实体更加接近，形象建模技术通常针对建筑物的颜色、透明度、纹理、光泽等进行调整或通过贴图达到使建筑物美化、真实的目的；另外，在形象建模的过程中要考虑到建筑物在真实应用的情况下会存在彼此的遮挡，所以在此过程中需要通过计算消除隐藏面，算法主要有两种，一种是将窗口内的单独像素作为处理单元，确定处理单元中距观察点最近的物体为可见；另一种是以场景中的物体为独立处理单元，以每个物体表面为可见面。
5大型水利水电工程建筑物三维显示技术
三维显示技术即将已经形象美化后的建筑物三维模型投影设置观察点，并对其位置进行合理的调整后将其通过计算机屏幕进行展示的技术，使计算机屏幕上展示的三维可视化模型与建筑物实体两者的逼真度达到最高，三维显示不仅要求对建筑物的整体形象进行展示，而且要求对建筑物与视点的距离、物体与实现的方向、建筑物构件的体积、形状等细节进行展示，可见三维显示技术与计算机的分辨率之间存在密切的关系，分辨率越高，越能够达到三维显示的要求。例如在某大型水利水电工程整体场景展示时，计算机屏幕显示器的分辨率要满足细化水利水电工程中厂房、进水塔、大坝等重要建筑物的需要；当视点转向上游时，计算机屏幕分辨率要满足细化上游洞口、渣场等建筑物的需要，在利用三维显示技术的过程中不仅可以达到通过建筑物三维可视化模型更加了解水利水电工程建筑物，快速获取相关数据的目的，而且其可视化的优势有利于优化建筑物设计细节，提升建筑物的整体性能。
6结论
三维建模技术 篇6
关键词：三维建模技术；机械制图；组合体；剖视图
机械制图是机电类各专业的一门专业基础课程，该课程的主要任务是培养学生绘制和识读机械图样的能力，培养学生的空间想象能力和空间思维能力。但由于机械制图课程具有抽象、难懂的特点，很多学生学习起来很困难，因此教师就应该探索较好的教学方法及教学手段，激发学生的学习兴趣，引导学生轻松学习。
一、传统机械制图教学中存在的问题
在传统教学中，为了逐步培养学生的空间想象能力和空间构思能力，提高教学效果，教师会利用一些木质的模型来增强学生的感性认识，以便提高学生对实物、图形相应面线关系的理解能力。但是由于购买的模型大都比较简单，而且也不够全面，因此有些老师就会自制教具，以弥补教学模型的不足。但复杂的模型，特别是一些具有复杂相贯线和截交线的模型难以制造，且费时费力，成本较高。为了解决制图教学中存在的种种问题，现在很多教材都配备了多媒体课件，但是这些多媒体课件在形式上都是平面的，即使是一些轴测图或者是立体图也不能实时从不同的方向观察几何体的形状、内部结构，仍然不能解决教学中向学生讲解清楚空间几何体的形体这一难题。因此，就要求教师在教学中不断开拓，大胆创新，探求新的教学手段，满足新形势下的教学需要。于是我想到了将三维建模技术应用在制图教学中，结合其他的教学方法使上述问题得以解决。
二、三维建模技术的特点
三维建模技术是采用参数化和特征造型技术由二维草图创建任意复杂的实体，灵活地生成工程图，快捷地组成装配体，并可以进行装配体干涉检查，生成爆炸图，而且还可以针对实体进行后续的数控加工仿真及编程等工作。随着三维建模技术的大力
发展和广泛应用，其相应的软件种类也增多，如UG、Pro/Engineer、
Solid Works等等，在机械、电子、建筑、汽车等各个领域均有应用。
三、三维建模技术在机械制图教学中的应用
1．建立三维立体模型
在组合体视图画法的教学中，题型多为补画第三视图和补缺线，要求学生由三视图想象出空间三维实体的形状，学生在学习过程中常常因想象困难而导致不愿想、想不清，不能完成视图补画及线条补画，而老师讲解起来也很困难，其结果就是学生很难画出正确的三视图。现在我们可以借助三维建模软件，方便快捷地建立物体的三维模型，逐步向学生演示组合体的形成过程，使他们建立起二维视图和实物模型之间的对应关系，逐步培养学生的空间思维能力。
在讲解截交线、相贯线时，可以直观地将立体表面的交线修改成其他的颜色，着重表示或者从立体上提取出来，加强学生对其形状的了解；也可利用三维建模软件的参数化功能，修改立体的尺寸或相对位置，观察截交线、相贯线的变化。
2．直观展示各种剖视图
剖视图是表达机件内部形状和结构的常用方法，学生在学习中往往不知道如何合理选择剖切方法及剖切平面的剖切位置，在作图时搞不清哪些部分被剖切平面剖切，哪些地方要画剖面线。于是我们可以先对几何体造型，然后在不同位置对几何体进行剖切，并生成工程图，引导学生分析剖切位置对剖视图画法的影响，由学生发现最合理的方法，教师进行归纳总结，从而加深对剖视图画法的理解。
3.直观展示装配图中零件间的装配关系
识读装配图是学生在学习中很难掌握的一部分内容，对此也可以借助三维建模软件分别建立各零件的模型，并可根据不同的位置和装配约束关系组装成部件。使学生深入了解各零件间的装配关系，还可以将装配好的部件进行爆炸式分解，进一步展示各零件的相对位置和装配关系。同时可利用三维建模软件的动画功能生成动画，使学生更好地了解部件的工作原理、装拆顺序，提高学生画图与读图的能力。
综上所述，利用三维模型的直观性、形象性、易修改等特点，将三维建模技术与机械制图的教学结合起来，可以使学生的空间想象能力、空间分析能力得到提高，可在使学生掌握知识的同时，实现教师与学生的良好互动，提高学生的学习效率和积极性，激发学生的创造力，有利于培养学生的创新能力，从而使学生的综合素质得到进一步提高，使他们能更好地适应社会需要。
参考文献：
［1］张海霞.利用CAD三维技术提高工程制图教学.中国水运，2004-04.
［2］卢志伟，王丹.UG在机械制图教学中的应用.广西轻工业，2011-09.
