计算机三维技术

计算机三维技术（精选10篇）

计算机三维技术 第1篇

人类正在进入信息时代, 随着科学技术的快速发展, 计算机视觉 (Computer Vision) 的应用越来越受到广泛的重视。计算机视觉的目标是要使机器人和计算机通过对二维图像的处理达到对三维景物和环境的认知, 从而具有和人类相当的视觉处理能力, 最终像人一样通过视觉观察和理解世界, 具有自主适应环境的能力。计算机视觉是对静止图像或者视频中的数据进行一定的处理, 转化成另一种表达方式, 以达到某种特定的需求, 而且基于计算机视觉实现的三维技术应用范围也越来越广泛, 为此, 有必要开展基于计算机视觉的三维技术应用研究。

本论文主要结合计算机视觉的三维成像特点, 对基于计算机视觉的三维重建技术进行应用研究, 以期从中能够找到三维重建技术的应用模式与构建方法, 并以此和广大同行分享。

2 三维模型重建技术应用中存在的问题

虽然基于计算机视觉的三维建模已经广泛的应用于很多领域, 但是, 这种技术仍然有一些难点和问题。当前, 国内外学者主要集中于三个问题进行研究:效率、精确性和鲁棒性。

(1) 建模效率。速度的改进可以体现在两个方面:一是硬件方面, 大量的图形处理功能被集成到硬件中, 加快了处理速度, 同时, 计算机硬件又以摩尔速度更新, 也为建模效率提高提供了良好的条件, 但是, 对建模效率提高的需求不能仅仅局限于对硬件厂商的热切期望。第二个方面就是要提高建模算法的速度, 这才是最根本的解决方式。

(2) 模型的拓扑精度、纹理映射以及光照处理。物体都具有材质信息, 不同的环境下, 使其呈现不同的状态。目前, 人们还是能够分辨出电脑所展示的物体是真实拍摄的还是电脑制作的。由此可见, 计算机生成的模型还没有达到以假乱真的程度。如何构建环境光模型, 如何给不同材质的物体应用光照模型, 如何在物体的材质信息、纹理信息和拓扑结构信息之间建立对应关系也是要解决的问题。

(3) 普适性。生成三维模型的方法很多, 但是, 每种方法都有其适用范围, 没有哪种方法可以很好的重构各类物体, 这给实际的模型生成工作带来了很大的麻烦。出现这样的问题, 是因为每种方法利用的重构信息不同。如何结合不同方法的优点, 提出一个具有普遍适用性的方法同, 也是三维建模的一个难点。

3 基于计算机视觉的三维重建技术探讨

3.1 基于特征点的三维重建立体匹配技术应用

匹配技术通常可以分为基于特征的匹配、基于区域的匹配和基于相位的匹配三大类, 其中, 基于特征的匹配由于其提取的图像特征针对性强, 能够大大减少随机噪声、形变、灰度变化以及遮挡等因素对图像的影响, 比其他两种方法更具有实用性。另外, 基于特征的匹配方法不需要处理全部的图像点, 只需计算代表图像信息的强特征部分, 从而大大节省了计算时间, 具有更好的实时性。基于以上考虑, 本文采用的方法即为基于特征的匹配。

(1) 特征点的提取

对于基于机器视觉的特征提取方法, 最传统的和最常用的方法莫过于Harris提取法。Harris检测器的核心思想是用图像的一阶导数组成的自相关矩阵来检测某点周围的亮度强度变化。最早采用小型滤波器作为图像的导数, 之后发现高斯滤波器的效果更好。为了降低噪声的干扰, Harris用高斯函数进行了平滑处理。自相关矩阵M的特征值用来判断所检测的点窗口的特征类型。Harris定义的角点位于图像自相关矩阵中存在的两个最大特征值的地方, 这在本质上表示以此点为中心周围至少存在两个不同方向的纹理 (或者边缘) , 正如实际的角点是由至少两个边缘相交于一点而产生。角点的这个定义还有另一个优点, 被跟踪的物体在移动过程中可能会旋转, 找到同时对移动和旋转不变的量是很重要的。利用自相关矩阵的特征值可以达到这个目的。

(2) 特征点的匹配

在提取出特征点之后, 就该对特征点进行匹配, 匹配的关键之处在于给每一个特征点附加一个独特的标记, 以方便于识别特征点。这些用来描述特征的标记统称为特征描述符。描述符广泛应用于纹理分类, 图像检索, 匹配等领域。为某一点建立描述符需要计算该点周围邻域的像素特征, 这些特征可以是局部区域的灰度值, 颜色值或者纹理轮廓。描述符的任务就是将这些特征描述出来, 同时要能与其他点区分开来, 以完成正确的匹配。

3.2 基于机器视觉的三维重建优化应用

经过匹配之后, 我们得到了空间的离散点, 但是由于点与点之间的情形是未知的, 更不能构成平面或曲面, 为了使物体真实地显示出来, 需要对这些点进行剖分, 并赋予其深度信息, 从而得到场景的三维重构模型。

基于立体视觉的三维重建是由两幅或多幅图像恢复物体二维几何形状的方法, 用于重建的图像序列是由移动的单台摄像机或处于不同视点的多台摄像机所拍摄的。摄像机通过透视变换获取了三维空间物体的二维图像, 该图像中的点实际物体上的点存在着一定的对应关系。就像我们的双眼一样, 两台CCD摄机从不同方向对空间中一个点进行拍摄后得到的两幅图像, 然后依据对应关系向推出实际空间中点的位置坐标, 这就是双目立体视觉三维重建的过程。如前面章节的叙述可知, 通过完成摄像机标定、三维物体立体图像对预处和匹配并得到空间点三维坐标后, 我们就可以利用这些数据对物体进行三维重建了。

经过摄像机标定获得摄像机的内参数, 结合估计出的基础矩阵F以及由立体匹配获得的匹配点集, 接下来利用SFM (Structure from Motion) 算法恢复摄像机的外参数, 进一步计算就可以得出空间离散点的三维坐标。

依据国内外经典的三维重建系统, 我们在已有工具箱的基础上, 对相关算法进行改进, 完成了一个简单的三维离散点重建系统。经过立体匹配、摄像机标定、三维重建等步骤, 重建出所提取特征点的空间三维坐标值。三维重建是通过由不同角度拍摄的两幅或多幅图像恢复物体空间坐标的方法。在找到匹配点对并已知摄像机内参数的情况下, 采用SFM算法进行离散点的重建, 主要算法步骤如下:

(1) 由基础矩阵F进一步求解本质矩阵;

(2) 计算摄像机运动参数 (外参数) (R|t) 的候选值;

(3) 判断 (R|t) 的符号, 并从多组候选值中确定唯一的正确值;

(4) 得到投影矩阵, 计算匹配点的空间三维坐标。

4 结语

物体的三维重建技术一直是计算机视觉研究的热点和重点之一, 它的目标是将二维的投影图像转化为三维的立体结构。高仿真的三维重建技术正逐渐使用于各种模拟场景和智能系统中, 例如飞机的模拟驾驶, 游戏和场景中的虚拟物体演示, 建筑物的虚拟建模, 工厂的零件检测, 交通事故保存等领域。随着科学技术的发展和日益增长的需求, 三维重建技术必将更加完善

参考文献

[1]彭健, 姜露露.基于极线几何约束的非标定图像的立体匹配[J].计算机应用, 2007, 27 (11) :2800-2805.

[2]吴福朝.计算机视觉中的数学方法[M].北京:科学出版社, 2008.

