李放

摘要：計算機圖形學(xué)屬于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一種，也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中最熱門的應(yīng)用之一，被廣泛地應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、娛樂及建筑等各大領(lǐng)域，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，虛擬圖像技術(shù)下的三維仿生圖像主要通過三維建模來完成。隨著國民對日常生活水平的要求越來越高，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的三維仿生圖像的要求也逐步提高。針對目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀和虛擬現(xiàn)實技術(shù)下三維仿生圖像技術(shù)，提出了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)下三維仿生圖像的特征增強研究方案。

關(guān)鍵詞：仿生圖像；虛擬技術(shù)；圖像；特征；增強

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2018）03-67-3

Research on Feature Enhancement of 3D Bionic Image Based on Virtual Reality Technology

LI Fang

（Department of Digital Arts， Dalian Neusoft University of Information， Dalian Liaoning 116000， China）

0引言

隨著我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)水平的不斷上升，該技術(shù)成為各大領(lǐng)域爭搶的熱門技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的核心技術(shù)是虛擬圖像的三維建模技術(shù)[1-2]，三維建模技術(shù)又包括三維視覺建模和三維聽覺建模。目前，我國應(yīng)用較為廣泛的是三維視覺建模技術(shù)[3-4]，可以通過計算機技術(shù)將虛擬圖像以三維建模方式生動形象地呈現(xiàn)在人們面前，給人以身臨其境的感覺，這一技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在了我國建筑、軍事和娛樂領(lǐng)域中[5]。目前我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)依然存在著諸多不足之處，例如，圖像仿真度及圖像特征不清晰。本文針對這一現(xiàn)狀，對目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的現(xiàn)狀進行了分析，并對其三維仿生圖像建模方式進行研究，最終提出基于目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的三維仿生圖像特征增強方案。

1虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要是指利用計算機建設(shè)的虛擬人工媒體空間，該空間中所呈現(xiàn)的所有圖像均為虛擬形態(tài)，但同時又給人一定的真實感，通過多媒體的傳感交互設(shè)備，將虛擬空間中的圖像以三維的形式呈現(xiàn)在人們面前，給人以身臨其境的感覺。人工媒體空間是通過計算機技術(shù)而形成的一種多媒體環(huán)境，既可以是對現(xiàn)實世界的一種模擬，也可以是對虛擬世界的一種構(gòu)想。因此，在我國建筑、娛樂、軍事及醫(yī)療等方面均得到了廣泛應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要具有真實性、交互性和虛擬構(gòu)想性3個顯著的特征。①真實性：通過計算機的圖像技術(shù)和三維建模技術(shù)相結(jié)合，將虛擬空間中的圖像以三維、立體的形式呈現(xiàn)在人們眼前，給人以身臨其境的感覺，仿佛置身于該場景中；②交互性：通過使用虛擬交互設(shè)備，來實現(xiàn)使用者與虛擬世界的交互，進行互動操作，主要體現(xiàn)在日常應(yīng)用的體感游戲和VR體驗中；③虛擬構(gòu)想性：虛擬世界的建立主要是根據(jù)人們對于虛擬世界的要求和構(gòu)想，最終通過計算機技術(shù)將該構(gòu)想以虛擬的方式呈現(xiàn)出來。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的這一特征被廣泛地應(yīng)用在國的軍事模擬和軍事航海領(lǐng)域中。

2三維仿生圖像特征增強研究

2.1圖像變換增強

圖像變換增強是計算機圖形學(xué)研究的主要內(nèi)容之一，可以將簡單圖形復(fù)雜化，從而增強所要模擬的圖像特征，對部分特征進行細節(jié)化。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)下，圖像變換技術(shù)可以將所需模擬圖像的局部進行變換，使其復(fù)雜化的同時，增強其細節(jié)特征性的描述。圖像變換技術(shù)的核心內(nèi)容是窗口視區(qū)變換，一般來說屏幕區(qū)域是窗口輸出圖形的最大區(qū)域，也是一個有限的整數(shù)區(qū)域。假如輸出屏幕的顯示器上有1 026×1 026個可編地址顯示像素，那么屏幕上的區(qū)域大小可以定義為DC=[0：1023]×[0：1023]，在這個區(qū)間內(nèi)，任何不大于該區(qū)間的視圖區(qū)都可以成為屏幕區(qū)域。圖像變換技術(shù)可以將任意窗口區(qū)域的圖形復(fù)雜化，之后嵌套進視圖區(qū)域，形成新的圖形，為了將所有窗口區(qū)域的圖形全部顯示在視圖區(qū)域上，需要找到變換后的窗口區(qū)域和視圖區(qū)域間的映射關(guān)系。設(shè)窗口區(qū)域的左上角坐標點為1和2，右下角坐標為3和4，該視圖區(qū)2個角點的坐標分別為1、2和3、4，那么窗口區(qū)域的中心點（，）與視圖區(qū)域的中心點（，）存在如下關(guān)系：