城市建筑物三维建模技术概述 篇7
当前智慧城市建设正在成为地理空间信息产业的一个热点, 智慧城市作为数字城市概念的进一步拓展, 同样地需要将建筑物的三维建模技术作为重要组成部分。随着数据获取手段的更新以及数据量的急速增长, 建筑物建模方法逐步从手工向人机交互甚至全自动化、从单个建筑建模到大规模场景批量建模发展。事实上, 在摄影测量领域关于建筑物自动/半自动三维建模的研究已有二十余年历史。
然而, 复杂建筑物的数字模型生成仍然是个颇具挑战性的问题。以影像为例, 在实际生产中最为成熟的是人工编辑方法, 例如使用Sketchup、Auto CAD等软件在影像基础上进行几何模型编辑以及纹理贴图, 建立单个建筑物的三维模型。人工编辑虽然能保证重建模型的准确性和细节度, 但是效率非常低下, 无法适用于大规模场景建模的任务。而实现基于影像的全自动建模, 需要在影像解译领域取得较大突破, 而囿于当前的研究进展, 许多学者提出了基于人机交互的半自动建模方法, 而且也已经出现若干成熟的商业软件系统。例如瑞士联邦苏黎世理工大学推出的Cyber City-Modeler系统, 利用航空遥感影像对多类地物进行三维点云生成、分割和多面片拟合, 操作员只需对点云生成和分类步骤进行干预, 因而效率较高, 每天能完成500到1000个目标的工作量, 该系统已经成功地应用于欧美多个城市的三维建模任务。另一类系统以德国Inpho公司推出的in JECT为代表, 系统整合了一个包含多种常见建筑物线框模型的数据库, 操作员只需根据图像的内容选择特定建筑物模型, 系统能自动进行参数解算, 使生成模型能够与输入影像保持相容性。同时该系统支持用户拓展数据库中的模型, 以及由简单模型组合复杂模型, 使其能更好适应复杂城市场景。全自动建模方法现在仍处于研究阶段, 从计算机视觉的角度来看, 三维建模可以转化为一个大型优化问题, 需要在场景的局部以及全局约束中寻求平衡, 由此引出“自上而下” (先验模型驱动) 和“自下而上” (数据驱动) 两类方法。由于这一问题的病态性, 当前许多自动化方法都在多源数据融合中寻求解决方案。
航空影像作为传统摄影测量的数据源, 在获取、储存和分发方面较于其他数据源有优势;近几十年随着高空间分辨率卫星遥感、近景摄影、地面移动测量、大倾角摄影等技术的进步, 使得基于影像三维建模能够获取更多建筑物细节以及适用于大范围场景重建。值得注意的是, 近年来有学者也在进行利用网络用户上传影像进行建筑物三维建模的研究。同时, Li DAR技术的出现也极大推动了建筑物自动建模的研究。通过记录后向散射激光束的时刻, 借助机上的GPS/INS系统, 该技术能直接测量地物点的空间三维坐标, 从而回避了影像特征提取的步骤。Li DAR数据对建筑物的面特征描述效果较好, 然而对于建筑物中特别重要的线特征效果欠佳, 且依赖于扫描激光点云的密度, 因此经常与包括影像数据在内的其他数据结合使用。此外In SAR数据也具有建筑物三维建模的潜力, 但是当前研究尚在起步阶段。
本文将针对建筑物自动/半自动三维建模这一问题, 从技术方案的角度介绍当前进展。
1 三维参数模型
屋顶形状建模在城市三维重建中是关键步骤, 在我国《城市三维建模技术规范》的LOD2模型和开放地理信息系统协会 (OGC) City GML2.0标准的LOD2模型中, 屋顶形状都成为该层次主要描述的结构。一般通过航空影像或者机载Li DAR数据完成屋顶建模, 大多数时候影像数据也是以生产的密集匹配点云作为三维建模的输入数据, 因此本节将讨论广泛用于点云数据的参数化建模方法。
大多数建筑物顶层形状可以归类为平顶、单坡屋顶、四坡屋顶、尖峰屋顶、人字形屋顶、折线型屋顶、斜折线型屋顶等若干基本几何形状 (如图1) , 并区分成三个较大类别。如果忽略屋顶细部结构 (如烟囱、采光窗) , 即使只能获取低密度点云, 这类简单形状也能很好地拟合屋顶。
对于复杂建筑物屋顶, 简单形状无法对其进行描述, 一般需要将复杂形状分解为若干核不重叠的元胞, 使得每个元胞能用简单形状基元进行拟合, 最后在把各个元胞的建模结果组合成复杂建筑物模型。一般将包含建筑物的一个区块沿着建筑物特征线方向进行分解, 并把划分的元胞与建筑物脚点叠合, 认为元胞内的点云能用上述基本几何形状拟合。有学者提出了基于稳健估计RANSAC的预处理方法为模型拟合提供初值, 另外有学者为了克服模型过分解问题, 引入外部DEM数据重新合并过分解元胞。
2 非参数模型
参数模型得到的是对点云整体最优拟合的模型, 所以在建筑物特征线 (如人字形房屋的脊线) 上的拟合精度并不一定高。非参数方法很好地克服了这一缺陷, 其无需先验假定潜在的几何模型。这一方法的一般流程为:首先分割点云并对拟合局部面片, 然后建立面片间的邻域 (拓扑) 关系, 根据邻域关系检测屋顶的特征线, 最后进行三维模型表达。
点云分割方法可以分成四类:聚类, 区域增长, 模型拟合和能量函数优化。聚类方法利用点云数据的属性特征 (如法线方向) 进行聚类, 一般可以采用K均值、均值漂移等成熟聚类算法, 该方法缺点是对数据噪声较敏感。区域增长根据初始种子点增长面片, 这种方法比较简单, 其结果好坏取决于初始种子点的选取以及增长准则。模型拟合方法与参数拟合方法类似, 然而拟合的对象一般为局部平面, RANSAC和Hough变换是这一类方法的有效工具, 对于场景内的主要平面分割效果较好。能量函数优化方法灵活性较强, 能根据事先给定的约束给出全局最优的分割结果, 但是计算量较大。