计算机三维技术 第2篇

【关键词】三维地质模型；金属矿床；动态计算；储量计算技术

众所周知，矿产资源是不可再生资源，随着矿产资源开发量的逐渐加大，全球的矿产资源都在呈现锐减的趋势。因此，针对矿产资源实施保护已经成为了全球的共识。在相关的地理信息技术发展的同时以及在相关的地理信息系统观念进行改进的进程中，使得地质矿产的勘察技术也得到了极大的改进，对于推动地质矿产的自动化管理的实现具有积极的影响意义。而在地理信息技术高速发展的同时，也逐渐衍生出了三维地质建模技术，如何将该技术合理的应用到固体矿产资源储量的计算中，是我国对矿产资源储量计算研究的重点内容。下面本文就主要针对基于三维地质模型的金属矿床动态储量计算技术进行深入的探究。

1、储量动态计算一般过程

在对地质矿产进行勘探以及开采的过程中，都会引发严重的矿产储量耗损的问题，而无论是何种因素引发的矿产耗损，都需要合理的依据初始储量来进行损耗量的计算，在完成一次的勘探，就需要合理的对矿体重新进行模型的塑造，将新塑造的模型和计算所的储量值作为后续勘探的基础数值。在重新对初始储量进行构造后，矿体的储量或多或少会与初始的储量有着一定的偏差，从这就说明了矿体的储量有着动态变化的特点。一般来说，矿体储量的动态变化过程可以划分为三个阶段，第一阶段是初始储量计算，第二阶段是矿体结构或内部结构变化，第三阶段就是矿体变化所产生的新储量值。

其中，第一阶段需要充分的依据所收集到的各种勘探数据和计算所得的储量执行。而第二阶段则主要是在矿体体积因为矿产储量发生变化而减小的情况下，又因为新尖灭点而使得体积相应的增大，表现出了体积动态变化的情况。第三阶段出现在矿体呈现出多种变化后，矿产内部的储量重新进行堆积和叠加，使得储量值发生了新的变化。

2、初始储量的计算

在针对矿体面进行剖析后，会得出多个不同的立方体体元，这些立方体体元完全可以依据既有的样本来进行其品味插值的计算，一般来说，在对初始储量进行计算的过程中，可以采用的方法主要为加权平均法。这一方法主要就是针对单元块中间对于周围有着一定影响的样品品味合理的进行加权平均计算，最终求得相应的品味值。所求得的具体值就是立方体体元，而将这些立方体体元加在一起，就能够得出初始储量具体值。

3、采空区与矿体局部空间布尔运算的矿体模型动态更新

3.1算法流程

首先要构建一个采空区面模型，在这一模型构建完成后，展开与对抗体模型的空间布尔切割计算，通过计算得出新的矿体以及子块体。最后就可以依据子块体本身所含有的体元进行储量的计算，将体元的计算量进行相加，就能够得出具体的开采量值。

3.2三维实体模型空间布尔运算

布尔是英国的数学家，发明的处理二值之间关系的逻辑数学计算法。在图形处理操作中引用了这种逻辑运算方法以使简单的基本图形组合产生新的形体。空间布尔运算通过对两个以上的物体进行并集、差集、交集的运算，从而得到新的物体形态。

3.3矿体模型的空间索引属性

矿体模型建成后，在XYZ三个坐标轴上分别有最大值和最小值，这6个值形成了一个空间包围盒。矿体由若干个块段组成，每个块段同样也有空间包围盒。这样矿体的所有立方体体元就根据各个块段的包围盒建立了空间索引。

3.4采空区面模型的建立

以采空区的上、下两个边界作为约束边界，对顶面与底面的离散点进行带边界约束的TIN构建，形成顶面与底面的三角形面片集。由于采空区的上下边界点数相同，很容易建立三角形面片集。设边界有N个点，则上下两条边界可形成N个空间四边形，每个空间四边形可根据对角线分割成两个三角形，所有这些三角形就组成了采空区的边。

4、基于插入式局部重构的矿体模型动态更新

一般来说，在矿产开发企业对矿产资源进行开发之前，都需要做好相应的勘探工作，通过勘探工作可以对当地的矿产资源信息做到充分的收集和了解，然后依据这些信息就可以总结得出边界灭点的数据资源，通过这一数据资源，就可以有效的实现对矿体的重新架构，从而确保矿体与具体的情况相符合。而在原有的矿体模型中，插入新的边界灭点，其对矿体会产生一部分的影响，却并不严重，而重构的时候，则需要对受到影响的这一部分矿体进行重构即可，这样不仅能够有效的减少相应的重构计算量，同时也能够使得计算的效率得到相应的提升。通常情况下，受到影响的矿体部分主要包括矿体表面以及矿体的内部体元，在重构的时候，也多是针对这两部分进行重构。

在对矿产进行开采的时候，相关的企业需要针对开采出来的矿产进行全面的检验，获取矿体所具有的实际品味或者是含量，在获取到一系列的数据后，依据这些数据就能够更好的进行化验处理，从而会使得矿体实际储量的计算更加的贴合实际情况。而获取的数据通常都为插密数据，这一数据会对矿体储量产生一定的影响，但是影响也仅限于局部，在针对储量进行计算的过程中，也仅仅只需要针对影响区域内的体元的插值进行计算即可。

5、结束语

通过本文的分析可以清楚的了解到，在对矿体局部重构的过程中，需要充分的考虑到矿体内部以及外部两个方面的因素，清楚的认识到新增尖灭点以及矿体内部新增样品的形式，针对受到影响的范围展开体元计算，筛选出实际需要计算的体元，有效的减少了计算量，使得计算的速度明显的加快。在三维地质模型的基础上，有效的实施对金属矿床动态储量的计算，可以精确的总结出矿物的精确含量，对于推动我国矿产企业的发展有着积极的影响意义。

参考文献

[1]王红娟，张杏莉，卢新明.布尔运算算法研究及其在地质体建模中的应用[J].计算机应用研究，2010（10）

[2]王海峰，苏学斌，刘乃忠，邢拥国，武伟，程宗芳.美国地浸铀矿山钻孔成井工艺及井场运行[J].铀矿冶，2010（03）

三维计算全息显示技术研究概况 第3篇

1 计算全息的原理和发展简介

20世纪70年代, 随着计算机制图和全息技术的高速发展, 促使一种很特殊的全息技术——计算全息 (CGH) 的产生。之所以说计算全息是一种很特殊的全息方法, 因为它和之前普通的光学全息有很大的不同, 计算全息的输入图片不是实景图片, 而是应用计算机软件和数学建模绘制出来的所需要的虚拟的图像场景图片, 然后把这种图片做全息编码后输入到空间光调制器显示屏, 用干涉光对其照明重现。由于全息图是根据计算机软件任意绘制的, 所以从理论上讲可以随心所欲地得到需要的全息图, 增强了制作全息图的灵活性。最开始提出计算全息的是柯兹玛和凯里 (A.Kozma and DL.Kelly) , 他们在研究复数空间滤波器时应用数字计算机综合制作了全息图【1】。后来罗曼 (A.W.Lohman) 引入抽样定理, 保证了用离散数学公式描述的复振幅的完整性, 并提出迂回相位效应, 证明了编码绘制图的正确性。1967年巴里斯 (D.P.Paris) 把快速傅里叶变换算法应用到快速傅里叶变换计算全息图中, 并且与罗曼一起完成了几个用光学方法很难实现的空间滤波, 让计算全息得到了长足发展。1969年赖塞姆等人又提出相息图, 1974李威汉提出计算全息干涉图的制作技术。计算全息的最常见的应用范围有:二维和三维物体像的显示、在光学信息处理中用计算全息制作各种空间滤波器、产生特定波面、全息干涉计量、激光扫描器和数据存贮等。

2 计算全息制作方法简介

计算全息制作主要包括以下三个步骤:场景的绘制、抽样、编码、计算和再现。傅里叶变换是一种经典的数学变换, 在光学中, 光经过傅里叶透镜的结果就相当于做一次傅里叶变换, 因此采用菲涅耳快速傅里叶变换的方式制作全息图是最常见的方法。

2.1 抽样并计算输入光波

计算全息的物体不是实际物体, 可以是电脑绘制的虚拟场景或者图像信息。常使用Matlab编程绘制简单图形进行数值计算, 对物光取样时, 需满足Whittaker-Shannon采样定律。绘制“128×128”像素大小的字母“F”, 设定好“128×128”大小的零矩阵O, 用Imread () 函数读入到零矩阵O中。

由于需要做离散快速傅里叶变换, 处理结果动态变化范围较大, 会影响最终的全息图效果。因此需要对读入的光波信息附加一个随机相位, 即用值在0到1之间与O数组等大的随机函数矩阵r=rand (J, K) 乘以光波函数, 结果为:O (m, n) =Amnexp (j 2πr) , 此步骤相当于在做光学全息拍照时加上一块毛玻璃, 使物光均匀散射照在干板底片上。

在使用离散傅里叶变换 (DFT) 时, 在x, y方向上会发生J/2, K/2的相移, 需采用fftshift () 相移函数将低频部分调整到中心。

2.2 编码

输入的光波函数是复函数, 设Omn=Pmn+Qmni, 则其幅值和相位分别为:

编码是将物光的复函数变为非负实数在物理介质中记录下来。常见的编码方式有两种:博奇型编码法和罗曼Ⅲ型编码法。

2.2.1 博奇型编码法【2】

博奇型编码是利用物光和参考光干涉叠加编码振幅和相位, 用抽样单元上灰度变化来表示非负实数完成编码。设物光为:O (m, n) =Amnexpjϕ (m, n) , 干涉光表达式为:R (m, n) =Rexp (j2πβm) 。设记录底片透射率是线性相关的, 则相干叠加后:

