1、第32卷 第16期2010年8月武 漢 理 工 大 學 學 報JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVo l. 32 N o. 16 Aug. 2010DOI:10. 3963/j. issn. 1671 4431. 2010. 16. 007三維建模技術及實現方法對比研究畢碩本, 張國建, 侯榮濤, 梁靜濤(南京信息工程大學計算機與軟件學院, 南京210044摘 要: 基于三維建模技術豐富的內涵展開論述, 詳細探討了三維空間模型及其構模方法, 并對比分析了目前常用的10種三維構模方法(或建模技術 的優缺點及適用場合。然后通過對基于OpenGL 、D

2、irectX 、Jav a3D 和IDL 4種三維建模實現方法性能的比較, 論證了三維應用中采用基于OpenGL 的三維建模技術具有很大的優越性和適用性, 并進一步分析了目前常用的2種典型的基于O penGL 的三維編程方法的優劣。關鍵詞: 三維建模技術; 三維空間模型; 三維構模方法; O penGL 中圖分類號: T P 391. 41文獻標識碼: A文章編號:1671 4431(2010 16 0026 05Comparing Research on 3D Modeling Technology &Its Implement MethodsBI Shuo ben, Z H ANG

3、 Guo j ian, H OU Rong tao , L IANG Jing tao(School of Computer &Software, Nanjing U niv ersity of Information Science &T echnology, Nanjing 210044, ChinaAbstract: Based on the rich conno tations of 3D M odeling T echnolog y, this paper discusses 3D spatial models and their modeling methods i

4、n details. And aimed at the ten kinds of widely used 3D mo deling methods or modeling echniques, this paper car ries on a contrast analysis of their advantages and disadvantag es and also their applicable occasions. T hen, according to the com parison of the four kinds of 3D modeling implementation

5、methods, w hich are respect ively on the basis of OpenG L, DirectX, Ja va3D, and IDL, the paper demo nstr ates that the 3D modeling technology based on OpenGL has g reat super iority and applicabil ity in 3D application, and makes analysis of the merits and demerits of the two typical commonly used

6、3D prog ramming meth ods.Key words: 3D modeling technolog y; 3D spatial model; 3D modeling met hods; OpenGL收稿日期:2010 04 23.基金項目:江蘇省教育廳青藍工程項目(0702 和江蘇省人事廳 六大人才高峰 高層次人才培養對象資助項目(20080249. :( , , E mail:1 三維建模技術為了能夠在計算機環境下更逼真地模擬現實世界的人和物及其運動形態, 必須在三維空間系統中利用已有的三維建模技術, 精確地描繪這些事物以實現三維物體的真實再現, 進而為用戶創造一個身臨其境、

7、形象逼真的環境。對現實世界的事物進行建模和模擬, 就是根據研究的目標和重點, 在三維空間中對其形狀、色彩、材質、光照、運動等屬性進行研究, 以達到3D 再現的過程。因而, 對三維實體的圖形圖像處理及其模型建模研究顯得尤為必要。三維建模技術的核心是根據研究對象的三維空間信息構造其立體模型尤其是幾何模型, 并利用相關建模軟件或編程語言生成該模型的圖形顯示, 然后對其進行各種操作和處理。為得到研究對象的三維空間信息, 采用適當的算法, 并通過計算機程序建立三維空間特征點(或某一空間域的所有點 的空間位置與二維圖像對應點的坐標間的定量關系1, 最后確定出研究對象表面任意點的坐標值。研究人員根據獲得的三

8、維物體的形狀、尺寸、坐標等幾何屬性信息進行構模操作, 構造研究對象的三維幾何模型。目前, 物體的三維幾何模型就其復雜度來說分為3類:線模型、面模型、體模型。對三維建模技術的研究基本上都是針對三維面元模型和體元模型來展開的。1. 1 三維空間構模方法近年來, 國內外許多專家學者對三維空間對象模型及構模方法進行了研究, 歸納起來為以下10種單一構模方法應用最為普遍。1 邊界表示法 物體的邊界是物體內外部點的分界面, 一般用體表、面表、環表、邊表和頂點表5層描述。該方法強調物體表面的細節, 詳細記錄構成物體形體的所有幾何元素的幾何信息及其相互間的聯接關系即拓撲信息, 幾何信息與拓撲信息分開存儲, 完

