家畜三維虛擬仿真模型與模型庫的建立與開發(fā)

王美麗，孫 鈺，牛曉靜，陳 偉，曾德興，金 陽，張宏鳴

（西北農(nóng)林科技大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西楊凌712100）

目前通過使用Auto CAD 技術(shù)和3DS MAX 軟件可以建立機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)上應(yīng)用的機(jī)械零件、標(biāo)準(zhǔn)件等的模型庫，使設(shè)計者可以從模型庫中調(diào)用三維模型，進(jìn)行設(shè)計和裝配，對設(shè)計和制造工作具有很大的幫助，有關(guān)機(jī)械零件方面的三維模型庫已經(jīng)初步建立［4－6］，針對這些模型庫的檢索工作也有了一定的進(jìn)展［7］。國內(nèi)外建立的關(guān)于動物和人體三維模型及其各器官三維模型非常多，但是這些模型都比較分散，沒有建成完善、專門的動物模型數(shù)據(jù)庫，而且很少有關(guān)于動物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型。因此，建立比較完善的常見家畜及其動物器官模型數(shù)據(jù)庫具有非常重要的意義，使用者能夠方便地檢索到自己需要的模型，提高其工作效率。尤其是近年來出現(xiàn)的虛擬手術(shù)系統(tǒng)是計算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和醫(yī)學(xué)物理等科學(xué)與醫(yī)學(xué)的交叉融合并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生的成果。動物模型數(shù)據(jù)庫的建立為動物虛擬手術(shù)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)［8］，可以作為獸醫(yī)專業(yè)學(xué)生的術(shù)前培訓(xùn)。

1 常見動物三維虛擬模型的建模方法

由于動物形體不規(guī)則，因此需要綜合運(yùn)用多種建模方法來建立完整的動物模型，這里將分別介紹多種優(yōu)秀建模方法（細(xì)分、擠出、鏡像、組合建模等）在常見動物模型建立中的應(yīng)用［9］。

1.1 細(xì)分（Subdivide）建模

細(xì)分建模主要針對較為規(guī)則的平面光滑曲面的物體。這種建模方法通過對子物體（頂點(diǎn)Vertex或面polygon等）的修改，形成造型物的形狀或大致輪廓，并加入MeshSmooth修改器，設(shè)定不同的參數(shù)，3DS MAX 會自動插值，重新定義頂點(diǎn)，形成光滑的表面。以山羊的頭部建模為例，首先創(chuàng)建一個長方體，并將建立的長方體轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，增加分段數(shù)，對長方體進(jìn)行修改，使之生成山羊頭部的大概輪廓。圖1為使用細(xì)分建模分別建模的山羊、馬頭部模型以及山羊心臟模型。

圖1 細(xì)分建模實(shí)例Fig.1 Subdivide models for the head of goat and horse and the heart of goat

1.2 擠出（Extrude）建模

使用擠出建模建立山羊的軀干模型時，首先選擇頭部模型的背面，然后使用擠出命令擠出脖子，用細(xì)分的方法對擠出的脖子進(jìn)行修改。修改完后再用擠出的方法擠出軀干的大概模型，對擠出的大概模型添加頂點(diǎn)、修改頂點(diǎn)位置和細(xì)分處理獲得軀干的最終模型。圖2為使用擠出建模制作的羊身體部分和馬尾巴部分模型。

圖2 擠出建模實(shí)例Fig.2 Extrude models for the body of goat and a horse tail

1.3 復(fù)制（Copy）和鏡像（Mirror）建模

復(fù)制和鏡像建模針對有規(guī)則形態(tài)的形體，或排列具有一定的規(guī)律性的造型建模，這也是3DS MAX 建模中常用的方法。由于常見動物模型具有對稱性，對于模型的各個部位（腹部、腿部和頭部等等）均采用鏡像建模的方法。對于類似模型，可以采用復(fù)制建模（如腿部）。圖3為使用復(fù)制、鏡像建模方法建立的馬、牛腿部模型。

圖3 鏡像建模實(shí)例Fig.3 Mirror models for the legs of horse and cattle

1.4 組合建模

動物是由多個相同或者不同的其他部分組成，要完成最終的目標(biāo)物體，需要利用各種不同的坐標(biāo)軸，經(jīng)常還需要改變部分的軸心，使用旋轉(zhuǎn)、移動、縮放、對齊、陣列等各種常用工具，通過切換各個視圖來方便的進(jìn)行操作，最后組合成一個完整的有機(jī)部分。通過綜合使用各種建模方法，最終形成的山羊和馬的模型（圖4），可以看出，模型的整體形態(tài)完全接近動物的真實(shí)體型，體型結(jié)構(gòu)合理。