分割后的点云面片需要建立相互的拓扑关系, 通常可以用区域邻接图来表示 (如图2) , 各面片区域构成图中的结点, 对于有公共交线的面片则建立相应的边表示它们的邻接关系。通过这种数据结构可以有效地检测数据中的交线、阶跃边甚至是屋顶的细小单元。一般采用阈值方法来判断邻接与否, 例如面片边缘之间的最短距离。因此, 交线便可以通过邻接面片相交求出。而借助外部DEM数据, 可以用高差判断建筑物边缘点, 当边缘点全部检测出来, 使用二维的Hough变换就可以把建筑物屋檐线提取出来。
这一类方法最终得到了建筑物的多面片模型或者线框模型, 不过也有学者提出对结果进行进一步的参数模型拟合。根据模型库里的基本屋顶基元建立相应拓扑图, 然后使用非参数方法得到建筑物的拓扑图, 并利用基元拓扑图对其进行子图分解, 从而达到模型拟合的目的, 有效回避了元胞划分的问题。
3 基于线特征的方案
与基于点云的方法不同, 此类方法利用影像中直接提取出来的直线特征进行三维建模。一般流程为:直线特征提取、直线特征匹配、三维直线特征生成、三维直线特征共面编组以及平面聚合和冲突处理。
图像处理领域提供了很多成熟的直线特征提取算法, 例如分裂合并算法、RANSAC算法、相位编组算法、Hough变换算法, 等等。直线提取中存在不确定性问题, 因为影像噪声和地物遮挡等各方面因素的影响, 使得提取的直线特征在完整性和准确性方面存在问题。完整性问题主要由于遮挡造成, 此时提取的直线在不同视角中的属性不同, 难以建立对应关系;准确性由影像质量决定, 噪声较多的影像提取的直线特征无法准确地建立与实际空间三维直线的对应关系。当前解决这些问题的主要方法有左右匹配检查和不确定性统计建模。
直线立体匹配与点特征立体匹配相似, 是从不同视角影像中寻找同名的直线特征, 用于计算深度信息。由于线特征的不确定性较强, 需要引入其他的约束条件衡量直线间的对应性, 常用的约束包括:核线约束、视差连续性、有序性和拓扑性质。层次化的匹配策略也能有效改善匹配结果, 通过由多条直线构造更加复杂的结构特征, 利用高层直线结构的匹配和底层单条直线的匹配之间的相互支撑和约束, 弱化匹配过程中的二义性。由于引入了多种约束条件, 直线特征匹配通常应用多种数学优化算法, 包括图优化、模拟退火法、松弛标记法、动态规划方法等, 能够获得当前约束下的全局最优匹配结果。
特征共面编组对由匹配结果和成像模型计算的空间直线做后处理, 以实现以下目的:合并冗余直线特征, 剔除错误特征, 恢复建筑物模型表面。而平面聚合和冲突处理作为高层次的后处理步骤, 需要引入一些先验知识, 通过几何推理进一步消除重建结果的不相容性。
4 多源信息融合
利用多源数据进行三维建模已经成为摄影测量界的研究热点, 这是因为单一数据源往往不能提供建筑物的完整信息。卫星影像虽然能提供大范围覆盖, 但受基高比限制高程精度较差;航空影像作为三维建模的主要数据源, 在地物遮挡处需要其他信息作为补充;机载Li DAR数据能提供高精度的三维信息, 然而无法描述线性特征且细部表现能力受脚点密度制约, 一般不作为单独的重建数据源。其他数据源如近景摄影测量、GIS数据等能够提供关于建筑物某一部分的信息。多源数据融合正是为了弥补单一数据造成的信息缺失, 而实现信息互补。
影像和Li DAR数据的融合。利用前者对目标细节和边缘的表现能力, 以及后者对目标表面的精确测量能力, 为立体匹配提供了较强的先验知识和约束条件, 进而提高自动化水平。这两类信息具有很强的互补性, 因此是研究领域的热门, 且有很强的实用性。
辅助GIS数据的应用。三维重建当中的GIS数据一般是指建筑物的地面规划图, 能够提供建筑物的二维投影信息。前文提到参数模型拟合方法用于复杂建筑物时需要进行建筑物模型分解, 而规划图数据恰能提供这一辅助信息。
多种影像信息的综合应用。最具代表性的是航空航天影像与近景影像的综合, 前者可以获得建筑物的屋顶形状, 然而遮挡和基高比的制约使其无法建立建筑物立面的细节, 地面近景影像刚好能够提供这一信息, 综合两者能建立建筑物完整的细节模型, 满足《城市三维建模技术规范》的LOD3模型要求。两者间融合的关键问题在于异质相机内外方位元素的联合解算。另外也有学者引入数字正射影像, 为立体匹配提供更精确的边缘信息。
5 结论
以上从技术方案的角度对当前城市建筑物三维重建研究的状况进行了回顾, 从这些案例中科院总结出当前发展的主要特点:数据源越来越丰富, 多源数据综合利用水平越来越高, 大大丰富了重建模型的细节度, 提高了精确度和自动化水平;建筑物三维模型趋向于精细化, 这是经济发展水平所推动的, 也是传感器技术进步和多源数据融合的必然结果;商业软件的自动化水平越来越高, 基于少量人机交互的半自动建模方法趋向成熟, 自动化方法的研究突飞猛进。而这些发展也为研究者们带来了挑战:数据量增长以及对精细模型的需求, 对建模方法的高效性提出了要求, 也为三维建筑物模型数据库的管理和维护带来挑战;结合实际的应用需求, 行业标准对建模方法的层次细节度提出了要求, 使得建模过程需要同时考虑不同尺度下的模型表达;知识和语义信息亟待融入建模过程, 正如前文所述, 知识规则能有效提高三维模型的准确性和相容性, 当前已有学者投入这方面的研究, 然而离实用化尚有距离。
参考文献
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[2]许捍卫, 范小虎, 任家勇, 张志强.基于SketchUp和ArcGIS的城市三维可视化研究[J].测绘通报, 2010, 3.
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[4]CN-CJ.城市三维建模技术规范[S], 2010.