式中, 第一, 二项是零级干涉项, 是直透光部分, 第三项是干涉调制项, 记录了干涉条纹。可以去掉零级信息, 改造函数为:

对上式用Matlab计算, 通过空间光调制器调制输出全息编码图。

2.2.2 罗曼Ⅲ型编码法【3】

罗曼编码也称为迂回相位编码, 下面以二元计算中最广泛的编码方式罗曼Ⅲ型编码为例作简单介绍。

如图1所示, 在抽样单元内设定一个矩孔作为透光孔。孔的高度与归一化振幅成正比, 比例系数为δy, 设高为Lmn, 光波振幅为Amn, Pmn为抽样中心到孔中心的间距, 与归一化后的相位成正比, 比例系数为δx, 则有:

2.3 再现

再现方式包括光学再现和计算机仿真再现。以博奇型编码方式获得全息图后, 对其用fftshift (fft2 () ) 函数实现傅里叶逆变换, 模拟再现全息图像。图2为输入图像, 图3为利用博奇编码后得到的全息图, 图4为模拟再现图【4】。

计算全息图也可以利用光学的方法再现。图6是计算全息光学再现的一种光路图, 细激光束经过扩束准直起偏后, 入射到空间光调制器显示全息图像, 在空间光调制器后置一偏振片, 调制后的光束通过偏振片再进入傅里叶透镜进行逆傅里叶变换, 用CCD接受再现光学图像。由于用到CCD接收光信息, 此种方法也可以叫做数字全息, 其实在实际中计算全息和数字全息技术总是交叉相关联地使用。图5为采用罗曼Ⅲ型编码光学再现全息图【5】。

3 计算全息在三维显示方面研究现状

计算全息三维立体显示在军事地图演示, 广告展览等方面蕴含着巨大的发展潜力。但是由于现有技术和条件的限制, 在合成大场景大视角的计算全息方面还存在诸多的技术瓶颈, 下面就计算全息在三维立体显示方面的研究现状和需要解决的问题作一个简述。

3.1 理论模型和算法

理论模型和算法一直是研究计算全息技术的重点与难点, 国内外很多研究人员都做了这方面的工作。Haist等【6】基于二维Gerchberg-Sax-on算法, 提出三维Gerchberg-Saxton算法, 通过在全息图中引入发散球面波因子, 优化迭代生成能再现空间三维光场的傅里叶计算全息图。Courtial等利用这种方法, 在7 mm×7 mm×100 cm的空间内再现出层间距大于30 cm的“1”、“2”、“3”等数字【7】, 但由于没有使用大数值孔径的透镜会聚, 再现像的尺寸和层间距相当大, 所用的SLM较低的填充率和分辨率也造成再现时散斑较多和图像均匀性欠佳。Shimobaba等【8】利用反射型LCD作为空间光调制器, 红、绿、蓝三种颜色的LED作为参考光源照射LCD, 投影出真三维彩色图像, 在此基础上, 又采用红、绿脉冲激光器以及时分复用的方法重构出了三维彩色像【9】。Makow ski等【10】则利用一种基于GS算法的多平面迭代菲涅尔卷积算法, 生成多平面的位相型计算全息图。但卷积算法决定了三维再现的每一截面的分辨率与SLM的像素大小相同, 受限于目前普遍较大的SLM像素尺寸, 局域性也逊于菲涅尔透镜法【11】。Yamaji等【12】用电子束光刻和反应离子刻蚀的方法在玻璃上制作二元位相全息图, 获得8层16个点组成的分散双螺旋结构。但采用了计算效率较低的直接搜索算法;每个截面只包含数量极少的点, 也难以形成连续变化的复杂结构。我们小组提出的一步全息光刻法【13】, 结合位相控制技术【14】, 可以快速、方便地曝光感光材料以制备带缺陷的一维、二维和三维光子晶体。葛宝7) 等【15】以博奇编码法制作三维物体的离轴菲涅尔全息图, 并通过计算机进行数字再现, 得到层间距为5 cm较清晰的再现像。另一类方法是, 记录三维物体在非相干光照明下两个正交方向上不同视角的一系列投影像, 用这些投影像的频谱信息合成三维物体的波前【16-18】, 或将组成三维物体的各点的菲涅尔波带叠加【19-20】, 获得三维物体的全息图, 这类方法适于记录和再现物体表面形貌, 但无法表现被遮挡的结构。

3.2 透镜和记录材料对大幅面计算全息的影响

自从90年代起, 美国MIT media实验室致力于大角度, 大视场数字合成全息图的研究, 并为能克服大视场而引起的图像变形问题提出了新的方法, Michael等人运用一种数字图象变换技术, 在拍摄全息图之前对二维图象进行处理, 以校正由观察视场较大引起的图象畸变。该实验室制作了首幅大视角全息图, 一幅lm×lm的有雪佛来汽车标志的车轮【21】。同时还制作出其他一系列高质量, 高象素, 无畸变的数字合成全息图, 这些标志着运用图象变换技术在实验室研究阶段取得了成功。后来美国Zebra公司制作出了全世界最大的全息图, 它是一幅光聚合物干板的, 16英尺×4英尺, 真彩色, 全视差, 大视角数字合成全息图【21】。该全息图拍摄了一辆福特公司的概念车, 全部图象由计算机生成, 每一微元 (hoge1) 为2mm×2mm, 上万个hogel共同显示了一个2英尺×2英尺的“小板” (tile) , 由多个tile显示整个图象的各个部分, 最终构成一个大幅合成全息图。在合成大幅面动态计算全息图时, 往往采用狭缝来分割场景, 以获得水平视差图合成动态立体图像。但是相邻狭缝会在相邻亮条纹之间形成重叠暗纹, 并且狭缝太细, 没有足够光透过, 最终影响成像暗淡。后来人们使用平行柱状透镜组来实现场景的分割, 虽然解决了图像暗淡的问题, 但是由于柱状透镜的像差和像散问题, 使得在图像拼接时不能恢复原图。因此改善光路系统, 寻找更高分辨率和大尺度记录材料方面对大幅面计算全息的制作是十分必要的。

3.3 三维物体光波场的获取

限制计算全息不能实用化的关键因素, 就是如何有效地获取三维物体的光波复振幅光场。主要报道有利用普通体视照相机获得多视角平面图, 然后进行适当的数字处理融合出三维信息, 但是这种技术计算十分繁琐和费时。还有采用三维数字扫描仪获得三维物体数字化空间分布, 然后根据光的传播原理模拟物光的分布, 建立三维物体的光场分布, 并且根据消隐原理, 采用全息分区消隐方法, 减少计算量。这种方法能够有效快捷地获得物体的三维光场信息, 但是限于较为简单的三维物体。如何能快速有效地获得复杂物体的三维光场信息, 需要提出新的获取方法。

3.4 获取大视场全息方法

目前获得大视场全息方法有两种:一是预成像法, 二是图像拼接法。预成像法是指先将较大的三维物体用透镜成像后, 在用CCD接收干涉图样。虽然这种方法可以有效地扩大视角, 但是需要平行光对三维物体照明, 而当物体很大时, 就不容易实现。况且由于CCD像素限制, 扩大了视场, 降低了分辨率, 影响成像质量。拼接法是将三维物体移动, 分各个小部分采集全息图, 然后将各个小全息图拼接起来, 以扩大视场。这样就可以克服CCD接受面小的缺点, 但是增加了图像信息, 从而增加了计算量。采用图像拼接法还受限于空间光调制器尺寸和分辨率的影响。因此大尺寸高分辨率SLM的制作对计算全息来说也是个迫切需要解决的问题。

4 小结

总之, 计算全息技术正在逐渐发展之中, 很多研究人员在相关方向上都取得了突破性的进展。但是仍然在算法方面, 在获得大场景大视角计算全息图方面还存在一些技术或者客观条件限制问题, 期待我们进一步研究解决。

摘要：文章简单介绍了计算全息的原理、发展概况和计算全息的制作方法, 分析总结了目前计算全息在三维显示方面所面临的技术瓶颈问题。

三维工艺玻璃技术 第4篇

玻璃本是一种平凡之至的材料，随着新技术和新设计的应用，玻璃以其独有的晶莹剔透和易塑性承载起无穷的想象力，被人称为“光与影的魔法师”。

近年来随着我国经济改革的不断深化，人们的生活水平得到显著提高，对生活的质量有着更深的理解和更高的要求，随着装饰装潢的推陈出新，三维工艺立体玻璃作为一项高档工艺玻璃成为时尚装潢的新宠，她独特的三维立体效果，梦幻般的绚动色彩，以及独有的金属质感和自然流畅的线条，多变的视觉效果，深受设计人员的欢迎和装饰装潢热选。