2 三維模型庫的設(shè)計與開發(fā)

2.1 模型庫總體框架與功能介紹

模型庫的建立和管理通過Microsoft Visual C＋＋6.0和SQL SERVER2008［10］來實(shí)現(xiàn)。圖5為三維動物模型庫的總體框架圖，具體功能描述如下：

（1）模型信息錄入，包括模型文件的選擇，模型的編號，以及模型的名稱。

（2）模型信息修改，選中某一記錄，選擇修改，可修改選中記錄的模型文件、模型的編號和模型的名稱。

設(shè)定有m個處理器，主處理器已接收來自從處理器的最優(yōu)解，S={S1，S2，…，Sm}，其中 Sm 代表第m個處理器求得的最優(yōu)解，接下來是使用雜交算子方法來分析和處理該最優(yōu)解。上述的算法中，結(jié)合路網(wǎng)的實(shí)際，使用了啟發(fā)式雜交算子，通過實(shí)驗(yàn)案例來表達(dá)如下所示。

（3）模型信息的刪除，選中某一記錄，選擇刪除，即可將選中的記錄刪除。

（4）模型信息查找，在查找的文本框中輸入要查找的關(guān)鍵字，點(diǎn)擊搜索即可將匹配的記錄全部顯示出來。可以進(jìn)行模糊搜索。

圖4 建模完成實(shí)例Fig.4 Completed models for goat and horse

圖5 系統(tǒng)總體框架圖Fig.5 The overall framing pipeline for generating animal 3D models database

2.2 開發(fā)步驟詳細(xì)說明

2.2.1 配置環(huán)境

（1）下載OpenGL庫文件；

（2）將包里的.h文件（gl.h，glu.h，glaux.h）放到VC 的include／gl／目錄下（...／Microsoft Visual Studio／VC98／Include／GL／）；

（3）將包里的.lib 文件（glu32.lib，glaux.lib，opengl32.lib）放到...／Microsoft Visual Studio／VC98／Lib／目錄下；

（4）將包里的.dll 文件（glu.dll，glu32.dll，opengl32.dll）放到C：／／WINDOWS／system32 目錄下；

（5）在每個VC創(chuàng)建的工程作如下設(shè)置：project－＞settings－＞link選項(xiàng)卡－＞object／library modules里添加OpenGL32.lib glu32.lib glaux.lib。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫鏈接 在工程中導(dǎo)入ADO 動態(tài)鏈接庫msado15.dll，并添加代碼＃import"c： Program Files Common Files System ado msado15.dll" no＿namespace rename（"EOF"，"adoEOF"）rename（"BOF"，"adoBOF"），這樣就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作。

2.2.3 系統(tǒng)運(yùn)行 圖6為三維模型庫運(yùn)行主界面，其中左側(cè)為模型庫信息，右側(cè)為模型顯示。該系統(tǒng)可對模型進(jìn)行添加、修改和刪除操作，通過雙擊模型信息可以顯示模型，也可以通過查找關(guān)鍵字在模型庫中搜索所需模型，支持模糊查找。圖7為羊的前（a）后（b）左（c）右（d）模型，通過按下鼠標(biāo)右鍵，可以調(diào)整模型的大小，按下鼠標(biāo)左鍵，可以對模型進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論與展望

本文首先使用3DS MAX 軟件建立常見動物三維模型，針對動物模型的復(fù)雜性選取了細(xì)分曲面、組合建模技術(shù)來建立動物模型；模型庫的建立和管理通過Microsoft Visual C＋＋6.0和SQL SERVER2008來實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)模型添加、修改、刪除以及檢索等操作。三維模型庫可作為動物科學(xué)專業(yè)教學(xué)和實(shí)習(xí)的輔助工具，同時可為虛擬動物手術(shù)奠定基礎(chǔ)。

圖6 系統(tǒng)主界面Fig.6 The main page of animal 3D models database

圖7 不同角度模型顯示圖（以山羊?yàn)槔〧ig.7 The goat 3D models from different angles

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