浅谈人工骨外形三维建模技术 篇8
医学CT图像的三维表面建模技术主要是指以CT断层图像为基础, 综合运用计算机图像处理、计算机图型学和计算机辅助几何设计等理论, 构造人骨的CAD三维模型。
1 图像数据处理
先对CT切片图像进行平滑处理来消除噪声, 再进行二值化处理;然后进行边缘检测, 再经过轮廓跟踪处理, 得到单像素链表示的封闭轮廓曲线。
(1) 格式转换。先把DICOM图像转化为BMP位图文件。现在大部分软件都可以直接输入DICOM图像。
(2) 图像预处理。CT图像的形成当中会引入不同的噪声, 需要在对图像进行平滑和噪声去除预处理。采用中值滤波对图片进行平滑处理, 可以克服线性滤波器如最小均方滤波、平滑滤波等所带来的图像细节模糊, 而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声最为有效, 保护图像边缘的同时又能去除噪声。
(3) 图像分割。图像分割也就是阈值变化, 将骨组织区域分离出来。进行图像二值化可以采用Otsu的方法选取阈值。它是一种自动选取阈值的方法, 它的算法准则是寻找使类内方差最小和类间方差最大的灰度值作为最佳阈值。
(4) 轮廓提取。轮廓提取就是要得到骨组织区域边界曲线。先用提取边缘检测得到轮廓信息, 再进行取样最终得到边界曲线。1) 边缘检测是对图像的边缘进行处理获得闭合平滑的边缘信息。利用边缘检测算子进行图像边缘检测。图像矢量轮廓数据是点阵图型的矢量化, 目的是沿着图像的边界进行搜索, 并将搜索到的轮廓线上的点坐标记录在点列中存储。2) CT图像的反求技术的主要问题是减少数据量。由表面追踪技术得到的轮廓线存在大量的冗余数据, 有必要进行轮廓采样。
2 重建人骨三维模型
断层图像三维重建就是从一系列的平行截面图像中恢复被重建对象原有的三维型貌, 其主要步骤是:首先从各个截面图像中分割出感兴趣区的轮廓曲线, 然后由这些轮廓曲线通过算法来构造出原有的三维型貌。
(1) 曲线重建。轮廓提取得到的轮廓曲线一般都不太平滑, 存在冗线和杂点。利用内插法或近似法进行曲线拟合, 完成曲线光滑处理。每条轮廓曲线的控制点和起始点必须相同, 这样可以保证曲面的质量。
(2) 曲面生成。运用表面绘制方法进行三维重建。最具代表性的就是NURBS曲面拟合法。在造型软件中, 主要是利用举升或者放样曲面造型 (Loft) 。经常使用的软件有:Pro/E、UG、Rhinoceros和Solidworks等。
(3) 曲面实体化。在实体化以前, 必须先对曲面的封闭性, 连续度和几何误差等进行检测。曲面进行检验和修改后, 使之满足使用要求。在Geomagic反求软件中可以对曲面进行必要的检测和修改。根据资料知各种领域对曲面的要求, 将修改好的曲面导入到Pro/E三维软件中进行实体化造型。
3 重建成人股骨三维模型
利用MIMICS软件对成人股骨进行重建CAD三维模型。
3.1 数据来源
本例使用陕西中医学院附属医院提供的德国西门子Sensation-16型螺旋CT机, 对成人股骨扫描的CT图片进行三维模型重建, 得到200张DICOM图片。为了研究方便 (全部重建, 数据量大) , 只重建前120张图片。
3.2 曲线及曲面建模
利用MIMICS软件逐层提取需要重建的解剖结构的二维轮廓, 然后由软件自动生成三维影像, 这种模型是表面模型 (非实体) 。具体过程如下:
将DICOM图片导入MIMICS软件, 确定位置 (top, bottom, left, right) 。利用profile line工具查看所要重建区域的灰度值分布, 点击Threshold按钮进行着色。利用calculate polyline命令生成三维轮廓曲线。利用calculate 3D命令进行曲面重建 (软件默认:质量high;插补方法:等高线, 平滑因子0.5及三角面的有关参数) 。输出STL格式文件。想要满足特定要求可以进行参数重定义。
3.3 实体建模
(1) 一般曲面模型。将STL文件导入逆向工程软件Geomagic8.0。通过三角面片的修改, 利用Shape phase和Auto surface命令对模型进行三角面片到曲面的转化, 并用3D compare进行模型误差分析, 此时曲面为一般曲面 (以三角面片转化, 没经过改变) 。结果显示:误差最大0.00934m, 最小-0.00036m, 平均0.000097m。
(2) NURBS曲面模型。再利用Fit surface命令将曲面转化为NURBS曲面, 并进行模型误差分析。转化的参数具体为:最大控制点为 (Maximum Control Point) 20, 容差 (Tolerance) 0.00001706m, 表面张量 (Surface Tension) 0.25, 偏移百分率 (Outlier Percentage) 0.5。分析结果:误差最大0.00883m, 最小-0.000358m, 平均0.000094m。两次分析结果可以看出NURBS曲面误差要比一般曲面要小。
(3) 实体模型。为了进行后续工作 (微孔人工骨模型或有限元分析) , 有必要将曲面模型转化为实体模型。主要的方法有两个: (1) 利用Geomagic软件 (2) 利用其它三维软件。
摘要：人体缺损骨骼的制造与加工是医疗康复工程中的一个热点问题, 制备人工骨的优劣直接影响到医学治疗的质量。为了满足不同患者的个体化需求, 以成人股骨为研究对象, 在个体患者螺旋CT断层扫描图像的基础上, 应用计算机辅助几何设计的理论, 结合计算机图型学和计算机图像处理技术, 并运用医学图像软件、逆向工程软件及实体建模等计算机辅助软件, 实现了缺损人工骨的外形建模。
关键词：CT图像,人工骨,图像软件,三维建模
参考文献
[1]唐泽圣.三维数据场可视化[M].北京:清华大学出版社, 1999.
[2]吴峻松.假体工程学基础理论及制造技术临床应用研究[D].上海:上海交通大学, 1999.
[3]G.T.Herman[美]著, 严洪范等译.由投影重建图像—CT的理论基础[M].科学出版社, 1985.