可以看出，想要將窗口圖像放大并細節(jié)化后變換到視口圖像，可以按照以下順序依次進行：①以窗口區(qū)域點（1，3）為中心，進行縮放變換，將窗口區(qū)域圖像的大小轉(zhuǎn)變?yōu)橐暱趨^(qū)域圖像的大?。虎趯⑥D(zhuǎn)變后的窗口區(qū)域圖像移動到屏幕區(qū)域，圖像轉(zhuǎn)變時的縮放因子應(yīng)保持固定的比例，保證圖像不會被橫向或豎向拉伸，改變其原有形狀。

2.2三維仿生圖像建模能力增強

三維仿生圖像建模是圖像生成技術(shù)中的基礎(chǔ)，包括幾何建模、物理建模和對象行為建模3個大類。

②物理建模方法的核心技術(shù)是分型建模技術(shù)，該技術(shù)是根據(jù)模擬對象的特征進行數(shù)據(jù)收集，取相近的形狀拼接組合，最終形成模型。該技術(shù)操作簡單，但是計算量大，不利于模擬實時性虛擬對象。因此，該技術(shù)大多應(yīng)用于靜態(tài)遠景的建模和具有實時性的物體，為了構(gòu)造一個逼真的虛擬環(huán)境，需要對環(huán)境中的物體賦予生命力。

③對象行為建模主要是根據(jù)模擬對象的自身特征以及運動特征來進行動作建模，賦予模型呼吸、奔跑和行走的能力。不僅需要考慮到模擬對象的自身特征，同時還要考慮到虛擬環(huán)境的特征，將二者結(jié)合起來構(gòu)建出真實逼真的虛擬環(huán)境。因此，對象行為建模是整個三維仿生建模技術(shù)中最為關(guān)鍵的步驟，需要結(jié)合力學(xué)、數(shù)學(xué)、地質(zhì)學(xué)及計算機圖形學(xué)等各個領(lǐng)域的研究成果。

2.3三維仿生圖像真實感增強

三維仿生圖像真實感增強可以使三維圖像具有色彩、陰影、紋理和層次的一種圖像生成技術(shù)，可以使圖像富有照片一樣的真實感，同時又能通過紋理和陰影的處理，從而突出圖像特征，增強局部特征顯示。

真實感圖像技術(shù)主要包括消隱技術(shù)、光感技術(shù)和紋理技術(shù)3種圖像處理方法：①消隱技術(shù)是一種對三維空間的非透明物體將觀察者看不見的線或面進行消除的一種技術(shù)，可以在場景中消除看不見的物體或部分不需要的物體，從而提高空間物體的層次感，并且通過消除部分不重要的局部來突出圖像特征，從而達到增強圖像特征的目的；②光感技術(shù)是在圖像生成過程中盡可能精確地模擬光源照射的物理效果，使空間圖像具有像照片一樣的光照效果和陰暗層次，同時通過光線的強暗處理來突出圖像特征，從而增強圖像的特征顯示；③紋理技術(shù)是三維圖像的細節(jié)生成技術(shù)，通過對圖像表面紋理的處理，從而增加圖像質(zhì)感，通常紋理分為顏色紋理和幾何紋理2種不同的類型：顏色紋理主要是通過在局部圖像上增加帶有描繪附加定義的花紋和圖案，來增強圖像局部效果，從而增強圖像特征；幾何紋理可以使圖像表面產(chǎn)生凹凸不平的感覺，從而表達其微觀幾何特性，增強其圖像的特征性。