项目特色：

稳定的收益：立体幻影玻璃市场定价高昂，市场回报丰厚；投资可大可小，成本低廉。

外观特点：前卫的设计、多变的光感、灵异的图形、深邃的彩幻、时尚的色调、全新的视觉。

市场前景：

巨大的应用市场：玻璃洁具、玻璃灶面、玻雕工艺品、玻璃移门、屏风背景、台面、卫浴洗手盆、马赛克及其它玻璃制品的表面装饰上；酒店、宾馆、茶楼、办公、娱乐、居家等场所；家居装饰的门窗、隔断、玄关、墙壁、地面、天花、浴室、家具等。

其为人们的室内环境创造了色泽斑斓的装饰效果，已经成为高档、时尚的装饰材料，在全国各地装饰装修市场得到广泛追捧。3D立体魔幻玻璃每平米成本55-65元，市场售价200-300元。

3D立体魔幻玻璃联合生产销售方案（标准型）提供全套办厂手续、专用设备、系列技术，收费19800元，为县级市代理。提供全套技术，为生产单位培训1-2名员工，实施傻瓜式教学，通俗易懂，包教包会。

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计算机三维技术 第5篇

随着计算机硬件技术的发展和计算机三维图形软件开发的成熟,利用数字化手段,实现对现实场景拟真的虚拟技术和计算机三维动画技术在近年来成为计算机应用领域的热点,在游戏的开发、电视动画制作、广告传媒、电影特技制作及教育教学、科研工业生产、工程制造、建筑工程设计等行业得到广泛的运用并具有广阔的前景。

特别是在现代工程技术领域,现代工程设计借助数字虚拟技术,不仅能如虎添翼摆脱繁重的重复劳动,而且能更深入的完善设计方案,构成设计的重要组成部分。数字化虚拟技术能融合现代信息技术与视觉审美艺术于一体,在现代工程设计领域里可实现空间的平面、立面、三维模型以及场景动态漫游的全息立体表现,完美而鲜活的展示现代工程设计艺术。

1 现代计算机图形技术简介

三维计算机图形技术主要包括两大类,即三维动画技术和三维虚拟技术。

计算机三维动画是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一新兴技术。三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界,设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景,再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其他动画参数,最后按要求为模型赋上特定的材质,并打上灯光。当这一切完成后就可以让计算机自动运算,生成最后的画面。

所谓动画也就是一幅图像“活”起来的过程。使用动画可以清楚的表现出一个事件的“过程”,传统的影视动画是一门通过在连续多格的胶片上拍摄一系列单个画面,从而产生动态视觉的技术和艺术,这种视觉是通过将胶片以一定的速率放映体现出来的。动画和电影的画面刷新率为24帧/s,即每秒放映24幅画面,则人眼看到的是连续的画面效果。计算机动画是指采用图形与图像的处理技术,借助于编程或动画制作软件生成一系列的景物画面,其中当前帧是前一帧的部分修改。也可以说计算机动画是采用连续播放静止图像的方法产生物体运动的效果。

三维(或3D,是three-dimensional的缩写),就是三维图形。在计算机里显示3D图形,就是说在平面里显示三维图形。不像现实世界里,真实的三维空间,有真实的距离空间。计算机里只是看起来很像真实世界,因此在计算机显示的3D图形,就是让人眼看上就像真的一样。人眼有一个特性就是近大远小,就会形成立体感。计算机屏幕是平面二维的,我们之所以能欣赏到真如实物般的三维图像,是因为显示在计算机屏幕上时色彩灰度的不同而使人眼产生视觉上的错觉,而将二维的计算机屏幕感知为三维图像。计算机三维动画区别二维动画在于画中的景物有正面、侧面和反面,调整三维空间的视点,能够看到不同的内容。

计算机三维动画的关键技术体现在计算机动画制作软件及硬件上。计算机动画制作软件目前很多,不同的动画效果,取决于不同的计算机动画软、硬件的功能。虽然制作的复杂程度不同,但动画的基本原理是一致的。

目前国内外流行的三维动画软件有法国TDI,加拿大Alias,美国Wavefront(NURBS),3DSMAX2.5,TrueSpace,Lightscape,Lightwave3D,MAYA等等。硬件方面,因为计算机动画制作在追求逼真“效果”的同时常常伴有“天”量的计算,所以除了CPU、内存有很高的要求外,最关键是专业级的显卡。

计算机三维动画的制作过程是一个人脑与电脑的分工协作、有机配合、充满创意的工作过程。计算机三维动画是根据数据在计算机内部生成的,而不是简单的外部输入。首先要创建物体模型,然后让这些物体在空间动起来,如移动、旋转、变形、变色。再通过打灯光等生成栩栩如生的画面。

三维虚拟仿真技术也称为虚拟现实技术(virtual reality),是20世纪90年代以来为科学界和工程界所关注的技术,能为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。其特点就在于计算机能通过图形构成三度空间,或者把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感受。具体来看,虚拟技术是多媒体技术发展的更高境界,它具有Intensive(高密度性),Interactive(交互性),Immersion(融入性),Illustrative(清晰性),Intuitive(直观性)的特性,其中实时性与交互性是虚拟技术区别与动画技术的主要特征,也是它能运用于现代工程设计的重要优点,更是其吸引设计师的主要原因。

三维虚拟仿真技术生成的可视化产品实质上是数字产品,它具有真实产品所具有的特征,但它也拥有传统方法不可比及的优势,能节省传统方法制造物理模型所需要的时间和物质。由于采用虚拟技术,其应用于现代工程设计中能大大节约设计师的重复劳动时间,降低设计成本,提高设计的原创性。

基于虚拟技术的数字产品其建立方法关键在于场景模型的生成方法,这也是主要的技术环节。

具体的环节是:获得数据※标度摄像头※分离对象※建立模型※嵌入颜色※交互回放。

在制作完成的现代工程虚拟环境中,可以形成更直观更生动的动态画面,使用户获得非常真实的视觉效果和身临其境的感受。

2 三维动画技术和三维虚拟技术在现代工程设计中的运用

三维动画技术在现代工程设计中的运用主要在设计方案的表达上,工程动画技术所带给客户前所未有的直观的表达方式,将各种专业性很强的技术措施形象化、通俗化。又因为动画可以进行连续动态的演示,可以完整的表现工程技术中有关进度、过程、步骤等各种关乎时间要素。某工程安装过程见图1。

三维虚拟技术在现代工程设计中的运用主要在工程设计过程中。工程技术人员通过相关软件在计算机上搭建虚拟模型,通过人机共享的界面进行实时的交互的“交谈”,进而完善和改进技术方案。这种实时的三维虚拟显示可以说代替了传统设计中的草图,更快捷、更形象的将技术人员大脑中的“构想”显现。从而在设计过程中形成人机互动的技术方案创作机制。

3 前景与展望

三维动画技术和三维虚拟技术在现代工程设计中的运用为工程师和用户之间搭建起“真实”的沟通桥梁,不仅工程师可以在任意时间对设计中的问题进行调整,而且也能为用户提供一个现代工程拟真的场景,能使用户获得对空间尺度、照明、色彩等变化的身临其境的真切感受。数字虚拟技术的强大功能使现代工程设计超越了传统的设计表现模式,以更迅捷、科学、实时的姿态丰富现代工程艺术,使设计朝着更为人性化、个性化的方向发展。尽管三维动画技术和三维虚拟技术发展时间较短,在现代工程设计的虚拟场景制作上还存在许多问题,但只要工程师不囿于传统的设计表现方法,能大胆的应用虚拟技术于现代工程设计中,必将使现代工程设计进入到一个更高的设计境界。

参考文献

计算机三维技术 第6篇

机械制图的最重要的研究内容是如何将空间三维立体用二维的平面图形表达出来;这一转换的过程是空间三维立体的尺寸和位置在不断变化的过程,在客观世界里是无法模拟的,人们无法观察到这一转换的过程,这就使这个转换过程变得特别抽象。但并不意味着在虚拟世界里就无法实现,随着计算机技术的发展,这一转换的过程可以在计算机上得以实现,利用3Dmax软件的压缩功能可以将三维空间立体直接压缩成二维的平面图形,从而实现这一转换的过程,使这个抽象的转换过程变得特别具体,并具有可视性。机械制图的另一个最重要的研究内容是如何通过阅读二维的平面图形将空间三维立体想象出来,这一过程同样是一个十分抽象的过程,是一个十分复杂的思维过程,同样在客观世界里也是无法模拟的,人们也无法观察到这一转换的过程。同样利用3Dmax软件的拉伸功能可以将二维的平面图形拉伸成三维空间立体,从而实现这一转换的过程。这样利用计算机技术就可以实现三维立体和二维图形之间的相互转换。