9、整清晰, 并能唯一定義物體的三維模型。但缺點是對于不規則三維物體的描述不太方便。主要適用于三維空間操作和分析。2 實體幾何構造法 一種由簡單的、形狀規則的幾何形體(稱為體素 通過正則布爾運算來構造復雜三維實體的表示方法。基本幾何體素經過平移、旋轉、縮放某種(或組合 變換后, 使其從基本狀態變換到組合的狀態, 然后通過正則布爾集合運算建立中間體, 進而把中間體看作基本體素, 進行更高層次的組合。優點是簡單, 適合對復雜目標采用 分治 算法; 無冗余的幾何信息, 記錄了構成幾何實體的原始特征和定義參數; 還可以在實體和體素上附加屬性。缺點是不具備實體的拓撲信息; 表示不具有唯一性。3 線框表示法

10、一種利用約束線來建立一系列解釋圖形以表達三維實體邊界和輪廓的方法。實質是把目標空間輪廓上兩兩相鄰的采樣點或特征點用直線連接起來, 形成一系列多邊形; 然后拼接形成一個多邊形網格來模擬三維實體邊界。當采樣點或特征點沿環型線分布時, 所形成的線框模型稱之為相連切片模型。該方法數據結構比較簡單, 數據存儲量小; 表達能力取決于線表示所能允許的復雜程度。缺點是形體對象表示不唯一, 與此相關的是不能生成高效的顯示, 不能計算物體的幾何特征以及不能唯一定義空間。4 塊體表示法 規則塊體模型把建模空間分割成規則的三維網格, 稱為Block(塊段 。每個塊體被看作為均質體, 在計算機中其存儲地址與其在自然礦床

11、中的位置相對應, 可根據克里格法、距離加權平均法或其他方法確定其品位或巖性參數值2。為了用Block 模型描述不規則實體的幾何形態和減少存儲空間, 提出了許多建模技術, 如細分塊段、可變尺寸塊段、邊界細分塊段等, 逐漸形成了不規則塊體模型。不規則塊體模型不僅能較好地模擬研究對象的幾何邊界, 而且還可以描述品位或質量的細微變化。規則塊體模型為了節省存儲空間和運算時間, 可以在編制程序時采用隱含的定位技術, 但對于有邊界約束的實體建模效果不是太有效。不規則塊體模型則可以根據地層空間界面的實際變化來模擬, 從而提高了空間建模的精度, 有利于基于地質體的查詢和分析, 但對基于體元的空間檢索和查詢不太方

12、便。5 空間位置枚舉法 把物體所占據的整個三維空間分割成形狀相似、大小相同的單元, 各單元在三維空間中以固定的規則網格連接起來, 互不疊壓, 根據物體是否占據網格位置來定義物體的形狀和大小。采用三維數組來存儲每個單元的信息, 很容易建立幾何體素的空間索引, 提高了空間搜索的速度和運算效率; 三維數組可明確地體現幾何單元間的拓撲關系, 因而方便進行正則布爾運算等操作; 可清晰判讀某一空間位置與物體的位置關系, 使得對CAD/CAM 系統中的干涉檢查變得簡單易行。其缺點是該方法通常不能單獨使用, 而要作為中間體與其它表示法配合使用; 只能近似表達空間實體的信息, 描述精度不高; 難以對單個空間實體