2.4三維仿生圖像特征增強

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，想要達到圖像逼真的效果就必須對仿生圖像的特征進行模擬增強。因此，在進行圖像變換后，還需要經(jīng)過后期處理對變換后的圖像進行完善，達到凸顯圖像特征的目的。針對目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)和三維建模技術(shù)的研究現(xiàn)狀，提出了以下幾點增強三維仿生圖像特征的方法。

（1）分割重組

分割重組法是將一個宏觀物體進行分割和重組。在分割過程中將該物體進行細節(jié)化，最終將細節(jié)化后的圖形按照相應(yīng)的順序進行重組。在對物體進行拆分的過程中應(yīng)盡量保證每次拆分時的回轉(zhuǎn)面為柱體或椎體。因為相鄰的2個拆分面之間若呈現(xiàn)不規(guī)則曲面，會大大地增大重組步驟的復(fù)雜度，導(dǎo)致圖像繪制效率降低。因此，應(yīng)該根據(jù)所需圖像的特征要求，對該圖像的主要特征進行多次拆分和細化，保證重組后的圖像能夠突出其特征。在拆分過程中，為了使這些切面以相近的多邊形進行擬合，通常將其切分為16、32和48多邊形來逼近一個曲面。而重組過程則是尋找切分后的圖形中點、線和面之間的關(guān)系，將其切分后的定點依次相連，形成一個切面，再將切面與切面間依次相連，形成一個封閉性的主體結(jié)構(gòu)，將該主體結(jié)構(gòu)在三維模式下進行旋轉(zhuǎn)，則可以得到細化后的三維圖像，圖形重組示意圖如圖1所示。

（2）紋理映射

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，仿生圖像的建模如果僅僅依靠體和面的結(jié)構(gòu)是遠遠達不到真實度的要求的。因此，還需要對重組好的圖像進行表面紋理反射處理。許多圖像硬件都具有實時的紋理處理能力，可以將二維圖像上的像素值加到三維圖像的頂點上，從而提高圖像的逼真度。

紋理映射法主要具有以下幾個優(yōu)點：①在一定程度上大大增加了圖像畫面的細節(jié)水平，以及景物圖像的真實感；②由于紋理映射技術(shù)的實時性以及透視性，為圖像建模及顯示提供了良好的三維線索；③利用紋理映射法對圖像進行處理，可以減少模型的多邊形數(shù)目，從而提高了后期圖像顯示的刷新頻率，減少了延時時間。

（3）面向?qū)ο?/p>

面向?qū)ο蠓ㄊ钱斀褴浖O(shè)計技術(shù)中一種新型的設(shè)計方法，傳統(tǒng)的圖像建模方法往往是利用現(xiàn)有的軟件資源來盡可能地逼真模擬實體景物。該方法需要在圖像繪制平臺中編制多種程序語句來實現(xiàn)，所繪制的模型形成一個整體，導(dǎo)致模型不能被重復(fù)利用，仿生過程復(fù)雜。而面向?qū)ο蠓▌t是根據(jù)仿生對象的自身特征，將其特征構(gòu)成一幅幅基本的圖像單元，每個圖像單元都是單獨存在的實體。然后根據(jù)其模擬對象的特征來進行圖形定義，例如模擬對象的輪廓位置、色彩、屏幕深度、顯著標志、縮放比例及現(xiàn)實角度等。最后將定義后的圖像放置于各個空間中，圍繞模擬對象的起點、軌跡及光照位置等給予其環(huán)境特征，再通過消息驅(qū)動軟件來獲得該畫面應(yīng)有的仿真效果，從而逼真地完成圖像的動態(tài)操作[6-7]，面向?qū)ο蠓▓D像組建過程如圖2所示。

3結(jié)束語

本文結(jié)合了目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀提出了分割重組、紋理映射和面向?qū)ο?種增強圖像特征的方法，并對這3種方法進行闡述和說明，通過模型和算法分析各自的優(yōu)缺點，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)獲得更逼真的仿真效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)下三維仿生圖像特征的增強和細化不僅在一定程度上加快了我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，同時也對我國醫(yī)療、軍事及建筑等多個領(lǐng)域的發(fā)展起到了推動性作用。

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