基于虛擬現(xiàn)實技術的計算機三維仿生圖像特征增強策略

楊玲

（陽江職業(yè)技術學院 廣東省陽江市 529566）

1 引言

近年來，隨著我國虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展，對計算機三維仿生圖像的特征增強提出了更高的要求。因此，“基于虛擬現(xiàn)實技術的計算機三維仿生圖像特征增強策略”成為社會關注的焦點。為了促進虛擬現(xiàn)實技術的快速發(fā)展，一方面要重視對虛擬現(xiàn)實技術的理解，另一方面要重視基于虛擬現(xiàn)實技術的計算機三維仿生圖像特征增強技術。

2 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統(tǒng)，作為數(shù)字化中國最重要的四項基礎技術之一占有重要的地位。隨著計算機技術的進步以及媒體創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，虛擬現(xiàn)實逐漸成為一種影響和改變人們生活方式的重要元素。虛擬現(xiàn)實技術作為信息領域重點發(fā)展的三項前沿技術之一。體現(xiàn)在令人嘆為觀止的虛擬展示、3D電影中眼花繚亂的立體特效場面、春節(jié)聯(lián)歡晚會中絢爛又智能的虛擬舞臺場景生成、還有越來越普及的三維虛擬場景體驗、城市景觀漫游、三維產(chǎn)品展示等等，這一切的背后都是虛擬現(xiàn)實技術的支撐及其應用思想的體現(xiàn)。從當初只用于軍事、航天等高端領域，到今天進入普通人的日常生活；從當初必須構建在復雜、昂貴的系統(tǒng)之上，到今天甚至可以用普通智能手機來體驗，虛擬現(xiàn)實正在深入人們生活的方方面面，并必將為人類帶來更大的便捷與驚喜，其應用市場與應用前景不可估量。

因此，虛擬現(xiàn)實技術的研究是一項復雜而具有挑戰(zhàn)性的任務。同時，虛擬現(xiàn)實技術也是一種先進的前沿仿真技術。虛擬現(xiàn)實技術一般包括以下幾個方面。一是利用虛擬現(xiàn)實技術模擬外部大氣壓力。二是通過虛擬現(xiàn)實技術模擬人的感知[1]。三是通過虛擬現(xiàn)實技術模擬自然生態(tài)環(huán)境。第四，通過虛擬現(xiàn)實技術模擬傳感設備。其中，虛擬現(xiàn)實技術模擬的外部大氣壓力主要用于科學合理地控制外部大氣壓力的變化，從而生動地顯示三維立體圖像。利用虛擬現(xiàn)實技術模擬人的感知，模擬人的聽覺、視覺、嗅覺、觸覺和味覺五個真實的感覺器官，使人的五種感官的感覺能夠準確地呈現(xiàn)給多感知研究者。虛擬現(xiàn)實技術模擬的自然生態(tài)環(huán)境主要用于全面預測自然生態(tài)環(huán)境的變化，從而提高自然生態(tài)環(huán)境的質量[2]。虛擬現(xiàn)實技術模擬的傳感裝置主要用于科學合理地應用傳感裝置，從而提高傳感裝置的工作性能，保證傳感裝置的正常、安全和穩(wěn)定運行，顯示計算機的聽覺、視覺、嗅覺、觸覺和味覺。通過傳感裝置進行了生動的分配。

另外，虛擬現(xiàn)實技術主要是通過圖形技術和多媒體技術的完美結合，將人機圖形完美地呈現(xiàn)給用戶。因此，虛擬現(xiàn)實技術的研究是一項復雜而具有挑戰(zhàn)性的任務。一般來說，虛擬現(xiàn)實技術通常具有以下三個特點：一是虛擬技術的存在性；二是虛擬技術的交互性；三是虛擬技術的自主性。虛擬技術的存在意味著用戶通過感知虛擬技術的存在來模擬環(huán)境的真實存在[3]，并將模擬的環(huán)境真實存在映射到計算機中，最終形成真實的三維圖像，以確保用戶的良好體驗。虛擬技術的交互性是指用戶通過感知虛擬技術的交互性來模擬計算機的真實交互，將計算機模擬的真實交互映射到計算機中，最終形成真實的三維圖像，從而保證用戶的良好體驗。虛擬技術自主性是指用戶通過感知虛擬技術的自主性來模擬環(huán)境的真實自主性，將模擬環(huán)境的真實自主性映射到計算機中，最終形成真實的三維圖像，從而保證用戶的良好體驗。