13、進行旋轉及坐標變換等操作。6 四面體格網表示法 基于對邊界難以捉摸對象(如污染云等 的研究, Pilouk 等提出了采用不規則四面體網格(T etrahedron Netw ork, TEN 模型的建模技術3。以四面體作為基元, 是一個基于點的四面體網絡的三維矢量數據模型, 它將任一三維空間對象剖分成一系列鄰接但不交叉的不規則四面體, 是不規則三角網(T IN 向三維的擴展。四面體是面數最少的體元, 因而對其操作時計算量最小, 可以有效地進行三維插值計算和可視化, 四面體間的鄰接關系還可以反映空間實體間的拓撲關系。但T EN 模型卻不能描述三維連, 27第32卷 第16期 畢碩本, 張國建,

14、侯榮濤, 等:三維建模技術及實現方法對比研究7 八叉樹表示法 將三維空間區域分為8個象限, 且在樹上的每個節點處存儲8個數據元素。當象限中所有體元都為均質體時, 該類型值存入相應的節點數據元素中; 然后再對非均質象限進行象限細分, 并由該節點中的相應數據元素指向樹中的下一個節點, 如此循環直至每個節點所代表的區域都為均質體為止。該方法是一種遞歸的分割過程, 數據結構簡單劃一, 適合計算機表達, 檢索速度快, 存儲便捷; 對布爾操作和幾何特征的計算效率很高, 且便于顯示。其缺點是不能精確表達三維空間實體的邊界; 占用的存儲空間較大, 幾何變換難于進行。在醫學和機械學等領域應用廣泛, 但在礦床地質

15、建模中有很大的局限性, 包括難于表達多種地質屬性, 模型更新不便, 難于表達地質對象之間的關系等。8 三棱柱構模法 一種較常使用的簡單三維地學空間建模技術2。三棱柱模型幾何精度較高, 可視化方便, 可以便捷地描述其拓撲關系。但由于受鉆孔須垂直或平行的限制, 模型的適應能力較弱。針對該模型的局限性, 吳立新等提出了一種不受三棱柱棱邊平行限制的新的三維建模方法, 稱為類三棱柱建模技術4, 5, 后發展為廣義三棱柱(Generalized Tri Prism, GTP 建模技術6。建模原理為:用GTP 的上下底面的三角形集合所組成的T IN 面來表達不同的地層面, 然后利用GT P 側面的空間四邊形

16、面來描述層面間的空間鄰接關系, 用GTP 柱體來表達層與層之間的內部實體。廣義三棱柱模型拓撲關系描述完善, 可以描述任意復雜的地質體, 數據精度得以保證; 每個體元內可以有多重屬性, 實體查詢分析方便, 便于進行地上下集成建模。但其可視化速度較慢, 設計較復雜。表1 三維空間模型及構模方法比較分類構模方法優點缺點適用場合基于面元模型邊界表示法精確, 數據量小; 幾何信息與拓撲信息分開存儲, 完整清晰難以描述不規則三維物體及復雜地質體簡單形體、層狀地質體線框表示法數據結構簡單, 數據存儲量小, 便于修改形體對象的表示不唯一; 難以計算物體的幾何特征工程地質、地下工程小平面表示法通用性好; 圖形生

17、成速度快; 對于切層數據構造三維實體非常有效存儲量不確定; 布爾運算及坐標運算復雜醫學CT 圖像重構掃描表示法三維實體二維圖形化, 體現了 化整為零 的思想不能直接進行正則布爾運算; 難以處理非規則類三維物體CAD/CAM基于規則體元模型實體幾何構造法方法簡單, 處理方便; 適合對復雜目標采用 分治 算法; 無冗余的幾何信息; 可以附加各種屬性不具備實體面、環、邊、點的拓撲信息; 實體的CSG 表示不唯一規則形體八叉樹表示法結構簡單, 檢索速度快, 存儲便捷; 布爾操作和幾何特征計算效率高, 易顯示難以精確表達三維實體的邊界; 存儲空間大醫學、機械學、生物學空間位置枚舉法空間搜索速度快, 運算

