虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下三維仿生圖像特征增強(qiáng)研究

李放

摘要：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)屬于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最熱門(mén)的應(yīng)用之一，被廣泛地應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、娛樂(lè)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(guò)三維建模來(lái)完成。隨著國(guó)民對(duì)日常生活水平的要求越來(lái)越高，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的三維仿生圖像的要求也逐步提高。針對(duì)目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下三維仿生圖像技術(shù)，提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下三維仿生圖像的特征增強(qiáng)研究方案。

關(guān)鍵詞：仿生圖像；虛擬技術(shù)；圖像；特征；增強(qiáng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)水平的不斷上升，該技術(shù)成為各大領(lǐng)域爭(zhēng)搶的熱門(mén)技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實(shí)（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(jué)建模和三維聽(tīng)覺(jué)建模。目前，我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的是三維視覺(jué)建模技術(shù)[3-4]，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將虛擬圖像以三維建模方式生動(dòng)形象地呈現(xiàn)在人們面前，給人以身臨其境的感覺(jué)，這一技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在了我國(guó)建筑、軍事和娛樂(lè)領(lǐng)域中[5]。目前我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)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(duì)這一現(xiàn)狀，對(duì)目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并對(duì)其三維仿生圖像建模方式進(jìn)行研究，最終提出基于目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的三維仿生圖像特征增強(qiáng)方案。

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是指利用計(jì)算機(jī)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(shí)又給人一定的真實(shí)感，通過(guò)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(jué)。人工媒體空間是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)而形成的一種多媒體環(huán)境，既可以是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一種模擬，也可以是對(duì)虛擬世界的一種構(gòu)想。因此，在我國(guó)建筑、娛樂(lè)、軍事及醫(yī)療等方面均得到了廣泛應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要具有真實(shí)性、交互性和虛擬構(gòu)想性3個(gè)顯著的特征。①真實(shí)性：通過(guò)計(jì)算機(jī)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(jué)，仿佛置身于該場(chǎng)景中；②交互性：通過(guò)使用虛擬交互設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)使用者與虛擬世界的交互，進(jìn)行互動(dòng)操作，主要體現(xiàn)在日常應(yīng)用的體感游戲和VR體驗(yàn)中；③虛擬構(gòu)想性：虛擬世界的建立主要是根據(jù)人們對(duì)于虛擬世界的要求和構(gòu)想，最終通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將該構(gòu)想以虛擬的方式呈現(xiàn)出來(lái)。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的這一特征被廣泛地應(yīng)用在國(guó)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(qiáng)研究

2.1圖像變換增強(qiáng)

圖像變換增強(qiáng)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的主要內(nèi)容之一，可以將簡(jiǎn)單圖形復(fù)雜化，從而增強(qiáng)所要模擬的圖像特征，對(duì)部分特征進(jìn)行細(xì)節(jié)化。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下，圖像變換技術(shù)可以將所需模擬圖像的局部進(jìn)行變換，使其復(fù)雜化的同時(shí)，增強(qiáng)其細(xì)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(lái)說(shuō)屏幕區(qū)域是窗口輸出圖形的最大區(qū)域，也是一個(gè)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(gè)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(gè)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(jìn)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(biāo)點(diǎn)為1和2，右下角坐標(biāo)為3和4，該視圖區(qū)2個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)分別為1、2和3、4，那么窗口區(qū)域的中心點(diǎn)（，）與視圖區(qū)域的中心點(diǎn)（，）存在如下關(guān)系：

可以看出，想要將窗口圖像放大并細(xì)節(jié)化后變換到視口圖像，可以按照以下順序依次進(jìn)行：①以窗口區(qū)域點(diǎn)（1，3）為中心，進(jìn)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(dòng)到屏幕區(qū)域，圖像轉(zhuǎn)變時(shí)的縮放因子應(yīng)保持固定的比例，保證圖像不會(huì)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(qiáng)

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(duì)象行為建模3個(gè)大類(lèi)。

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(duì)象的特征進(jìn)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(jiǎn)單，但是計(jì)算量大，不利于模擬實(shí)時(shí)性虛擬對(duì)象。因此，該技術(shù)大多應(yīng)用于靜態(tài)遠(yuǎn)景的建模和具有實(shí)時(shí)性的物體，為了構(gòu)造一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，需要對(duì)環(huán)境中的物體賦予生命力。

③對(duì)象行為建模主要是根據(jù)模擬對(duì)象的自身特征以及運(yùn)動(dòng)特征來(lái)進(jìn)行動(dòng)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(duì)象的自身特征，同時(shí)還要考慮到虛擬環(huán)境的特征，將二者結(jié)合起來(lái)構(gòu)建出真實(shí)逼真的虛擬環(huán)境。因此，對(duì)象行為建模是整個(gè)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的研究成果。

2.3三維仿生圖像真實(shí)感增強(qiáng)

三維仿生圖像真實(shí)感增強(qiáng)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(shí)感，同時(shí)又能通過(guò)紋理和陰影的處理，從而突出圖像特征，增強(qiáng)局部特征顯示。

