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基于图像的虚拟环境建模技术研究

王佳生

   随着计算机视觉技术的进一步发展,对虚拟场景的绘制技术的研究已经成为虚拟现实系统研究的重要组成部分。传统的基于几何的虚拟场景造型方法的研究是以计算机图形学为基础,其特点是便于用户与虚拟场景中的对象进行交互,并能直接获取虚拟形体的深度信息,且视点自由,但由于该方法的研究对于场景的几何复杂度具有依赖性,难以在普通的硬件平台上实现。而基于图像的虚拟场景绘制方法是利用图像像素作为基本的绘制元素,绘制速度独立于场景复杂性,仅与图像的分辨率有关。所以,当前针对虚拟场景建模方法的研究主要集中在图像建模领域,尤其是基于图像的绘制(IBR)技术和基于图像的建模(IBM)技术。 鉴于自然界中植物形体的高复杂性,传统的建模方式通常是基于过程的,在对模型的交互式控制上存在一定的困难:参数太少,不足以描述植物形体的形态特征;参数太多,模型难以生成和理解。采取过程建模与基于图像绘制相结合的方法可在一定程度上缓解该问题。本文第二章在生成植物形体的过程中,利用Bezier曲线作为顶点控制曲线,采用轴变形方法生成形态各异、效果逼真的树干和分枝。对于叶片的生成,先采用Bezier参数曲线描述叶子中脉的形状,然后把树叶或草叶构成的星形结构纹理图像嵌入到叶脉参数曲线的局部标架中。通过将几何模型的多样性与图像纹理的多样性相结合,产生出各种各样的植物形体,实现植物形体的快速绘制。结合自然风力模型和快速纹理合成技术可快速绘制风力场作用下的动态植物场景。 针对大规模复杂虚拟场景快速建模问题,本文第三章将其进行合理分解,提出一种基于多视点照片序列的,针对非规则形体进行建模处理的方法,避免了利用三维建模软件直接进行几何绘制周期较长、难于绘制,以及难于应用三维重建等方法的诸多问题,是一种行之有效的应用方法。该方法在三维场景中,可实时追踪浏览者的视点位置、动态投影对应照片,在实际应用中可以达到较好的视觉效果。 三维重建是计算机图形学的重要分支,有着广泛的应用。基于图像的三维重建技术可以直接从图像中提取纹理、可简单快捷的重构出高度真实感的三维模型,从而受到了广泛的关注。 针对规则形体的三维重建问题,本文第四章先通过特征提取和交叉匹配获得足够多的特征点;然后对采集到的特征点以协方差为相似性度量,利用初始匹配算法获得初始匹配点集合;对匹配过程中产生的错误匹配点采用松弛匹配和最小中值法相结合的方法,进行分步匹配来剔除。然后通过空间点重建和表面重建法重建出目标对象的三维模型,并从采集的图像中提取真实纹理,对图像进行二维三角化,三角化的二维点列再映射到三维空间,为三维模型添加纹理,得到具有真实感的外观模型。 针对不规则形体的建模问题,本文第五章详细研究了三维网格表面重建,从图像中获取物体的三维表面点信息,进而对表面点进行三角网格化,从而恢复出具有真实感的三维物体的网格表面模型。为满足真实感效果和重建精度,首先进行了摄像机自定标,通过基础矩阵和Kruppa方程计算得到摄像机的内外部参数;然后给出了搜索三维物体表面点的算法,通过判断空间点与图像阴影的位置关系确定物体表面点,从而搜索得到物体的三维表面点集。由于得到的三维物体表面点是离散分布的,需要对离散的点云数据进行三角网格化,本文采用了局部投影法进行三角化,将得到的三维表面点进行了网格化,得到了物体的网格表面模型。……   
[关键词]:基于图像的绘制;三维重建;相机自定标;点云;三角网格化
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:哈尔滨工程大学2009年