基于三維圖像采集設(shè)備的《圖形學(xué)》實(shí)例化教學(xué)探索

【摘 要】在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)中，三維物體的創(chuàng)建、變換、繪制是學(xué)生理解的難點(diǎn)，本文通過(guò)采用三維圖像采集設(shè)備，對(duì)三維目標(biāo)物進(jìn)行了數(shù)字化與捕捉、多邊形網(wǎng)格建模、紋理映射、三維仿射變換、三維觀察等內(nèi)容，使同學(xué)們能對(duì)三維圖形學(xué)的難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行更為深入的理解，基于三維圖像采集設(shè)備對(duì)三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了實(shí)例化教學(xué)探索。

【關(guān)鍵詞】實(shí)例化教學(xué) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 三維建模

1 引言

目前《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》是許多高校開(kāi)設(shè)的多媒體系列課程之一，許多的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課本都涉及了三維物體的數(shù)字化與捕捉、立體視圖的形成、多邊形網(wǎng)格建模、紋理映射、三維物體的仿射變換、三維場(chǎng)景的繪制、三維觀察等內(nèi)容，但目前多數(shù)的教材主要是一些理論的講解，缺乏一些具體的實(shí)例，特別是缺少一些學(xué)生能看得見(jiàn)的、就在身邊的、實(shí)實(shí)在在的實(shí)物實(shí)例，因而，學(xué)生學(xué)起來(lái)，缺乏足夠力度的信服感，缺乏一些概念間聯(lián)系的理解，對(duì)一些方法與原理，特別是對(duì)一些變換公式，理解不夠深入，因此，我們覺(jué)得進(jìn)行實(shí)例化教學(xué)很有必要的。

在計(jì)算機(jī)學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐中，實(shí)例化教學(xué)方法在《操作系統(tǒng)》、《C++程序設(shè)計(jì)》、《Java程序設(shè)計(jì)》等課程中，已有一些相關(guān)的應(yīng)用介紹[1][2][3]。在圖形學(xué)的教學(xué)方面，有些學(xué)者所研究考慮的是輔助軟件的選擇[4]，有些學(xué)者考慮的是算法的演示[5]，或者是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)輔助作用的引入[6]，但在圖形學(xué)方面的實(shí)例化教學(xué)方法，特別是對(duì)三維點(diǎn)云的采集與繪制方面，還有待進(jìn)一步探索。

2 實(shí)例化教學(xué)

在我校本年度的教育教學(xué)改革與課程建設(shè)活動(dòng)中，我們進(jìn)行了“基于三維圖像采集設(shè)備的《圖形學(xué)》實(shí)例化教學(xué)探索”的課題研究，通過(guò)這一課題，豐富了我校《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》中關(guān)于點(diǎn)云與紋理的實(shí)例，讓學(xué)生能切實(shí)看到一個(gè)具體的三維點(diǎn)云與模型，及其紋理信息，以及他們間的映射。通過(guò)實(shí)例化教學(xué)，讓學(xué)生更為深刻的理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識(shí)，使得理論更能被學(xué)生信服與接受，同時(shí)大大提高了同學(xué)們對(duì)圖形學(xué)的學(xué)習(xí)熱情與興趣。

在本節(jié)后面的幾個(gè)部分，我們將分為三維物體的數(shù)字化與捕捉、多邊形網(wǎng)格建模、紋理映射、三維仿射變換、三維觀察五個(gè)方面來(lái)分別介紹我們的實(shí)例化教學(xué)方法。

2.1 三維物體的數(shù)字化與捕捉

一般在《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》的第一章會(huì)介紹三維物體的數(shù)字化與捕捉的過(guò)程與大致的深度成像原理。例如，我們?cè)谥v述基于結(jié)構(gòu)光法獲取深度圖像的時(shí)候，會(huì)告訴同學(xué)們結(jié)構(gòu)光法是一種借助三角原理，直接獲取深度信息，從而得到深度圖像的方法，是通過(guò)借助于照明中的幾何信息的幫助來(lái)提取對(duì)象的幾何信息的。更進(jìn)一步說(shuō)是攝像機(jī)、光源、與被觀察物排成一個(gè)三角形，光源產(chǎn)生的一系列光斑或激光線(xiàn)條投射到對(duì)象表面，通過(guò)攝像機(jī)對(duì)這些光斑或光線(xiàn)條的信息采集，來(lái)對(duì)光斑或光線(xiàn)條進(jìn)行計(jì)算，從而獲取對(duì)象物體的三維模型。但同學(xué)們會(huì)不是很明白這樣的設(shè)備到底是如何工作的。所以我們使用了Kinect、EVA、Spider等三維掃描儀，如圖1所示，對(duì)三維物體進(jìn)行數(shù)字化與捕捉，講解了Kinect與EVA、Spider成像原理的不同，使同學(xué)們看到了用于三維成像的光斑與激光網(wǎng)格，對(duì)三維物體的數(shù)字化與捕捉過(guò)程能有一個(gè)清晰的了解。

2.2 多邊形網(wǎng)格建模

多邊形網(wǎng)格就是一組“面”或“多邊形”的集合，這些多邊形共同構(gòu)成了一個(gè)物體的表面。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，球面，圓柱，圓錐即是這樣的面的平滑逼近形狀。在網(wǎng)格建模時(shí)，可以采用三角形、四邊形、多邊形等。我們?cè)谥v述這一部分內(nèi)容時(shí)，給出了實(shí)際的三維掃描模型捕捉的點(diǎn)云圖像以及其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格圖像，告訴同學(xué)們它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及它們是如何共同組成了一個(gè)三維立體模型。圖2是以圖書(shū)為實(shí)例進(jìn)行多邊形網(wǎng)格建模，圖2（a）給出了圖書(shū)一角的點(diǎn)云圖像，圖2（b）為它所對(duì)應(yīng)的三角形網(wǎng)格模型。