1. 空间立体转换为平面图形

视图是基于压缩坐标的原理而形成的。例如俯视图是压缩立体的Z坐标形成的,即保持立体的长度和宽度不变,而立体的高度不断变小直至为零时则形成俯视图。图1是一个平行面立体被压缩成俯视图的过程。

1.1 在立体上附着线架

在压缩前要先造型,用3dmax或其它软件所得到的造型是一个位图,它是由无数像素构成的,在立体造型上根本没有棱线,对这样的造型的某一坐标进行压缩时,最初由于有阴影的存在其压缩过程尚可观察得十分清楚,但当压缩到最后时,由于阴影的逐渐消失,这个变化的过程将会变得越来越模糊不清,到最后坐标压缩成零时由于无数像素叠加在一起,视图将变成一片漆黑(简称露黑,见图2(a))。要解决这个问题,应在造型后用直线命令绘出立体上的所有棱线(最好用黑色图线,图线的渲染粗度为0.2,这些棱线称为线架),再用成组命令将造型和线架组成组,并命名为立体,再对立体进行压缩,此时线架和造型同时被压缩,造型被压缩在投影面上并具有一定的颜色,线架压缩后就形成视图。图1就是先造型再附以线架,最后压缩成的俯视图。

1.2 视图位置的调整

一般视图都是用图线来表示的,图线实际上是立体上的棱线的投影,图线将视图分为若干区域,这些区域是立体上无数点的投影集合。准确地说当立体的某一坐标被压缩成零时,这些投影区域是有颜色的,而我们画图时视图是不着色的,要想压缩后的视图不显示颜色,解决的方法是调整视图的位置。视图和投影面就不能处在同一位置上。例如作俯视图,其具体的操作方法是:造型完成后用层次面板将立体的轴心移到立体的最下面,压缩前将轴心点(连同立体)移到投影面的下方(注意不能移得太多,一般在投影面下0.01-0.02左右)再压缩,表面上看起来视图好像在投影面上,实际上视图在投影面下方,这样一来就不会显示颜色了。但同时线架被压缩后也在投影面下方,无法显示视图,解决的方法是:预先作一俯视图埋伏在投影面的下方,待Z坐标压缩为零时,同步用移动命令将预先作好的俯视图移至投影面上,这样观察到的压缩过程非常平稳(图2(d)就是预先作好的俯视图移至投影面上得到的俯视图)。也有人将预先作好的俯视图的坐标均缩为零,待形成俯视图时,再将预先作好的俯视图的坐标均放大为百分之百,显然也能显示俯视图,但给人以跳动的感觉,不太自然。

2. 平面图形转换为空间立体

将平面图形转换为空间立体是空间立体转换为平面图形的反过程,即恢复坐标(拉伸视图)可构成空间立体。空间立体可以一次性地压缩成视图。但视图不能一次性的拉伸成立体,这样将无法观察到立体各部分的形成过程。这不是计算机技术问题,而是构形的原理。将视图拉伸成立体,需根据视图的不同。分成几部分拉伸成不同的多棱柱,诸多棱柱按相对位置构成立体。图3是将视图分为三块拉成的立体。

2.1 预先设置好视图和各部分被拉伸的立体

图3是一个立体的俯视图,轮廓线框内的图线将该视图分成三部分(左边部分为六边形(是个实线六边形)、中间部分为六边形(五条实线边和一条虚线边)、右部分为四边形(一条虚线边和三条实线边)),根据俯视图的长度和宽度以及主视图(或左视图)的高度,用造型方法分别造出六棱柱、六棱柱和四棱柱。将三个棱柱调整到相应位置(三个棱柱的底面应与投影面重合),并将其高度均压缩为零。这时俯视图将露黑,为了解决露黑问题,如同前述作法一样,将三个棱柱的轴心点均移至棱柱底面,并将各棱柱底面置于投影面的下方(其Z坐标最好为-0.01)这样就可以解决露黑问题。然后用缩放命令分别拉伸三个高度被压缩成零的棱柱,使其高度恢复到百分之百,这样就形成了立体,见图3。图3(a)是拉伸前的俯视图;图3(b)是拉伸的四棱柱,由于四棱柱的底面与两个六棱柱的底面位置不同,因此拉伸后需移至相应位置,或先移至相应位置再行拉伸;图3(c)是拉伸中间的六棱柱;图3(d)是拉伸左边的六棱柱,最后形成的立体。

2.2 如何显示本色

立体在某一个方向的尺寸由百分之百被压缩成零时,就会出现露黑而不能显示本来的颜色。要显示原色解决的方法是:这个方向的尺寸不要完全压缩成零,比如由百分之百压缩到百分之零点零一,还留有一定的尺度,感觉上立体好像也被压缩成平面一样,并保持原有的颜色,见图2(b)。而图2(c)是不显示颜色的俯视图。有些操作者喜欢保留视图的颜色,除了不要露黑以外,视图的位置也需要调整。立体被压缩后生成的图形如果与投影面重合,由于投影面自身有颜色,两者将相互渗透,形成污染特别难看,为此可将视图向可见方向作少许调整。例如水平投影面的Z坐标为零,则俯视图的Z坐标定为0.01或0.0 2,就可以避免污染。

总之不断地实践和不断地探索,才能制作出精美的作品。

摘要：根据压缩坐标形成视图和恢复坐标构成立体的原理[1],利用3Dmax软件的缩放功能可实现三维的空间立体和二维的平面图形之间的相互转换。本文介绍了在计算机应用过程中的一些转换的技巧,通过技巧的使用,可以使转换达到预期目的。

关键词：压缩,拉伸,立体,视图,线架

参考文献

计算机三维技术 第7篇

1 三维放样技术概述

在铁塔生产中, 最早的铁塔放样方法是1:1放样, 依照设计图纸的比例, 测量实际数据绘制加工零件图, 全部完成至少需要20天的时间, 不仅难以保证准确度, 还花费大量时间, 制约企业的发展。

计算机辅助三维放样技术就是利用Windows模式的三维放样, 在处理中是基于三维空间, 目前国内比较有代表性放样软件如TMA、Tw Solid等。当前我国国内三维放样的应用已经有很多, 三维放样能够处理三维坐标, 能够准确显示构件的三维实体图, 在参数的设计中方便改错。在传统的放样技术中, 都是将实际的铁塔划分为好几个工作平面, 然后在水平面上进行处理。在这个放样过程中, 存在很多的影响因素, 有很多的操作需要简化处理, 导致计算和设计的结果存在差异。三维放样技术能够避免传统放样的理论缺陷, 最大程度模拟现实中的铁塔组装。三维放样技术能够实现参数化创建, 减少放样出现的误差, 减少对人工经验的依赖程度, 减少误差, 能够准确处理传统放样技术无法处理的一些特殊结构。近几年三维放样技术得到了广泛的使用, 但是三维放样技术也存在一定的缺陷。三维放样技术建立在数学模型中, 因此实际的加工与建模会会存在较大的误差, 当前的三维放样的三维模型本身与蓝图建模模型还不同, 因此存在较大误差, 这些还需要改进。

2 AUTOCAD程序计算机辅助设计三维放样技术的应用

计算机辅助设计三维放样技术在开始的应用中软件很少, 基本都是根据需要有针对性的开发, 将计算机方法以及数学模型转移到计算机中, 虽然在计算中速度得到了很大的提高, 但是并没有降低计算步骤以及复杂程度, 而且由于各个步骤之间分步计算, 缺乏整体性, 存在误差。随着计算机技术的不断发展, AUTOCAD的使用逐渐开发出相关的辅助软件, AUTOCAD程序计算机辅助设计三维放样技术的出现极大地提高了放样工序的准确性、工作效率。

此设计的软件功能强大, 在计算中整体性好, 操作简单, 参数方便修改, 误差小, 充分满足了现阶段三维放样技术的需求。AUTOCAD程序软件解决问题的出发点是基于三维空间, 在计算中, 只需要输入整个铁塔的控制参数, 软件经过处理这些数据后就会形成一个三维的铁塔模型, 在计算中既保证了各阶段主材芯线的统一, 也充分考虑了空间的碰撞问题, 在计算连接两段跨段斜材尺寸的包钢以及垫板尺寸中, 能够充分考虑到所有的问题, 避免了相互之间的干扰。