3 三維仿生圖像的特征增強策略

3.1 三維圖像變換增強

圖像變換增強策略對于三維仿真圖像的真實、生動顯示具有重要意義。圖像變換增強策略的應用步驟如下：首先，通過圖像變換技術與虛擬現(xiàn)實技術的完美結合，科學合理地改變窗口，從而實現(xiàn)窗口變換效率的特點。此外，任何窗口大小都可以更改。其次，通過將圖像變換技術的穩(wěn)定性特征[4]與虛擬現(xiàn)實技術的完美結合，可以改變圖像在屏幕的尺寸，向用戶顯示三維仿真立體圖像，從而提高用戶的真實性體驗。最后，通過圖像變換技術和虛擬現(xiàn)實技術的安全特性的完美結合，提高三維仿真立體圖像的真實性。

基于虛擬現(xiàn)實技術下，使用三維圖像變換增強算法對圖像增強，三維圖像變換增強算法能夠把三維圖像的局部實行變換，能夠增強圖像的細節(jié)特征[5]。三維圖像增強算法的主要為窗口視區(qū)轉換，屏幕區(qū)域屬于窗口輸出圖像的最廣區(qū)域，也是約束的整數(shù)區(qū)域。若輸出屏幕為1200×1200個可編輯地址顯示像素，則屏幕區(qū)域大小可設置為[0:600]×[0:600]，只要不超過此區(qū)間的視圖區(qū)都屬于屏幕區(qū)域。通過三維圖像增強算法能夠把窗口區(qū)域復雜化嵌入視圖區(qū)域來建立新的三維圖像。三維圖像在窗口區(qū)域變換成視圖區(qū)域，建立映射的關聯(lián)性如下：

其中含義是將窗口區(qū)域的左上角坐標點依次設成A1與A2，將此視圖里兩個角點的坐標依次設成(AV1，AV2)，(AV3，AV4)，則窗口區(qū)域的中心點為(X，Y) 和視圖區(qū)域中心點(AX，AY) 。

然后，把窗口的中心點(X，Y) 導入視圖的中心點(AX，AY) 能夠導出他們的關系如下：

其中，窗口區(qū)域圖像變換到屏幕區(qū)域的縮放因子分別為：

根據(jù)映射的關聯(lián)性，基于虛擬現(xiàn)實的三維窗口圖像想放大并細化轉換后變成視口圖像提升圖像的清晰度，需要通過如下兩步進行：

（1）將窗口區(qū)域點(A1，A3)設成中心，實行縮放轉換，把窗口區(qū)域三維圖像變換成視口區(qū)域三維圖像；

（2）把變換后的窗口區(qū)域圖像移動至屏幕區(qū)域，圖像變換后的縮放因子維持固定的比例，以保圖像不出現(xiàn)橫向和豎向的改變,使其得到較高的清晰度。