18、效率高; 易于描述空間拓撲關系近似表達空間實體的信息, 描述精度不高; 難以對單個實體進行操作規則形體/不規則形體規則塊體構模法采用隱含定位技術, 節省存儲空間和運算時間對有邊界約束的實體建模效果不是太有效屬性漸變的三維空間基于不規則體元模型四面體表示法計算量小, 可以進行三維插值計算和可視化; 可以反映空間實體間的拓撲關系難以描述三維連續曲面, 算法復雜; 存在大量的數據冗余礦體、水體、云體三棱柱構模法模型幾何精度高, 可視化方便, 可以便捷地描述其拓撲關系鉆孔須垂直或平行, 模型的適應能力較弱工程地質、城市地質廣義三棱柱構模法拓撲關系描述完善; 每個體元內可以有多重屬性, 實體查詢分析方便

19、, 便于進行地上下集成建模可視化速度慢, 設計較復雜區域地質、城市地質、工程地質不規則塊體構模法空間建模精度高, 有利于基于地質體的查詢和分析對基于體元的空間檢索和查詢不太方便屬性漸變的三維空間28 武 漢 理 工 大 學 學 報 2010年8 月9 小平面表示法 它是將物體的外表面分割成一系列微小的平面, 如三角面片等, 并通過記錄該平面的特征屬性來描述物體。分割得到的微小平面的形狀和大小取決于被表達物體的形狀特征和所選取的描述精度。小平面表示法既可以表達規則物體, 也可以描述不規則三維實體的屬性, 適用于多種場合, 通用性好; 對于復雜曲面的三維實體, 不僅能產生很好的顯示效果, 而且可以

20、獲得十分逼真的形態, 圖形生成速度較快; 對于切層數據構造三維實體非常有效。然而, 小平面表示法所需的存儲空間與小平面數有關, 而小平面數又與三維實體表面的信息有關, 因而存儲量具有很大的不確定性; 在曲面復雜、分辨率很高的場合, 存儲量將非常大, 致使對物體的布爾運算和坐標變換的運算也變得很復雜。10 掃描表示法 它是由幾何體中某一截面輪廓繞某一坐標軸線旋轉或某一指定路徑平移所形成的, 其運動過程中形成的截面輪廓的軌跡完整而唯一地定義了一個實體。這種方法將三維實體化為對二維圖形的理解, 但生成的物體不能直接進行正則布爾運算, 也難以處理非規則類三維物體。1. 2 三維空間構模方法比較分析1

21、基于面元模型的空間構模方法 該方法側重于對三維空間實體的表面描述(如地形表面、地質層面等 , 所模擬的表面可能是封閉的, 也可能是非封閉的。基于采樣點的不規則三角網(T IN 模型和基于數據內插的格網(Grid 模型, 通常用于非封閉表面模型; 而邊界表示(B Rep 模型和線框模型通常用于封閉表面或外部輪廓模擬。通過表面表示形成三維空間目標表示, 其優點是便于顯示和數據更新, 但由于缺少三維幾何描述和內部屬性記錄難以進行三維空間查詢與分析。2 基于體元模型的空間構模方法 該方法側重于對三維空間體的表示, 如水體、云體等, 通過對體的描述實現三維空間目標表示, 其優點是易于進行三維空間操作和查

22、詢分析, 但存儲空間大, 計算速度較慢。目前常用的體構模方法有三維柵格、實體幾何構造(CSG 、四面體格網(TEN 、實體和塊段構模等。3 基于面體混合模型的空間構模方法 該方法能夠充分利用不同的單一模型在表示不同空間實體時所具有的優點, 能夠實現對三維地質現象有效、完整的表達。但混合三維模型數據量大, 為保持一致性必須在兩種方法之間不斷進行轉換, 并且不同模型之間的轉換有時只能是近似的, 甚至是不成立的。基于以上分析, 對三維空間模型及構模方法的特點及其適用場合作一對比分析, 見表1。2 三維建模實現方法2. 1 OpenGL 與其他3種實現方法的比較OpenGL 是一個功能強大的、支持底層