在分段处理中的应用。软件设计依照设计图纸的要求, 将铁塔主体分为若干部分, 方便运输。将分段部分形成相应的数据库, 依照设计图纸的需求输入相应的螺孔以及各个材料的规格, 形成角钢。在屏幕中能够看到铁塔的立体形状, 利用计算机软件试组装铁塔, 大约能够节省传统放样10天的工作时间, 降低成本。

在确定角钢无误后, 通过角钢的参数能够自动生成联板, 在传统的计算中, 联板无法通过手工计算, 需要采取1:1的实样来决定, 三维放样技术很好的解决这这个问题, 在加工中仅需要按照1:1比例打印出来即可。AUTOCAD程序计算机辅助设计三维放样技术自应用以来, 经过大量工程的实践, 具有很大的应用价值, 工作效率提高了1倍, 工序时间也大大的节省, 产品竞争力很强。但是软件计算机辅助系统同样具有缺陷, 这个软件程序只能给出加工的清单, 加工工序卡无法生成, 为更好的应用三维放样软件, 需要建立管理数据库, 为典型设计重复加工的铁塔提供相关的资料储备。

3 发展趋势

从目前三维放样软件程序的应用来进行分析, 三维放样软件程序的应用还需要进一步的发展, 当前使用的软件程序需要花费大量的人机交互工作量, 要求技术人员具有实践工作经验和计算机知识, 因此程序还需要进一步的完善。在数据管理软件方面还不能做好顺利接口, 三维放样软件程序的发展还有很大的空间。在程序软件的发展中, 比较理想的状态是在同一软件中实现设计计算到加工零件图, 并将数据管理融入其中, 进一步的提高工作效率和工作精确度, 减少放样专业技术人员的工作量和工作难度。软件程序的应用范围还需要进一步的扩大, 应用到铁塔生产中的每一道工序中, 如生产线以及材料的加工等, 提高产品质量。为保证三维放样软件程序得到进一步的发展, 电力企业需要建立局域网络, 从生产计划到放样、生产车间加工、包装发运等过程, 形成新的软件程序, 实现自动化生产。在计算机软件应用的过程中, 从系统的角度分析, 引进计算机人才, 开发出更加具有应用价值的软件程序。

4 结语

综上所述, 本文主要分析AUTOCAD程序计算机辅助设计三维放样技术在铁塔生产中的应用。输电铁塔是应用比较广泛的钢结构, 在未来的发展中计算机辅助三维放样技术还会得到更加广泛的应用, 依照国外三维放样技术的发展, 三维技术会形成一个集设计、加工以及转换为一体的技术系统, 这些还需要人们努力去研究。

摘要：在铁塔生产种放样是关键的技术之一, 传统放样技术依靠手工计算完成, 受到二维设计系统的限制, 准确性难以保证, 三维放样能够在三维空间中非铁塔建模, 设计方面, 目前受到越来越多的关注, 本文主要分析铁塔生产中AUTOCAD程序计算机辅助设计三维放样技术的应用。

关键词：铁塔生产,放样,CAD,计算机辅助系统

参考文献

[1]林榕.计算机辅助设计三维放样技术在铁塔生产中的应用[J].广西电业, 2012, 05:75-77.

[2]任广, 毛多文.三维放样在国内输电铁塔生产中的应用前景展望[J].硅谷, 2010, 20:34.

计算机三维技术 第8篇

通过研究大学文理科学生通识教育的课程设置, 能为我们提供许多宝贵的借鉴, 大学教育需要逐步实现科学精神与人文精神的融合。本文论述以虚拟仿真技术的应用, 探讨仿真技术在交互性视景三维动画制作中的作者体现, 以完善学生知识与智能结构而构建课程内容, 根据学生的志趣和特长研究授课方式, 并在课程考核方面, 体现学生的团队协作精神, 分小组完成作业, 小组成员进行不同工作的分工协作, 共同完成虚拟仿真作品。

1 虚拟仿真技术

通识教育实际上是素质教育最有效的实现方式。在通识教育中, 贯彻“博学与精专相统一的个性化素质教育”, 在课程设置中充分体现这一原则。另一方面, 该课程对选修的学生不设任何限制, 无论是什么专业, 无论有无相关的知识基础, 只要对虚拟现实技术感兴趣都可以选修。

1.1 学习仿真技术的基础要求

(1) 学习计算机图形学与虚拟现实的基本理论与技术, 了解计算机图形图像的生成、显示、处理、变换、动画、影视等的基本方法和技能。

(2) 学习虚拟现实的基础知识, 虚拟现实系统的构成原理, 互动性视景三维动画制作工具软件, 掌握虚拟现实系统和虚拟现实环境的设计和实现的基本方法和技能。

(3) 采用实例进行讲解, 使学生能在较短的时间内对虚拟现实应用有所了解, 并学会制作视景动画作品。

(4) 培养学生具有理论分析和解决实际问题的能力, 具有面向高科技的研究能力和基本的面向工业的设计生产能力。

1.2 虚拟仿真技术的掌握基本

在课程内容设置上, 考虑了学生的接受能力, 并能充分学习和了解虚拟现实技术的魅力, 调动学生的学习兴趣, 提高学生的动手能力。课程内容如表1所示

(1) 计算机图形学。介绍计算机用户接口等方面的概况, 了解图形用户界面和互动输入方法, 掌握三维浏览的浏览线程, 浏览坐标系, 投影, 实体浏览, 广义投影变换, 剪切, 硬件实现等基本知识。

(2) 虚拟现实技术概论。学习人机交互, 虚拟现实的类型与应用, 国内外研究现状等方面的概况。

(3) 实现虚拟现实系统的三维交互设备。

学习三维跟踪传感交互设备, 立体显示设备, 手数字化设备, 声音系统, 硬件系统集成等理论与技术。

(4) 实现虚拟现实系统的相关技术与软件。学习实事显示处理, 三维虚拟声音显示, 触摸和力量反馈, 虚拟环境中的自然交互, 三维建模等技术和软件工具。

(5) 虚拟现实的建模软件。了解Creator的基础和几何模型的创建理论;掌握二维图形建立和三维模型造型技巧;掌握材质与贴图, 灯光与环境的方法;掌握三维动画制作等功能, 方法与技巧。

(6) 虚拟现实建模语言VRML (Virtual Reality Modeling Language VRML) 。介绍语言概述, 编辑器和浏览器, 虚拟世界设计, 综合编程实例, Creator与VRML等。

(7) 虚拟现实开发工具EON Reality。学习开发平台, 浏览器, 世界编辑器和材质库。了解虚拟世界中的对象, 虚拟世界建造及www中的应用三维虚拟世界等。

(8) 交互式虚拟现实设计实例。通过实例学习交互性视景三维动画制作技巧, 主动了解当代科技的发展趋势, 从而提高学生的创新能力和实践能力, 善于探索未知领域, 具有组织管理能力, 具有合作精神。

2 虚拟仿真技术实践

VRML是一项和多媒通讯、因特网、虚拟现实等领域密切相关的新技术, 是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言, 它的主要特片有三维性、交互性、动态性和实时性。本文以VRML虚拟现实建模语言授课为例, 为充分发挥同学们的创造性, 在课堂授课中以实例为导向讲解节点的使用方法。

VRML节点集包括基本几何节点、复杂群节点、VRML场景效果节点、动画节点及动态感知节点等, 本例为一乒乓球台, 并实现双方打乒乓球的交互过程, 使用以下几个相关节点:

Shape节点, 定义乒乓球台、乒乓球和文字。

Position Interpolator内插器节点, 定义乒乓球的运动规律, 所有的内插器节点都需要与和时间传感器Time Sensor相配合使用, 把给定的时间规一化。Touch Sensor触摸传感器则可用来让程序接收鼠标点击与触摸传感器同在一个局部坐标系的物体时点击动作, 并将点击的时间等内容通过路由语句ROUTE传给其他节点或程序, 进而进行相应的操作, 本例点击乒乓球, 乒乓球开始设定的运动, 如图1所示。根据本实例的节点使用方法, 同学发挥自已的创造力, 设计相类似的球场运动, 如图2所示学生设计的篮球球场。

3 三维动画作品展示

应用虚拟现实建模软件Multigen Creator创建建筑模型, 学生题材的选取、素材的采集、模型比例设置、建模、贴图都凝聚的每组成员的力量, 在整个项目的进展过程中, 同学们体验到了美学的熏陶, 计算机软件的魅力, 团队合作的乐趣。如图3所示, 是学生们在学习虚拟仿真技术之后, 应用于三维动画制作的三维建筑模型的作品展示。

4 结束语

通识教育选修课对拓宽学生知识面、培养能力、提高素质起着十分重要的作用。培养完整的人、通达有识见之人, 从而增强学生学习主动性全面提高素质。通过视景三维动画的制作, 学生们有了全新的体验, 开拓通达的知识取径, 陶冶美感和情操, 拥有多元文化的思维, 培养沟通与领导统御能力。

摘要：虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术, 就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术。由于计算机技术的发展, 仿真技术逐步自成体系, 成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法, 而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。本文对计算机虚拟仿真技术进行探讨, 研究了在交互性视景三维动画制作中的应用。

关键词：计算机虚拟仿真技术,虚拟现实,动画制作

参考文献

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[9]陈小红.通识教育模式探讨[J].复旦教育论坛, 2010, 8 (5) :40-44.