2.3 紋理映射

為了使三維網(wǎng)格模型看起來(lái)更加真實(shí)，我們需要給三維網(wǎng)格模型添加紋理，例如磚塊紋理或木材紋理。紋理的通常做法是被印在或環(huán)繞在網(wǎng)格模型的表面。同學(xué)們對(duì)具體什么是紋理，它與數(shù)字圖像處理課程中所談的紋理有什么不同，紋理是從哪里來(lái)的，紋理是如何附著在三維網(wǎng)格模型上的等問(wèn)題比較困惑，我們利用圖1中所示的三維掃描儀，對(duì)圖書(shū)實(shí)例進(jìn)行掃描，并給同學(xué)們展示了掃描所得的紋理圖像，并利用計(jì)算機(jī)程序把紋理圖像的各像素附著在圖（2）b所示的三維網(wǎng)格模型上，得到了經(jīng)過(guò)紋理映射后的三維圖書(shū)模型圖像，如圖3所示。使得同學(xué)對(duì)前面提出的問(wèn)題有了較為明晰的理解。圖3（a）是以圖2中圖書(shū)模型實(shí)例的紋理圖像，圖3（b）為針對(duì)三角形網(wǎng)格模型映射紋理后的三維圖像。

2.4 三維仿射變換

對(duì)應(yīng)于二維或三維模型，我們有時(shí)想對(duì)目標(biāo)對(duì)象實(shí)現(xiàn)的尺寸、朝向和位置更加靈活的控制。包括對(duì)物體的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切等，因此，我們會(huì)使用強(qiáng)有效的仿射變換。對(duì)于二維圖形的仿射變換，同學(xué)還好理解，但對(duì)于三維物體的仿射變換，OpenGL又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？為了說(shuō)清楚這一點(diǎn)，我們通過(guò)圖（1）所示三維掃描儀，掃描了一些三維模型的實(shí)例，編寫(xiě)了仿射變換的相關(guān)程序，通過(guò)程序告訴同學(xué)們，許多圖像平臺(tái)（包括OpenGL ）都提供一個(gè)圖形管道，我們可以把三維模型的各個(gè)點(diǎn)都發(fā)送給圖形管道，在圖形管道上進(jìn)行一系列操作，通過(guò)處理每一個(gè)點(diǎn)，就可以產(chǎn)生一個(gè)新的仿射變換后的圖像。例如，圖4為對(duì)圖3進(jìn)行紋理映射后的三維模型進(jìn)行仿射變換的實(shí)例，其中，圖4（a） 為針對(duì)圖3（B）三維圖書(shū)模型的縮小實(shí)例，圖4（b）為針對(duì)圖3（B） 圖書(shū)三維模型縮小并平移的實(shí)例。

2.5 三維觀察

三維觀察是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)，通常我們把攝像機(jī)放在空間里的某點(diǎn)，在這位置上觀察三維空間，這個(gè)三維空間稱(chēng)為視景體（ View Volume ），是金字塔形狀的一部分，那個(gè)觀察點(diǎn)我們稱(chēng)為視點(diǎn)。視點(diǎn)不同，得到的三維觀察結(jié)果也不同。在進(jìn)行教學(xué)過(guò)程中，我們需要向同學(xué)講清楚平行投影與透視投影的區(qū)別，以及如何進(jìn)行視點(diǎn)位置的設(shè)定，如何進(jìn)行透視變換等。通過(guò)一些實(shí)例，能夠更為直觀地顯示不同視點(diǎn)位置下，三維透視變換的不同結(jié)果。比如，圖5為對(duì)圖3進(jìn)行紋理映射后的三維模型，在不同視點(diǎn)下的觀察結(jié)果。圖5（a） 為視點(diǎn)在下左邊情況下的三維觀察結(jié)果，圖5（b）為視點(diǎn)在中間下方位置時(shí)的三維觀察結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

本課題的研究?jī)?nèi)容是面對(duì)《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程，研究如何利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的三維掃描與采集設(shè)備，進(jìn)行三維圖形圖像的采集，并對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行實(shí)例化教學(xué)，以期提高教學(xué)效果。本課題的研究目標(biāo)是讓學(xué)生們能夠通過(guò)實(shí)際采集的三維圖形圖像，感覺(jué)《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程所教授的內(nèi)容是實(shí)實(shí)在在的，所講述的三維圖形處理方法是十分具體的。通過(guò)采集實(shí)際物體的三維模型，展示了它的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、多邊形網(wǎng)格建模方法、文件存儲(chǔ)格式、仿射變換方法、以及三維繪制、進(jìn)行紋理映射等方法，對(duì)《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程所講述的內(nèi)容進(jìn)行了具體的映射與驗(yàn)證，進(jìn)行了其特色為以實(shí)例為先導(dǎo)、以實(shí)例為印證的實(shí)例化教學(xué)探索。

致謝

本課題為北方工業(yè)大學(xué)2015年度教育教學(xué)改革課題成果----“基于三維圖像采集設(shè)備的《圖形學(xué)》實(shí)例化教學(xué)探索”，受到北方工業(yè)大學(xué)2015年度教育教學(xué)改革和課程建設(shè)項(xiàng)目的資助，在此鳴謝。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：北方工業(yè)大學(xué)2015年度教育教學(xué)改革和課程建設(shè)基金項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：童立靖（1972—），男，學(xué)歷：博士，職稱(chēng)：副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，數(shù)字圖像處理。