23、繪制和造型能力的軟件圖形函數庫, 適用于所有的主流操作系統平臺, 有著廣泛的硬件支持, 為程序員提供了一個圖形硬件接口。DirectX 是一組應用程序接口(API , 每個API 控制一組底層函數, 負責訪問硬件或者在沒有相應的硬件的情況下對其進行模擬。使用硬件抽象層(HAL和硬件模擬層(HEL 2個驅動向硬件設備發送請求。在初始化時, 先檢查硬件是否支持某種功能。如果硬件支持, HAL 就被用來控制這種硬件功能; 否則HEL 就會以軟件形式模擬這種功能。Java3D 是Java 語言在三維圖形領域的擴展, 它把OpenGL 和DirectX 這些底層技術封裝在Jav a 接口中, 使得三維建

24、模技術可以加入到J2SE 、J2EE 的整套架構中, 可以生成簡單或復雜的形體, 使形體具有顏色、透明效果、貼圖等屬性, 也可以在三維環境中生成燈光、背景、聲音等, 使形體變形、移動和生成三維動畫。IDL 交互式數據語言是集科學數據分析、可視化表達和跨平臺應用開發等功能于一體的第4代可視化計算機語言。具有的面向矩陣的特性, 使其在分析超大規模數據、交互式處理二維和三維圖形時成為數據分析和可視化的首選工具。OpenGL 與DirectX 、Java3D 和IDL 的性能比較如表2所示。基于OpenGL 的三維建模技術較其它建模技術在3D 應用方面有著很多的優越性, 表現為以下4點:1 三維物體建

25、模方便 OpenGL 中提供了一系列輔助函數, 可以用來繪制簡單的三維圖形。對于復雜的模型, OpenGL 則通過一定規則實體的合成來建模。合成的方法是OpenGL 建模的基本方法, 主要分為以下3種情形:(1 規則實體的合成:對于比較規則的實體, OpenGL 利用本身提供的簡單幾何體, 如柱體、錐體或球體等, 改變這些函數的參數來調節各個幾何體的大小使它們之間組合得當。而對于一些不太規則的實體, 也可以通過三角形或多邊形先合成一些簡單體, 再進行組合搭配。(2 含曲面實體的合成:OpenGL 可以通過求值程序計算任意次數的Bezier 曲線、曲面, 也可以繪制NURBS 曲線、曲面。(3

26、三角形合成:三角形是29第32卷 第16期 畢碩本, 張國建, 侯榮濤, 等:三維建模技術及實現方法對比研究的建模環境 由于OpenGL 函數庫中提供了大量的具備構造真實環境的功能函數, 如著色模式、光照函數、顏色函數、融合與透明、反走樣與霧化、材質處理與紋理映射及深度檢測等, 從而使得 創造 的3D 圖形及其渲染具有高度的真實感。3 高效的動畫顯示與實時處理 OpenGL 通過雙緩存技術完成連續動畫的顯示。其系統中提供了顏色緩存、深度緩存、累積緩存和模板緩存4種基于雙緩存技術的動畫操作函數, 簡便了程序設計的算法, 極大地提高了畫面動態顯示的速度。4 程序的獨立性、通用性與可移植性 Open

27、GL 的設計目標是作為一種流線型的、獨立于硬件的軟件接口, 可以在不同的硬件平臺上實現, 也可以被集成到不同的標準視窗和操作系統中, 如DOS 、Window s95、Window s NT 、U NIX 等。基于OpenGL 的三維應用程序具有良好的獨立性、通用性與可移植性。表2 OpenGL 與DirectX 、Java3D 和IDL 性能比較性能OpenG L Dir ectX Java3D IDL 開發者O penGL ARBM icrosoft Sun N ASA 多操作系統支持不支持支持支持嚴格的規范有無無無可擴展機制支持支持支持支持頂點混合不支持支持不支持不支持點尺寸/線寬屬性支