三维全息技术现状及教育展望 第9篇

关键词：三维全息；现状；教育潜力；挑战

中图分类号：TN24

现代科技的进步已经证明，学习不仅是对传递知识的简单反应，而是一个“积极的，建构的、认知的以及社会化的过程，学习者策略性的运用物理的、认知的和社会性的资源，创造新的知识”[1]。这种资源的一个明显的例子就是互联网，其摆脱了空间和经济的限制，为用户提供海量的即时访问信息。互联网已经改变人际交往的方式并继续影响我们的生活。与互联网相比，三维全息技术仍处于起步阶段，但其可能是改变我们产生和分享知识的另一种资源。最近几年，这项技术产生了令人振奋的新发展，本文力图阐述三维全息技术的国际发展动向并探讨其教育应用潜力。下文将介绍近年来一些三维全息技术的重要进展。

1 三维全息技术国内外发展现状

1.1 娱乐。除了三维动画影片的火爆以外，娱乐业似乎对三维全息技术也是及其推崇，2011年，美国歌星玛丽亚凯莉通过全息图像在五大洲五个不同的舞台上同时献唱。2014年，上海东方春晚节目组“复活”了著名相声表演艺术家马三立先生，利用先进的全息投影技术，马三立先生真人般大小、形象和声音的立体影像为我们献上精彩表演。当然，这两个表演都是二维投影产生的三维效果（节目是通过高清晰度摄像机拍摄或三维电脑动画软件制作，然后把同一画面素材分层投射到两块相互间隔一定距离的透明纳米屏幕上，通过产生的视觉差给人以一种裸眼3D的视觉效果），2011年，韩国开设世界上第一个4D虚拟实境主题公园Live Park 4D World Tour，采用3D录像，全息图和增强现实技术来营造虚拟体验。Live 360，主题公园的特色项目之一，它是360度三维全景宽银幕电影院，整个银幕直径达27米，高9米，游客佩戴3D眼镜参与到混合实境的游戏中，可以在游戏角色的指引和交互下自由移动，同时还能参与到冒险游戏的创作，推动故事向前发展[2]。

1.2 通讯。2008年，一个比尔·盖茨的全息演讲出现在了吉隆坡举办的世界信息技术大会上，当然，他的演讲是事先在美国西雅图合成好的，盖茨穿越半个地球的虚拟出现，开启了全息技术打造可视化通讯的新纪元。在2014年，受益于全息立体通讯技术的运用，举行视频会议时，人与人的交流将变得更加生动和顺畅。目前，总部位于英国的Musion公司正在开发一个新系统，该系统可以在两个甚至多个会议地点之间传输与会者的运动影像，从而制造“面对面”交谈的效果。而3D全息立体通讯也即将成为现实。加拿大一家科技公司研发了一个3D全息投影装置，这个装置以科幻电影《星球大战》中莱娅公主（Leia）的名字命名，实现真人全比例多角度显示3D视频图像，远程对话方甚至能看见说话者的后背。此外，IBM预测在未来五年，装载有3D全息摄像头的手机将使得用户可以与好友实时进行3D全息视频聊天。

1.3 军事训练。美国国防部高级研究计划局最近完成了一个花费五年制作的程序叫做“城市光学沙盘显示系统”，它可以产生实时、彩色、360度的三维全息图像来帮助作战计划制定，指挥官无需佩戴3D眼镜就可以观察到放大的、交互的三维显示。除了三维图像的高品质以外，该程序还允许多用户同时观察和交互图像来制定基于团队的作战计划。

1.4 医学培训。目前，尽管大部分的三维电脑医学动画创作于三维环境中，但是只能投射到二维的屏幕上，无法实现在逼真立体环境中对三维全息图像观看和交互，因而还没有充分发挥三维全息动画的优势。最近，纽约大学医学院推出了生物数字人体（BioDigital Human），它是一款三维交互式人体可视化程序，用于大一学生的解剖课程。佩戴3D眼镜，学生可以观察和探索真人大小、投射在二维投影屏幕上的三维虚拟人体，放大和解剖人体器官和组织结构。虽然BioDigital Human还没有实现真实三维环境中投射全息影像，但不难想象，三维全息技术的引入将大大增强程序的逼真性和交互性，而使医学专业培训受益。而且这种尝试已经开始，例如，Tres 3D（美国一家医学可视化公司）创立的三维医学动画工作室（3D Medical Animation Studio），通过把全息图像的特征和属性赋予计算机三维动画，观众无需佩戴辅助眼镜就可以观看全息医学动画。

1.5 虚拟/增强现实。微软研发出称之为“Holodesk”的3D互动全息板，其通过一个全透明显示器加一个Kinect摄像机，能让用户产生直接触摸并操纵三维图像的错觉。投影仪将三维景物的虚像通过一个半镀银镜，在空间里与真实世界交汇结合。在演示录像中，用户会看到像实物一样有质感的小球及其他形状的物体，能把手放在玻璃下面以想要的方式移动，就像是真实地在移动这些物体，比如把小球铲入杯子。增强现实技术也可以用在学习环境中，索尼为PS3发布的增强现实外设Wonderbook已经将其应用在图书领域。Wonderbook被设计得像一本真正的书，用户通过PlayStation Move动作控制器创建与操纵数字画面，并以此达到与图书互动的效果。所有的动作都由PlayStation Eye摄像头记录并识别，你与Wonderbook互动的效果将同时显示在电视屏幕上。例如，当你挥手时，Move就会将其转换成一个围绕图书的神奇效果，就像使用法术让龙复生这样。

2 教育应用潜力

结合增强现实技术的交互和临境特征，三维全息技术的教育潜能将进一步提高。虚拟现实在教育中的优势包括：（1）在无风险的环境中组织教学活动；（2）促进交流和合作；（3）对抽象或者难理解的概念或思想形象化。教师也对这项技术应用到课堂中持积极态度，通过英国400位不同教育阶段的教师进行调查问卷，来评估他们对三维全息技术作为教育工具的看法，结果发现大多数教师认为这项技术未来将会是一个高效的教学工具并提高教学效果。

3 存在问题和挑战

就像很多技术在教育中应用一样，三维全息技术也面临着一些挑战。首先，3D渲染质量可能是决定这项技术的教学效果的最重要因素之一。第二，不管任何类型的技术，我们始终应该优先考虑的是学习的结果而不是技术本身，这点非常重要，我们首先应该考虑让学生学到什么，然后考虑应该使用哪种工具来增强学习效果。第三，观看三维图像或影片后引发急性视觉疲劳的报道时有发生，虚拟现实也可能催生所谓的“电脑病”，用户抱怨使用它后产生感觉模糊和眩晕。第四，就像任何新技术引入课堂一样，费用问题是重要考虑因素。三维全息技术还没有充分的发展，其教育适用性还有待检测。考虑到采购和培训的最初成本，加上后期维护的花费，尤其是缺乏具体的教学成果，可能会使学校管理者望而却步。最后，当把三维全息技术应用的课堂的时候，教師需要对学习活动精心的准备和实施来促进师生间交互。

4 结束语

综上所述，三维全息技术在教育环境中潜在的应用，或许能对我们教学的方式带来变革，将手势控制技术与三维全息技术结合，工程学学生可以运用一个还未在真实世界检测过的引擎设计和建造汽车，就好像钢铁侠主人公托尼斯塔克，完全通过手势识别和全息图像，在他的实验室调整和测试三维虚拟盔甲，并展示和浏览复仇者联盟成员的全息数据档案。在这种学习环境中，三维全息技术将不仅仅是传递工具，而是学习过程的重要部分，学生利用这种技术所提供的认知的、社会的资源促进学习交互和知识建构。

参考文献：

[1]Kozma，R.（1994）. Will media influence learning：Reframing the debate.Educational Technology Research and Development，42（2）：7-19.http：//robertkozma.com/images/kozma_will_media_influence.pdf