3.2 三維圖像建模能力

眾所周知，三維仿生圖像的建模能力增強策略對三維仿真立體圖像的逼真顯示具有重要意義。三維仿生圖像建模能力增強策略的應用步驟如下：首先，利用三維仿生圖像建模技術的穩(wěn)定性特征，對各種類型的圖像進行建模，充分利用三維仿生圖像建模技術的價值，為三維仿生圖像建模技術的應用奠定了理論基礎，也為三維仿生圖像建模能力增強策略的應用奠定了基礎。其次，將三維仿生圖像建模技術的高效特性與虛擬現(xiàn)實技術完美結合，大大提高了圖像建模的效率。通過科學合理地設計圖像的外觀，將三維仿真立體圖像呈現(xiàn)給用戶，提高了用戶的真實體驗。最后，利用三維仿生圖像建模技術的持久性特征，與虛擬現(xiàn)實技術完美結合，對圖像進行建模后可以對圖像的外觀進行長時間的刻板化，避免了由于時間的推移而導致圖像外觀的變化，從而提高了圖像的質量。三維仿真立體圖像的真實性。此外，它還有效地保證了三維仿真立體圖像的耐久性。一般來說，嚴格遵循上述三個步驟，可以真正實現(xiàn)三維仿生圖像建模能力增強策略的價值。總之，利用三維仿生圖像的建模能力增強策略，可以直觀地顯示三維仿真立體圖像。

具體的實現(xiàn)方法有多邊形（Polygon）建模、曲面建模和參數(shù)化建模。多邊形建模即四邊形建模，Polygon模型的子對象由Vertex（點）、Edge（邊）、 Face（面）、 Element（整體元素-體）構成。一般以多邊形初始幾何體為基礎進行塑造，這種塑造不外乎添加點，線，面這些元素級別的單位，讓模型豐富起來；兩點連成一條邊，三條邊構成一個面，2 個面構成一個多邊形，多個多邊形構成一個實體，這是多邊形建模的基礎原理，從而使一個簡單的物體變成復雜的模型，利用這種多邊形初始集合體的形狀修改基本的原始屬性使他們變成復合體，也可以通過分離，擠出，合并或者刪除等操作修改原始的形狀。

通常情況，一個完整模型由中更多規(guī)則四邊多邊形組成，多邊形建模非常適合對精度要求不高的建模，多用于影視、游戲。娛樂類三維軟件都有多邊形建模模塊，多邊形編輯已經(jīng)非常的完善，各三維軟件的多邊形建模系統(tǒng)大同小異。

其次NURBS建模也很有特色，NURBS模型能夠完美地表現(xiàn)曲面模型，滿足高精度的光滑模型，NURBS造型總是由曲線和曲面來定義，要在NURBS表面里生成一條有棱角的邊非常困難。NURBS建模由曲線組成曲面，再有曲面組成模型表面，而曲線有控制點可以控制曲線曲率、方向、長短。NURBS建模過程是點創(chuàng)建了曲線。曲線創(chuàng)建了曲面，也可以通過抽取創(chuàng)建曲面。NURBS Modeling 非常適合創(chuàng)建光滑的物體，如：數(shù)碼產(chǎn)品、汽車等。

工業(yè)類建模需求精確尺寸，參數(shù)化建模非常的必要。參數(shù)化建模環(huán)境里，零件由特征組成。特征可以由正空間或負空間構成。正空間特征是指真實存在的塊，負空間特征是指切除或減去的部分。借助參數(shù)化建模，可以使用特征和約束捕獲設計意圖，讓用戶可以自動執(zhí)行重復性更改。參數(shù)化建模技術非常適合涉及苛刻要求和制造標準的設計任務。參數(shù)化建模對設計進行更改后模型會自動更新，能夠輕松捕獲設計意圖，使用戶更容易定義模型在進行某些更改后應有的行為方式，輕松定義和自動創(chuàng)建同一系列的零件，與制造工藝完美結合，縮短了生產(chǎn)時間。數(shù)化建模建模方式多用于工業(yè)設計，需要精確的尺寸來輔助設計，原型設計甚至可以直接輸出到機床進行生產(chǎn)加工。

3.3 三維圖像現(xiàn)實增強

現(xiàn)實增強策略即結合虛擬現(xiàn)實技術，對各種類型圖像的現(xiàn)實感進行模擬。真實感增強可以使三維圖像具有材質和燈光的一種圖像生成技術，也能通過貼圖和多種材質方法增強局部特征顯示。從物理燈光方面增強，具體指選擇合適的燈光類型，擬定合適的燈光方案等；從攝像機動畫方面增強，具體指用攝像機來跟蹤對象運動等；