28、持不支持不支持支持參數曲線和曲面支持不支持支持支持立體繪制支持不支持支持支持雙面光照支持不支持支持支持體紋理支持不支持支持支持全屏反走樣支持支持支持支持運動模糊支持支持支持支持場深度支持支持支持支持設備無關的深度緩存支持不支持不支持支持累積緩存支持不支持不支持不支持高速幾何緩存顯示列表頂點緩存頂點緩存頂點緩存接口程序調用COM程序調用程序調用2. 2 基于OpenGL 的編程方法比較綜觀已有的基于OpenGL 的編程方法, 可歸納為2類:一是使用標準C 語言調用OpenGL 函數實現; 二是VC 環境下基于MFC 和OpenGL 的編程實現。前者由于缺乏面向對象的繪圖能力, 不符合當前流行的程

29、序設計思想; 而后者因VC 中MFC 包含了功能強大的基于Window s 的通用基礎程序框架, 并提供了大量豐富的事件和窗口管理函數, 而成為了當前三維圖形圖像建模首選的工作開發平臺。3 結 語三維建模技術是建立現實世界虛擬化三維場景模型的基礎, 模型準確度的高低, 模擬場景的真實與否, 將直接關系到在真實世界中的應用前景。基于三維建模技術豐富的內涵, 詳細論述了三維空間模型及其構模方法, 對目前常用的10種三維構模方法(或技術 的特點及適用場合進行了對比分析。并比較分析了基于OpenGL 、DirectX 、Java3D 和IDL 4種三維建模實現方法的性能, 論證了三維應用中采用基于Op

30、enGL 的三維建模技術具有非常好的優越性和適用性。最后進一步分析了目前常用的2種典型的基于OpenGL 的三維編程方法的優缺點, 為從事基于OpenGL 的三維建模及其可視化研究提供了理論依據。(下轉第83頁30 武 漢 理 工 大 學 學 報 2010年8月第 32 卷 第 16 期 顧韻華, 何燕秀: PK I/ P M I 安全模型及在數字版權交易平 臺中的應用 83 一種信任傳遞關系, 可以防止一個人的屬性被他人假冒使用, 為系統提供了強認證的過程。由于把屬性信息 從身份信息中分離出來, 并且彼此又分別放置在各自的證書中, 這樣發放過程變得合理而且有針對性。利用 屬性證書進行權限管理

31、的方式使得權限管理具有通用性, 有利于權限的分布式應用。 在數字版權交易平臺中, 該安全系統實現了多樣的、 多安全等級技術方案。在 P KI 體系基礎上, 可以按 照不同資源的安全要求, 提供多種身份認證方式, 如常見的 P in 碼、 USB 智能卡、 卡、 IC 指紋和其他生物特征 等方式, 而實現多樣認證方式功能均由安全系統完成。該安全系統實現了統一的安全應用接口。無論身份 注冊與認證, 還是權限管理和訪問控制服務, 均采用相同或相似技術架構, 面向應用系統提供簡單、 易用、 統 一的應用和服務接口。 4 結 語 對于一個網絡應用系統而言, 身份認證與權限管理是訪問控制的主要內容, 是保護網絡資源必要的手段 和措施。將 PKI 和 PM I 技術相結合, 實現了獨立于應用系統的訪問控制系統。將此種基于 PKI/ PM I 的系 統訪問安全模型應用于數字版權交易平臺, 實現了可信的身份認證和可信授權管理, 共同保證合法用戶對資 源的正常訪問, 尤其是可以限制用戶對關鍵資源的訪問, 防止非法用戶的侵入或者因合法用戶的不慎操作所 造成的破壞, 保證了資源訪問控制系統的安全運行。 參考文獻 1 2 3 4 5 6 裴 曹 浩, 張基溫, 黃可望. 基于 PM I 的 Web Ser