三维动画建模技术的改进与创新 篇9
一、三维动画建模的主要方式及特点
1. 三维动画建模的主要方式
在当前的三维动画制作中, 首先应当构建三维动画建模, 因此必须对相关方面的建模方法做系统的把握。时下为设计师竞相推崇的主要有曲面建模、多边形建模、雕刻建模、细分曲面建模及纹理置换建模等五种建模方式。
其中, 多边形建模方式的应用较早, 这种方式是以三角形面为基础, 综合各个点、线、面进行自由编辑与整合。曲面建模方式是根据数字函数对模型构建过程中所必须的曲面与曲线进行定义而成立, 能够实现在不影响模型表面的基础上对曲面的精细度进行灵活的调节, 因此这种方法在当前三维动画建模实践中的应用较为广泛。细分曲面建模一定程度上对上述两种方式所呈现出的优点进行有机整合, 对构造的多边形进行深入细分, 增进模型表面的精细度。雕刻建模方式是一种对多边形及曲面表面采取雕刻的形式来制作的新型建模方式。纹理置换建模则主要是指利用纹理贴图的形式, 通过其感光及明暗值的显示映射于几何体的表层, 进而来改变其表面具体形态的建模方法。
2. 三维动画建模方式的特点
多边形建模中的各个点、线、面都可自由删除与添加, 这种方式一般应用于较为简单的房屋建筑设计中, 而不适合复杂模型的构建, 因为涉及到较为繁琐的编辑过程。曲面建模尽管在许多领域的建模尤其是生物制造方面的应用具有一定的广泛性, 但仍存在一定的弊端, 在效率方面缺乏精进性。细分曲面建模主要是针对多边形而进行的多面建模的操作, 灵活度与精确度都大大提升, 因而逐步取代多边形建模和曲面建模方式, 广泛用于电脑游戏制作中对渲染精度的把握。雕刻建模的建模过程具体而形象, 可比拟真实雕刻过程, 操作较为简易, 适合应用于类似生物等有机体的三维模型构建中。针对纹理置换建模方法来说, 不适合常规的三维模型构建, 而需在较为专业化的图像处理软件中制作具体的纹理贴图, 通常应用于立体图形及凹凸不平的地形模型构建中。
二、绘画技术与建模技术在三维动画建模中的关联性
在三维动画模型的建构中, 绘画技术是不容忽略的重要方面之一。素描与色彩分别决定了建模的根基与对材质和灯光效果的设定, 可见, 设计师的绘画技术对三维模型构建效果起着重要的影响作用。在三维动画建模过程中, 设计者首先应当通过绘画的视角来确定模型的整体结构, 特别是针对一些较为繁复的对象时, 设计师需要构建多个简单几何, 通过配合相应的软件来提取各个形状并进行细化的分析与加工最终构建出整体的模型结构。素描在三维模型制造中所起的作用是方向的奠基, 模型的初期建构需通过素描的形式来创造结构线的具体走向, 确保以最佳方式与速度切入对象分析中, 准确处理细节, 从而保证网格布局的合理性与完整性。因此, 必要的绘画结构分析是保证三维动画模型建造质量的基础。
三、三维动画建模的创新及优化策略
1. 关于游戏角色及场景模型的创新与改造
在游戏角色及场景的三维建模实践中, 网络速度是必须要考虑的关键因素之一, 因此设计师应当注重游戏画面与性能的平衡性, 这就要求基于网络传输的实际, 并结合对模型自身的需求进行系统分析。在设计的过程中, 应当遵循以下步骤来实施:第一, 确定网格数量, 整体把握游戏角色在场景中的相互关联性, 在此基础上来构建相应精确度的游戏角色模型;第二, 匹配渲染场景, 以实现游戏在实际操作中带给玩家的不同动画效果, 这一环节适用于一些距离玩家较近的角色。距离较远的角色可以使用一些相对简单的建模方法来完成。
总而言之, 在游戏角色与场景的模型构建中应当遵循性能与外观的一致性原则。然而在游戏三维画面设计的具体实践中, 游戏模型与设计软件的界面存在一定的冲突, 设计软件涉及到的四边面等同于两个三角面, 这时应当首先将游戏三维模型整体转换为三角面结构, 这主要是为了契合玩家在对游戏的操作实践中效果的立体性传达, 而从动画的方向而言, 四边面基础能够更好地表达人体的肌肉情况。因此, 为保证三维动画的美观与运行效果, 需结合网络的具体情况来确定边面的设计。
2. 关于建筑三维设计的建模创新与优化方法
在建筑类的三维动画模型设计中, 主要是借助于3Dmax软件, 创建对应的三维动画漫游路径, 实现对视频文件的模型构建。建筑类的三维动画可以为观者带来全方位的立体感, 使人身临其境, 能够实现一定的仿真效果。在模型构建中, 虚拟的城市场景与实体性的存在相比具有很大的优势, 如在一些环节和结构中的调整和修改, 只需要在动画中操作即可, 效果的完善更是仅仅手动辅以相应的图文形式即可达成, 从而生成信息查询表达。在具体的设计过程中, 应当对模型中涉及到的整体面数进行确认, 在前期搭建一个简单的构架, 随后针对穿行其他建筑物的场景来构造对应的近景模型。同时, 以1:1为标准严格控制模型建造比例。更重要的是, 必须从设计模型的具体要求出发来保证整体三维动画的制作质量与效果。
摘要：随着科技技术的迅猛发展, 三维动画技术也日益得到长足的进步, 辐射面亦逐步扩展并被广泛应用到社会各个领域, 并使三维动画建模的方式呈现出多元化趋势。本文着重对较具代表性的曲面建模、多边形建模、雕刻建模、细分曲面建模及纹理置换建模等方式及其特点进行了系统阐述, 以有效整合个中所具有的优点并在此基础上加以创新和改进, 提升动画创作的整体效率。
关键词：三维动画,建模,创新
参考文献
[1]沈晓芸, 钱燕婷.关于3DS MAX建模技术及其优化的研究[J].科教文汇 (上旬刊) , 2014 (09) .