真實(shí)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(duì)三維空間的非透明物體將觀察者看不見(jiàn)的線或面進(jìn)行消除的一種技術(shù)，可以在場(chǎng)景中消除看不見(jiàn)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(guò)消除部分不重要的局部來(lái)突出圖像特征，從而達(dá)到增強(qiáng)圖像特征的目的；②光感技術(shù)是在圖像生成過(guò)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(shí)通過(guò)光線的強(qiáng)暗處理來(lái)突出圖像特征，從而增強(qiáng)圖像的特征顯示；③紋理技術(shù)是三維圖像的細(xì)節(jié)生成技術(shù)，通過(guò)對(duì)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(lèi)型：顏色紋理主要是通過(guò)在局部圖像上增加帶有描繪附加定義的花紋和圖案，來(lái)增強(qiáng)圖像局部效果，從而增強(qiáng)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(jué)，從而表達(dá)其微觀幾何特性，增強(qiáng)其圖像的特征性。

2.4三維仿生圖像特征增強(qiáng)

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，想要達(dá)到圖像逼真的效果就必須對(duì)仿生圖像的特征進(jìn)行模擬增強(qiáng)。因此，在進(jìn)行圖像變換后，還需要經(jīng)過(guò)后期處理對(duì)變換后的圖像進(jìn)行完善，達(dá)到凸顯圖像特征的目的。針對(duì)目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維建模技術(shù)的研究現(xiàn)狀，提出了以下幾點(diǎn)增強(qiáng)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(gè)宏觀物體進(jìn)行分割和重組。在分割過(guò)程中將該物體進(jìn)行細(xì)節(jié)化，最終將細(xì)節(jié)化后的圖形按照相應(yīng)的順序進(jìn)行重組。在對(duì)物體進(jìn)行拆分的過(guò)程中應(yīng)盡量保證每次拆分時(shí)的回轉(zhuǎn)面為柱體或椎體。因?yàn)橄噜彽?個(gè)拆分面之間若呈現(xiàn)不規(guī)則曲面，會(huì)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(duì)該圖像的主要特征進(jìn)行多次拆分和細(xì)化，保證重組后的圖像能夠突出其特征。在拆分過(guò)程中，為了使這些切面以相近的多邊形進(jìn)行擬合，通常將其切分為16、32和48多邊形來(lái)逼近一個(gè)曲面。而重組過(guò)程則是尋找切分后的圖形中點(diǎn)、線和面之間的關(guān)系，將其切分后的定點(diǎn)依次相連，形成一個(gè)切面，再將切面與切面間依次相連，形成一個(gè)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)，則可以得到細(xì)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(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到真實(shí)度的要求的。因此，還需要對(duì)重組好的圖像進(jìn)行表面紋理反射處理。許多圖像硬件都具有實(shí)時(shí)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(diǎn)上，從而提高圖像的逼真度。

紋理映射法主要具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①在一定程度上大大增加了圖像畫(huà)面的細(xì)節(jié)水平，以及景物圖像的真實(shí)感；②由于紋理映射技術(shù)的實(shí)時(shí)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(duì)圖像進(jìn)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(shí)時(shí)間。

（3）面向?qū)ο?/p>

面向?qū)ο蠓ㄊ钱?dāng)今軟件設(shè)計(jì)技術(shù)中一種新型的設(shè)計(jì)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(lái)盡可能地逼真模擬實(shí)體景物。該方法需要在圖像繪制平臺(tái)中編制多種程序語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)，所繪制的模型形成一個(gè)整體，導(dǎo)致模型不能被重復(fù)利用，仿生過(guò)程復(fù)雜。而面向?qū)ο蠓▌t是根據(jù)仿生對(duì)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(gè)圖像單元都是單獨(dú)存在的實(shí)體。然后根據(jù)其模擬對(duì)象的特征來(lái)進(jìn)行圖形定義，例如模擬對(duì)象的輪廓位置、色彩、屏幕深度、顯著標(biāo)志、縮放比例及現(xiàn)實(shí)角度等。最后將定義后的圖像放置于各個(gè)空間中，圍繞模擬對(duì)象的起點(diǎn)、軌跡及光照位置等給予其環(huán)境特征，再通過(guò)消息驅(qū)動(dòng)軟件來(lái)獲得該畫(huà)面應(yīng)有的仿真效果，從而逼真地完成圖像的動(dòng)態(tài)操作[6-7]，面向?qū)ο蠓▓D像組建過(guò)程如圖2所示。

3結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合了目前虛擬現(xiàn)實(shí)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(qiáng)圖像特征的方法，并對(duì)這3種方法進(jìn)行闡述和說(shuō)明，通過(guò)模型和算法分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獲得更逼真的仿真效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下三維仿生圖像特征的增強(qiáng)和細(xì)化不僅在一定程度上加快了我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也對(duì)我國(guó)醫(yī)療、軍事及建筑等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展起到了推動(dòng)性作用。

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