在虛擬現(xiàn)實技術中，仿生圖像的材質一般有顏色通道，透明通道，凹凸通道，高光通道，反射通道和折射通道等，而法線只是運用到凹凸通道里的一種貼圖，一個物體要模擬出真實效果，通道的組合越真實就越好。

具體的做法是：先將模型在非透視圖中顯示，通過抓圖和線框形式將三維模型輸出，然后再繪制圖像，最后再將平面貼圖賦給三維模型，完成彌補角色模型的效果。局部模型貼圖的方式是在建立模型時將每一個元素單獨制作，然后將單獨的每一個元素按照平面，柱體、球體、立方體等UVW貼圖坐標進行處理，再為每一個元素單獨賦予局部貼圖。編輯模型的UV效果如果不理想的話，材質賦到模型上就容易出現(xiàn)不平均分布的現(xiàn)象。Unwrap UVW(展開坐標)的功能可使在多個對象間貼圖變得更加簡單，只需進行選擇，然后應用展開坐標命令即可。在打開編輯器時，可以看到所有包含修改器的選定對象的貼圖坐標，編輯器會顯示每個對象的線框顏色，這樣就可以區(qū)分不同的對象。編輯UVW對話框中可以顯示UVW面和UVW頂點組成的晶格頂點、邊或面可操縱相對于貼圖的UVW坐標并進行變換。因此紋理映射是最能在三維仿生圖像現(xiàn)實增強策略方面體現(xiàn)出重要作用的方法。這里涉及到的技術有全景照片的拍攝要求；全景照片的形變、配準與融合；全景漫游路線的構建；多點全景圖的融合；全景漫游系統(tǒng)的封裝與發(fā)布。

現(xiàn)在已有的現(xiàn)實增強實際應用案例有3D書、虛擬圓明園、Google眼鏡等；設計到的動畫關鍵技術有關鍵幀動畫、關節(jié)動畫、基于過程的動畫、群體動畫、運動學/逆向運動學/動力學動畫技術、Morphing/Deformation（形變）技術，頂點幀動畫技術與骨骼幀動畫技術，動作的獲取方式，角色動畫系統(tǒng)設計示例：頂點動畫系統(tǒng)、骨骼動畫系統(tǒng)，角色動畫系統(tǒng)介紹（如ogre、cal3d等）。

模型有的被劃分為剛體類型，因此給予力場和運動約束；有的模型被指定為粒子，因此給予發(fā)射屬性及相關群體運動；有的模型被指定為柔體和布料；有的模型被指定為流體等等。建模要結合動作一般要用到關鍵幀技術，動作捕捉技術等。在給模型賦予動作的過程中，需要骨骼系統(tǒng)和表情綁定等知識。另外，數(shù)字化布料模擬，毛發(fā)渲染，運動匹配技術相結合也提高了真實感。體現(xiàn)在游戲方面，場景動畫，特效動畫，角色動畫等增強技術，綜上所述重點從變換增強，建模增強，現(xiàn)實增強三個方面來說明三維仿生圖像特征增強的方法。

4 結論

綜上所述，本文結合了目前虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展現(xiàn)狀在圖像變換方面，建模能力方面，現(xiàn)實增強方面對三維仿生圖像策略闡述和研究。隨著我國對虛擬現(xiàn)實技術的不斷關注，虛擬現(xiàn)實技術在計算機三維仿生圖像特征增強領域工作取得了令人滿意的效果。此外，為了促進虛擬現(xiàn)實技術的快速發(fā)展，越來越多的虛擬現(xiàn)實技術人員積極參與“基于虛擬現(xiàn)實技術的三維仿生圖像特征增強策略”的研究，不斷提高其專業(yè)性，奠定了一定的理論基礎，為虛擬現(xiàn)實技術的未來發(fā)展奠定基礎。