龈缘轮廓三维统计模型建模技术研究 篇10
理想的龈缘轮廓对义齿修复的成功和美观具有极为重要的作用。一个牙齿修复体的颈部轮廓应该具有解剖意义上的形态特征,因为它直接影响到牙周围的健康[1]。传统的修复方法需要根据美学要求和专家的经验,手工雕刻蜡型[2]或牙石膏模型[3]以仿真与邻牙协调一致的龈缘形态。然而,这种方法存在效率和精度方面的问题,尤其是当患者缺失多颗牙齿的情况下,这一问题尤为突出。由于龈缘形态在不同牙位以及不同人之间差别相当大,因此龈缘轮廓的提取和调整即使在牙科CAD软件中也是一项十分艰巨的工作。
目前,基于统计形状模型的方法越来越多地应用到医学图像分割中。这种模型的主要特点是,应用统计的方法来对某一类目标形状样本进行学习,以捕获这类目标的形态变化规律,从而能够使模型实例根据在训练集中学习到的方式变形[4]。这种技术能够有效利用目标形状的先验知识来指导分割提取,从而获得比传统的基于底层特征的提取方法更好的效果。Hutton等[5]通过对牙石膏模型的咬合面图像进行手工标定来提取牙齿轮廓形状,并结合轮廓边缘的灰度特征建立二维主动形状模型(ASM)。该模型能够自动搜索患者牙列图像中的牙齿轮廓(包括缺失牙)。利用这些轮廓信息,就能够进行可摘局部义齿的个性化设计。然而,由于石膏模型表面颜色的单一性且存在很多伪脊和褶皱,模板在图像搜索过程中可能偏离所需要的位置。实际上,龈缘轮廓从颊舌侧到近远中侧一般呈波浪起伏的形态,因此这种从咬合面二维图像上获取的信息并不能反映龈缘的三维真实形态。
在牙科数字化系统中,一般通过光学扫描仪来获取牙颌的三维数字化(三角网格)模型。然而由于有限的测量精度和网格重建等因素的影响,牙齿和牙龈软组织之间的分界线以及牙齿之间的缝隙往往融合在一起。因此采用简单的特征提取技术很难得到封闭的单颗牙龈缘轮廓。Kondo等[6]根据三维牙颌模型计算得到的深度图像信息提取齿间的分割边界。该方法对于理想的三维牙颌模型能得到较好的分割效果,但是在处理具有严重畸形和齿间干涉的模型时会出现较大的分割偏差。Li等[7]通过在每颗牙齿上进行手动标记,然后基于分水岭算法实现了单颗牙齿交互式分割,然而由于分水岭算法对噪声较为敏感,且对弱边界容易产生过度分割的现象,因此对于龈缘以及牙缝等形态复杂的特征区域,其分割精度较低。Yuan等[8]利用三角网格的微分特性,以及孔洞填充与骨架线提取等技术获取单颗牙齿龈缘轮廓,但是该过程需要大量的计算量和人工干预。
针对上述方法的不足,本文提出一种龈缘轮廓形态建模方法,以建立三维统计模型。
1 研究方法
为了完整地展示出牙列上不同牙位龈缘形态的变化,本文从完整的牙列模型上构建出每颗牙齿的封闭龈缘轮廓线,并以此建立三维统计形状模型。这样,每颗牙齿的龈缘形态以及它们之间的空间关系可以用一个统一的点分布模型(PDM)[4]来表示。
1.1 定位牙颌模型
为了更好地为后续龈缘提取做准备,首先需要确定咬合平面,从而将三角网格牙颌模型定位到一个标准的方向。咬合平面是指上下颌牙齿咬合时的接触面,是一个假想的、构建的平面,实际上并不存在,因为牙齿的咬合接触点并不在同一个平面上。在口腔医学中,咬合平面的确定是义齿能否制作成功的关键因素。本文参照Kondo等[6]的方法,在牙颌模型上选取第一前磨牙的颊尖(P1和P2)以及第一磨牙的远中颊尖(P3和P4)这四个参考点来确定咬合平面,如图1所示。
由于在三角网格模型上直接精确地拾取这些尖点(局部最高点)较为困难,所以这里采用局部平面拟合方法[9]来确定。首先在颊尖点附近勾选一小部分网格区域,将这一区域内的网格顶点集合Po={pi|i=1,2,…,k}拟合为一局部切平面,该平面通过Po的型心
切平面的法矢no通过特征值分解方法来确定,即将协方差矩阵
dist(pi)=(pi-O)·no
然后将dist(pi)中距离最大的顶点作为该区域内的颊尖点。
4个参考点确定之后,用上述特征值分解方法将它们拟合为平面作为咬合平面。最后,定位牙颌模型以使咬合平面对齐到XY平面,两个远中颊尖(P3和P4)在X轴上。
1.2 龈缘线提取
1.2.1 特征区域提取
由于牙齿和牙龈软组织分界面在三维牙颌模型上呈“谷状”分布,所以这些区域可以通过网格顶点的主曲率信息进行提取[8]。曲率是曲面的二阶微分量,是曲面重要的微分几何特性。对于传统的隐式曲面和参数曲面,其微分量的计算已经有了完整的理论和方法。然而三角网格是一种分片线性曲面,经典微分几何没有为离散的三角网格曲面微分量的计算提供足够的理论。目前,常用的离散曲面曲率计算方法有局部曲面拟合法、Laplace-Beltrami算子、Voronoi元和有限元等方法[10]。由于二次曲面函数具有较强的稳定性且计算步骤简单,有利于海量数据的计算,故本文采用局部二次曲面拟合方法对牙颌模型进行离散曲率分析[11]。
在过网格顶点pi垂直其法矢n的平面上选取一对正交向量u和v,从而在顶点处建立一局部坐标系。将顶点pi的k邻域点由全局坐标(xi,yi,zi)转化为局部坐标(ui,vi,hi),并将转换后的数据拟合成抛物面:
S(u,v)=au2+buv+c v2
抛物面的拟合利用最小二乘法求解目标函数来实现:
然后根据曲面的第一、 第二基本公式,可以推导出点pi的最大和最小主曲率计算公式:
图2a为基于最大主曲率绘制的三维牙颌模型曲率云图。给定一个合适的曲率阈值H,利用κmax>H就可以提取出龈缘的初始特征区域,然而这往往包含牙沟牙窝以及噪声等我们不感兴趣的特征。由于牙沟牙窝一般比龈缘的位置高,因此可以通过它们到咬合面的距离进行过滤。这样剩下的就是一些残余的碎片以及小的噪声,这些区域的特征是点的邻域数目比较少,因此当点的邻域数目小于一定的值时就可以自动删除这些区域,最后得到的特征区域如图2b所示。
1.2.2 特征线探测