计算机辅助三维穿刺系统的研制 第10篇

计算机辅助技术在医疗领域得到了广泛应用,其中最重要的就是计算机辅助外科(Computer Assisted Surgery,CAS)技术。CAS技术包括相当广泛的概念及很多的尖端技术设备,国外从20世纪70年代就有了相关研究并推出了成熟的产品。国内的一些科研院所和医疗机构也竞相开展相关课题的研究。穿刺技术是临床医疗的基础常规技术之一,本课题研究的计算机辅助三维穿刺系统是把计算机辅助技术应用于穿刺的一种医疗设备,该设备具有很高的精确性,可以提高病理取样的成功率,也可以作为各种微创治疗手段的工具。

目前,临床上应用最广泛的精确穿刺方法是以超声引导的穿刺技术。这种方法简单实用,但由于超声波本身物理特性的局限,有许多部位不能进行穿刺,譬如骨质和空腔部位。CAS包含多种手术导航技术,其中定位框架结合机械臂的方法是较早期的技术,这种办法的优点是设备结构简单,定位精度高,缺点是对操作者的操作空间有一定影响。由于穿刺技术对精度要求高且功能目标单一,因此,确定选择CAS中框架机械臂的定位方法结合CT图像的三维处理技术作为本次研究的重点。

2系统设计

三维立体定向穿刺系统是计算机技术、精密机械技术和临床医学相结合的产物,作为一种医疗器械,它的设计制造有其特殊性,以下就该系统设计要求、软件部分及硬件部分的设计进行论述。

2.1 设计要求

(1)软件能够读取不同格式的CT、MRI图像,并且能对这些图像进行处理;

(2)生成穿刺目标的坐标和体积(容积);

(3)硬件部分的功能:在CT上完成定位;作为穿刺的定位及固定框架;

(4)硬件部分的组成:底座,包括定位床、真空垫、塑形膜等;机械臂,包括进针及进针导引装置、定位装置等;

(5)定位装置可以在三维方向运动,运动坐标参照标尺,读数精确到0.5 mm;

(6)进针装置有3个自由度,角度读数精确到0.1°;

(7)进针及进针导引装置可以安装不同型号的穿刺针,根据实际情况可以安装进针导引装置,导引头有效长度≥15mm,进针深度读数精确到1 mm,进针阻力待测;

(8)进针及进针导引装置的结构和材料可以适应方便地消毒;

(9)进针方式:手动(可以考虑进针导引装置由电动机带动);

(10)如果发生意外情况,针或钻头可以迅速退出人体;

(11)系统综合误差低于2 mm。

2.2 软件设计

软件的设计应本着满足三维立体定向穿刺的过程要求的原则。事实上,所有的CAS系统遵循着类似的方法:首先,在一定的框架内对患者进行定位,并对患者进行CT或MRI等影像学检查,系统把患者的图像等数据输入到特定的工作站进行相关计算,在计算机自动或医生手动勾勒描绘出靶点位置的同时,计算出靶点在特殊设定的解剖坐标系中的X/Y/Z空间位置。

该穿刺系统软件的主要功能包括:图像采集与处理;制定治疗计划,生成穿刺坐标与目标容积。

2.2.1 图像采集与处理

图像采集与处理包含很多的环节,独立去开发这些技术需要耗费很大的精力和成本。在本次设计中,借鉴了Internet上的免费软件MITK(Medical Imaging ToolKit)———医学影像处理与分析算法研发平台。该软件提供了丰富的可视化、分割、配准等3类医学影像处理算法,通过简单的调用和小的修改,即可生成功能强大的应用程序,用以处理多维(一维、二维、三维)、多源(CT、MRI等)、多态(以像素矩阵形式表达的图像信息、以像素集合形式表达的目标信息以及以几何形状形式表达的知识信息)的医学影像数据。本次设计中应用到图像处理的算法主要包括:DICOM格式图像的读取;图像窗宽、窗位的调整;三维重建;任意层面的显示等。

2.2.2 制定治疗计划,生成穿刺坐标与目标容积

治疗计划的根本目的就是获取穿刺目标的坐标,用以引导穿刺针的运动以及目标的体积(容积),用于下一步可能的治疗。由于CT图像的宽度、高度、层距以及层数提示了人体的三维坐标系,同时,用于定位的框架自定了一套三维坐标系统,因此,通过定位框架的刻度,可以很方便地确定框架内人体空间的任意一点。假定确定穿刺点至少需要长、宽、高(W/H/L)三点坐标的话,那么,至少还需要加入穿刺角度(X/Y两个方向)及进针深度D等3个参数才能最终确定穿刺目标,这6个参数决定了穿刺机械臂的设计至少包含6个方向的自由度。至于目标容积相对简单,用一个简单的二次积分就能解决了。

图1是一个应用程序的界面,图中显示的是已完成的某穿刺计划,表格中显示了一组穿刺坐标系。

2.3 硬件设计

三维穿刺系统的硬件部分主要包括两部分:定位床和穿刺机械臂(图2)。为了尽快实现系统的功能,缩短研制周期,直接引进国内某公司生产的体部X刀的定位框架作为该系统的定位床,需要自主设计的只有穿刺机械臂了。通过上述软件功能的分析,机械臂应能满足6个方向自由度的运动。通过分解设计,根据功能需要,把机械臂分解为两大部分:定向机构部分和穿刺进给运动机构部分。

2.3.1 定向机构

定向机构主要包括滑块(一副)、圆形导轨、圆形导轨角度测量仪、圆形导轨上的滑块及其角度测量仪等零部件。

对于设计要求中需要的自由度,定向机构都能完成(除进针运动外)。

长度方向上的运动是通过两边的滑块在床板上的前后同步滑动实现的。为保证滑块滑动时在一条直线上作运动,在滑块底部有凸台,凸台和床板的导轨凹槽的配合实现了导向功能。

宽度方向和高度方向上的运动是通过滑块在圆形导轨上作圆周滑动来实现的。在做圆周运动时,把位移分解为这两个方向上的位移量,由于圆周运动是在特定的函数关系下作的运动,所以,这两个方向上的位移量是存在一定关系的。

圆周导轨上开有圆槽,滑块就是沿着圆槽作精确运动的,滑块和圆槽是用两线接触的方式而不是用面接触的方式来提高定位精度。

由于穿刺的方向不一定指向圆周导轨的圆心,所以在圆形导轨的滑块上又设计了转向机构。转向机构可以偏转一定角度,并随时锁定。

2.3.2 进针机构

在进针方向确定以后,就是进针运动。进针运动机构是通过滑块在燕尾槽导轨上的滑动来实现的。燕尾槽导轨就是上述转向机构的一部分,它们是一体的。进针时,滑块可以在任何位置锁定,在此滑块上可以安装穿刺用的针或打孔用的电钻,为保证坐标转换方便,穿刺针或电钻头的回转体中轴线和长度方向上滑块上的中心孔的竖截面在同一平面内。

以上两大部所涉及到位移和角度都可以准确地测量,在行程范围内的任何位置都可以锁止。

3 结果

根据以上设计方案,在较短的时间内完成了设计,制作出样品,并在人体模型上进行了试验。试验的过程如下:

(1)在医用人体模型内放置一粒塑料小球,作为穿刺目标,固定;

(2)用负压袋把模型固定在定位床上;

(3)在穿刺目标区域做CT扫描;

(4)把CT图像输入工作站;

(5)在工作站里完成CT图像重建等工作,确定穿刺的目标及进针路线等,系统生成机械臂进针的各参数;

(6)根据给定参数调整机械臂进行穿刺。

通过改变穿刺角度、深度等多项试验,显示该系统的综合误差小于2 mm,完全达到了设计要求。误差主要来自以下几个方面:CT的系统误差;模型复位重复性误差;机械臂的加工、装配误差;人为误差等。

4 讨论

计算机辅助外科技术是一门逐渐成熟的技术,类似的方法同时在一些精确治疗领域得到广泛应用,比如放射治疗的X刀和γ刀等。同时,随着计算机网络技术的深入发展,一些一度相当复杂的技术方法逐步在互联网上得以公布,这使得我们有机会充分利用现有技术去完成一些实用项目的组装与开发,从而更好地服务于临床需要。在本次设计中,软件的主要算法来自于MITK,定位的方法及框架完全等同于适形放疗,只有机械臂是自主设计的。通过对成熟技术的整合,我们在很短的周期内完成了项目的开发,这对于今后的工作是一个成功的借鉴。本次研究的穿刺系统只是CAS技术中较简单的一种,穿刺机械臂6个自由度的运动都要靠手工来完成,运动的位置也是通过标尺人工设定的,其目的是避开难点,尽快实现功能。当最低目标完成后,下一步解决的主要问题是机械臂精确自主运动和运动状态反馈等难点问题。

参考文献

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