三维实景建模技术及运用


近年来,一种被称为三维实景建模的新技术成为计算机图形图像领域研究的热点并开始在影视制作中崭露头角。该技术能够通过数学方法,仅仅依靠数十甚至上百张照片就能得到真实目标物体的三维模型。

三维实景建模技术及应用 - 大雁云

在很多场合里,通过这种方式得到的模型在空间结构上与真实标的非常相似。以此为基础,可以对模型进一步修改完善,进行诸如雷达反射截面积计算、结构力学分析、流体性能仿真、你想工程研究等多种科学仿真实验,以较小的代价获得以往用很大投入才能得到的科学数据;还可以用在多媒体汇报、动画制作、特效合成等影视工作中,为观众提供更为形象直观的表现方式,这对于传统的三维模型制作和真实场景复原提供了一个完全崭新的手段,应用前景广阔。

一、传统建模手段的局限

无论在科学研究还是在影视制作的一些场合中,往往需要对一些现实中的物体、场景进行三维重建(虚拟化),传统的做法是通过实拍、上网下载等方式获得目标的一系列图像,然后作为参考图导入到三维软件中,建模人员根据个人经验从基础的 三维几何体开始反复增加细分结构并调节模型,不断逼近目标形态,手动复原目标。这种方式存在许多局限,首先,对建模人员的要求较高,我们知道要培养一个写实级模型师谈何容易!这需要有大量的实战经验和刻苦的训练才能在某一个细分领域(比如角色建模或环境建模)达到这样的水准。而实际中需要更原的目标包罗万象,既有可能是一架二故飞机、也有可能是一个人物、还有可的是一座城堡...

三维实景建模技术及应用 - 传统建模的缺点

不确定的目标类型对于模型师来说是很大的考验;再者即便模型师具备相应的水准,要实现写实级三维复原仍然需要大量的时间,毕竟慢工才能出细活;最后,传统手工方式是一种非常主观的方式,模型的逼真程度因人而异,精度上既难以制,又说不清,完全凭个人感觉鉴定好坏。以上这些都导致传统手动建模技术在实现高品质三维重建的时候,人力成本居高不下且耗时耗力!在视觉表现越来越追求现场感、融入感、真实感的发展大潮下,迫切需要一种更高级的建模技术。

二、三维激光扫描技术的局限

三维实景建模技术及应用 - 激光建模

为了应对高品质建模的挑战,在一些高端影视生产中,国外的顶尖视效工作室第纷开始采用三维激光扫描技术进行三维重建。虽然它在一定程度上满足了高精度复原的要求,但是也存在几个问题:

一是好一点的激光扫描设备价格往往不菲,需要很长时间才能收回成本;

二是对物体的空间尺寸有限制,很难对大型物体进行扫描,因此这种手段还不能迅速普及。

三、三维实景建模技术内涵及主要特点

随着数字图像处理技术的高速发展以及计算机运算能力的不断增强,一种称之为三维实景建模的技术开始进入各行业研究人员的视野并取得了一系列实用化成果。其内涵是利用数字摄像机作为图像传感器,综合运用图像处理、视觉计算等技术从二维图像中提取目标的三维空间信息,通过多种手段的综合应用,最终实现目标的三维重建。这种技术有很大的优势,体现在:

  • 不收物体形状、尺寸以及地域等诸多限制;

  • 应用门槛低,对无任何建模基础的使用者,几天就可以上手;

  • 可以实现全自动或半自动建模,也可以一次批量处理多个三维重建人物,24小时连续作业,大大减小模型师的负担;

  • 对于硬件要求较低,普通的数码相机甚至手机都可以作为输入设备,而重建设备只是一台高性能工作站;

  • 重建速度较快,往往只要几天就能达到以往几个星期甚至更长时间才能达到的效果。

三维实景建模技术内涵及主要特点 - 大雁云

这些优势注定了它将是今后三维建模的一个重要发展方向,能广泛应用于包括移动机器人自主导航系统、航空及遥感测量、工业自动化、影视制作等在内的各个领域。

四、当前三维实景建模技术的应用概况

三维实景建模技术的应用领域有哪些 - 大雁云

发达国家在三维重建技术的应用上已经取得了很多的成果,目前最成功的应用领域集中在大型地质调查(三维地形重建)、考古、文物保护以及建筑复原。除此之外,在科学研究、交通事故分析、影视特效和逆向工程设计中都有成功的应用。例如美国空军技术研究院的研究人员利用重建技术完成了某小型无人机的三维复原,并基于此实现了对该无人机的计算机气动力学分析,试验证明,其仿真结果与真实风动测试结果非常相近。证明三维重建技术在虚拟仿真有广阔的应用前景。

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