龈缘特征线是具有一个顶点宽度的轮廓线,反映了龈缘特征区域的形状。特征点云薄化大多采用抽取骨架线的方法实现,然而这会在薄化的过程中产生细小的分支,需要进一步地剔除[12]。为了有效而且快速地探测出龈缘特征线,本文采用最短路径搜索算法来进行。
最短路径算法的基本思想是:将数据模型构建成一个带权的图,图中的每一个顶点代表节点,边表示两个邻接点之间的路径,赋予边的权值表示相应的代价。最短路径就是从一个源节点到一个目标节点中所有边的代价之和最小的那条路径[13]。由于最短路径算法对噪声和干涉结构有较低的敏感性,所以在边缘检测、图像分割、路径规划等领域中有着广泛的应用。
令W(p,q)表示连接顶点p和邻接顶点q的路径的权值。结合牙颌模型的离散曲率特性,定义边的权值与两个顶点之间的距离成正比,与曲率值成反比:
其中,C(p)和C(q)分别表示顶点p和q的曲率值。这就意味着两个邻接点之间的距离越近,曲率值越大,它们边的代价就越小,从而使路径紧贴曲率最大的特征点。
由于牙齿沿中心原点呈环形分布,所以源节点s和目标节点t通过如下方式定义:将数据点从笛卡尔坐标转换成柱面坐标,源节点s和目标节点t分别为角位移最小和最大的特征点(图2c)。确定路径首末节点后,采用Dijkstra[14]的算法构造带权的连通图并搜索最短路径,可以看出,该路径能够有效地检测出舌侧的龈缘轮廓特征线,并剔除了牙缝处的分支点。为捕获颊侧的龈缘轮廓,将舌侧龈缘轮廓附近的特征点删除,重复执行一遍最短路径搜索,则所求得的最短路径即为颊侧的龈缘轮廓特征线(图2d)。完整的龈缘特征线在咬合面视图中显示的结果如图2e所示。
1.3 龈缘线分割
龈缘线分割旨在对龈缘特征线进行单颗牙龈缘划分,是构建单颗牙龈缘轮廓线的重要步骤。由于牙齿与牙齿之间以牙缝为分界,而牙缝位置大致坐落在龈缘特征线上弯曲程度最大的地方,因此,分割的任务就归结为寻找龈缘特征线上曲率最大的位置。
为移除高频抖动,首先采用能量法对得到的龈缘特征线型值点序列Pi(i=1,2,…,l)进行光顺,即通过最小化能量函数
式中,δ为光顺因子。
来获得光顺的样条曲线f(t)。这样,曲线上每一点的曲率可以通过下式得到:
其中,
图3a和图3c分别为光顺后的舌侧龈缘曲线flingual和颊侧龈缘曲线fbuccal的曲率图。给定一个合适的曲率阈值T,就可以得到曲线上的波峰和波谷。由于牙缝位置对应着波峰,因此必须将波峰波谷区分开来。仔细分析龈缘曲线的微分特性可以发现,在舌侧曲线的波峰位置(图3b),向量f(t)和向量
龈缘曲线上的波峰找到以后,将它们予以删除,剩下的舌侧和颊侧特征点按顺序对应的部分构成每颗牙的龈缘特征线,最后划分的结果如图3e所示。
1.4 形状向量计算
形状向量是描述一个训练形状的标记点向量。目前获取形状训练向量的方法,无论是手动、半自动地在样本图像上进行标定,还是全自动地提取,都需要大量的标记点来表现形状的全貌及细节,这将给模型的计算带来严重的负担。为了得到一个紧凑的统计模型,这里采用三次B样条曲线对每颗牙齿龈缘特征点进行逼近以形成封闭的轮廓线,然后用控制顶点作为训练形状向量。由于控制顶点数远远小于数据点的数目,所以采用这种方法建立起来的模型不仅能够充分展示龈缘的形态而且保证模型参数较少。
在进行曲线逼近之前,首先必须确定每颗牙龈缘特征线的起始点位置,以更好地保证样本之间点的一致性。结合牙齿解剖形态特征,首先将数据点投影在咬合平面上,计算每颗牙龈缘轮廓的质心点,拟合这些质心点成牙弓线,然后计算通过每个质心点的牙弓线的法线,将距离法线最近的特征点作为起始点,如图4a所示。
对于重新排序后的每颗牙龈缘特征数据点Qi(i=1,2,…,m),构造一条具有n个控制顶点的k次B样条闭曲线:
使数据点在最小二乘意义上被逼近,即最小化目标函数
其中,ti为数据点的参数,可以根据规范累计弦长参数化决定;Dj(j=1,2,…,n)为待求的控制顶点,Bj,k(t)为由节点矢量U=(u1,u2,…,un+k+1)确定的B样条基函数。封闭曲线的控制顶点和节点矢量分别满足如下周期条件[15]:
这里将式(1)改写为
其中
这样,求解式(2)的线性优化问题可以转化为求解关于控制顶点Dj(j=1,2,…,n-k)的线性方程组:
NTND=NTQ (6)
图4b显示了利用8个独立的控制顶点对图4a中的右侧第一磨牙特征点进行三次B样条曲线逼近后的效果。令{Dj=(Djx,Djy,Djz)T,j=1,2,…,8}代表一颗牙齿龈缘曲线的8个独立的控制顶点,对每颗牙的龈缘特征点都进行上述的曲线逼近(图4c),则一个完整牙颌模型共可得到8L=M(L为牙齿的个数)个控制点集合,从而构成一个3M维的龈缘形状向量:
X=(D1x,D1y,D1z,D2x,D2y,D2z,…,DMx,DMy,DMz)T
1.5 统计模型建立
统计形状模型是利用训练集中的形状样本建立的龈缘轮廓的参数化表示形式,即龈缘形状向量的可变模型。由于各个样本之间存在一定的相关性,且样本数量比较大,所以本文采用主成分分析方法[4]来建立统计形状模型。
在进行分析之前,首先必须对训练集中的N个龈缘形状向量Xi进行对齐,以消除它们在位置上的影响,从而反映龈缘形状变化规律。这里采用Procrustes分析方法[16],即最小化所有形状到平均形状的距离和,其基本过程如下:①选取样本X1为参照,使其他样本Xi(i=2,3,…,N)与之对齐;②计算变换后的形状平均值
其中,对齐是指在不改变形状的前提下,通过缩放、旋转、平移操作使得两幅图像的形状尽量接近,即寻找缩放因子s、旋转矩阵R和平移向量T,使第一个形状中的点集{Ai}和第二个形状中的点集{Bi}进行加权配准,从而使
为最小,其中,W=diag(w1,w2,…,wM)表明每个点的相对稳定程度,即在不同的形状中一个特征点相对于其他特征点距离变化的大小。距离变化越大,稳定性就越小,对应的权值也就越小;反之,距离变化越小,稳定性就越大,对应的权值也就越大。每个点的权值通过计算点之间距离的方差来确定:
式中,Rk i j为第k个形状中i点和j点的距离。
最后通过奇异值(SVD)法[17]来求解方程式(7)。
对N个已经对齐的龈缘训练形状Xi进行主成分分析。首先计算样本的均值和协方差矩阵:
然后计算协方差矩阵S的特征值和特征向量。较大特征值相关的特征向量对应于训练数据具有较大方差的方向,从而描述了训练数据较大变化的主模式。在给定的待保留信息量的基础上,选取最大的前m个特征值λ1≥λ1≥…≥λm和所对应的特征向量p1,p1,…,pm,则任意一个形状向量都可以近似表示为形状均值与一个完整主成分加权和的和,即
其中,b是一组由特征值限定的形变参数向量,用来描述可变形的模型。假定b的第i个分量bi服从高斯N(0,λi)分布,通过限制
2 实验结果及讨论
为充分展示龈缘轮廓以及整个牙列形态的变化,选取89个不同形状、不同年龄的健康人的牙颌模型,利用本文的形态建模方法建立龈缘统计形状。系统开发平台为 Windows XP sp3,VS 2008,Hoops图形工具包。在建立模型的过程中,每个牙颌模型选取14颗牙(不包括智齿)进行训练,每颗牙齿采用具有8个独立的控制点的三次B样条曲线进行拟合,这样,每个统计样本就可以用8×14=112个控制点来表示。图5显示了所建立的龈缘统计模型前三个主成分的形变参数bi(i=1,2,3)分别在各自±3倍的标准方差DS(standard deviation,DS)范围内的点分布模型。可以看出,第一个主模式捕获了牙弓由宽到窄的变化以及龈缘高度由深到浅的变化;第二个主模式反映了牙弓形状由方形到三角形的变化以及牙弓不对称的程度;第三个主模式主要描述了单颗牙龈缘轮廓形态的变化以及牙齿之间拥挤的程度。这些模式正确而有效地反映了训练集中龈缘形状的变化信息。
为了便于比较,图6显示了文献[5]建立的统计模型变化模式,其中每个统计样本具有444个标记点,而我们的模型只有112个点。由于在主成分分析的过程中,过多的标记点和样本数量将产生庞大的协方差矩阵,从而导致巨大的计算量,因此,本文的算法不仅具有较高的执行效率,而且用B样条曲线来表示龈缘形状能够产生更好的可视化效果。另外,从图6中可以发现,该模型出现了牙齿之间轮廓重叠的现象,其主要原因是训练样本来自于二维图像上的手动标定,这种方法不仅费时费力,而且不能保证样本间标记点的关联一致性,从而导致失真。而本文的方法不仅能够自动地提取出龈缘轮廓,而且还能够得到准确而合理的龈缘形状变化分布。
在龈缘轮廓统计模型建立的过程中,最为重要的在于龈缘特征线的提取以及单颗牙龈缘轮廓的划分。然而由于牙齿解剖形态的复杂性,如何快速而准确地提取出每颗牙齿连续光滑的龈缘轮廓一直以来都是一个具有挑战性的课题。在上面的统计模型建立中,采用的是健康人牙颌模型作为样本,得到了良好的结果。为了进一步证明本文算法的适应性,针对一名缺牙患者的牙颌模型进行验证。从图7可以看出,该例患者具有轻度的牙齿错位现象,但由于本文算法不依赖牙冠的信息,避免了牙冠网格之间复杂的计算,因此仍能有效地提取出龈缘轮廓线。将统计模型中的标准模板与该患者的龈缘轮廓进行匹配,可以作为口腔修复以及手术规划的理论指导。
为显示本文算方法的优势,这里也详细对比了文献[6]和文献[8]的牙齿分割方法。
图8显示了文献[6]提出的利用两幅深度图像(平面和全景深度图像)进行牙齿分割的主要过程。首先利用三角网格模型生成平面深度图像,在平面图像中通过探测到的牙齿特征点拟合出牙弓线,并利用牙弓线计算出全景深度图像;然后分别在平面图和全景图中利用深度信息探测出相邻牙之间的缝隙;最后综合两幅图像的结果来确定牙缝的位置和方向。可以看出,分割结果的准确性极大程度地依赖于牙弓线的拟合形状,而且由于深度图像并不能真正反映牙齿的三维信息,因此该方法对于严重畸形和齿间干涉的模型可能会出现较大的分割偏差。另外,从最后的结果可以发现,因为牙齿之间是强硬地分割开来的,这样得到的每颗牙齿龈缘轮廓线在牙缝处将会产生急速的跳跃。
图9所示是文献[8]开发的单颗牙齿建模系统的牙齿分割过程,其最大优点在于能够从牙颌模型上恢复出每颗牙齿具有一阶连续的三角网格模型。该算法首先根据牙颌模型的曲率特性提取特征区域,并结合手动交互操作识别出牙缝区域。当删除牙缝区域后,为得到连续过渡的牙齿模型,还需要利用孔洞修复技术进行牙齿侧面形态恢复。然而该过程需要调节许多参数以保证修复的牙齿之间不产生干涉,因而有时候会导致修复的牙齿过小而产生较大的误差。另外,龈缘特征线的提取是对特征区域采用抽取骨架线的方法得到的,该过程通常会产生许多细小的分支,需要利用切角光顺等方法来得到最后光滑的特征线。
3 结语
本文针对三角网格牙颌模型,提出了一种新颖的龈缘轮廓三维统计模型的形态建模方法。通过离散曲率分析、最短路径搜索、B样条曲线拟合等步骤,能够快速而准确地构建出每颗牙齿光滑封闭的龈缘轮廓。实验分析结果表明,该方法不仅可以产生简单而紧凑的统计模型,而且能够正确而有效地捕获龈缘轮廓的变化特征。与现有的方法相比,其主要特点在于:①除了确定咬合平面时需要少量的人机交互外,整个系统的分割过程基本上是自动的,因此最大程度地减少了人工干预;②龈缘特征线的提取和划分避免采用完全依赖三角网格复杂的数学算法,而是根据牙齿解剖形态特征,采用图论以及B样条曲线等技术快速而有效地获取单颗牙齿龈缘轮廓;③在建立统计模型时避免了采用大量特征点来充分表现形状轮廓的传统方法,直接利用B样条曲线的控制顶点作为样本形状,从而极大地缩短了计算时间和提高了效率。该算法不仅对排列整齐的牙颌模型有效,而且对排列不整齐或有缺失牙的模型也能产生良好的结果,从而在记录病人龈缘形态的变化、口腔修复以及手术规划等方面有重要的应用价值。
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