文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
三维物体建模和场景构造技术研究
姓名:陆济湘
申请学位级别:博士
专业:控制科学与工程
指导教师:李德华
2010-08-06
华中科技大学博士学位论文
摘要
三维物体建模和场景构造是当前研究的一个热点问题。它在虚拟现实、游戏设
计、数字化城市、虚拟漫游、地理信息系统(GIS)和计算机辅助设计(CAD)等方
面都有重要应用。在游戏设计中,需要把美工在 3ds max 软件生成的游戏场景和人物
用网格数据来保存,CAD 系统中要建模许多物体,生成 G 代码来驱动数控机床。在
GIS 系统中,要建模地形的三维数据。在虚拟现实和游戏中,要构造场景图,而场景
图中的三维物体都是由多边形集合或者样条曲面构造的,游戏中的人物行走的路径
也可以设计为样条曲线,在动画中,对各种形体的变形实际上也是样条曲面的变形。
因此研究三维物体的表示和建模以及三维场景的构造具有十分重要的意义。
本文对物体的建模提供了一些方法,开发了一个场景构造的平台和一个相贯线
软件开发的平台。具体研究内容包括:
对于多边形网格建模,设计了一个高效的数据结构来对三维形体的数据进行保
存和绘制。设计了网格数据结构 Mesh 类,它包含顶点集合,面集合和法向量集合,
提出了相应的算法来生成这三个集合,提供了绘制 Mesh 类的方法。对于多边形网格
建模,自由曲面建模和构造实体几何(CSG)建模提出了统一的数据结构和网格文
件以及场景构造语言、统一的场景类设计和实现方案,提供了建模各种物体的具体
算法。提出了一种交互式的从图片中提取轮廓线重建三维形体的方法,设计了拉伸
形体,旋转形体,光滑曲面,直纹面和双变量显式函数曲面的构造算法,并将其写
入文件中,便于在场景构造语言中利用它们来构造场景。对激光扫描仪产生的数据
进行重建,提出了一种基于散乱点的重建算法。
对多关节机械臂式三维坐标采集系统中使用的空间坐标模型和参数标定方法进
行了研究。建立了多关节机械臂式三维坐标测量机构的坐标模型,讨论了模型中各
系统参数的标定问题,在研究基于最小二乘法的标定方法之后提出了一种基于遗传
算法的标定方法。
对于样条曲面建模,包括 Bezier 曲面和 B 样条曲面,通过直纹面和旋转曲面来
I
华中科技大学博士学位论文
构造物体,通过移动控制点来改变曲面形状。同样使用前面介绍的数据结构 Mesh 类,
构造顶点、面和法向量集合,并进行绘制。也可以将其写入文件中,便于在场景构
造语言中利用它们来构造场景。
对于构造实体几何(CSG)建模,通过场景构造语言、布尔操作和光线跟踪技
术来实现复合形体的建模。使用了光线跟踪算法,并设计了光线跟踪的类和布尔操
作的类。使用场景构造语言来绘制 CSG 形体。为了提高光线跟踪速度,采用了构建
包围盒来加速光线跟踪。
设计了场景构造的各种类和场景构造语言。提供的场景类和场景构造语言能够
读取 3ds max 、虚拟现实语言(vrml)和网格文件。使用场景构造语言可以将这些
文件组合到一起,并能提供渲染。利用场景构造语言开发了一个场景构造的平台。
通过它可以向场景中添加三维形体,进行变换和渲染,并写入场景文件来保存。开
发了一个相贯线的软件平台。讲述了实现相贯线软件的关键技术和核心类。通过改
变参数,可以看到二维和三维图形,切割仿真的图形以及生成 G 代码来驱动数控机
床。
关键词:三维物体建模网格场景构造曲面建模遗传算法光线跟踪
包围盒
II
华中科技大学博士学位论文
Abstract
Three-dimensional object modeling and scene construct is now a research focus. It
plays an important role in the virtual reality, games design, digital cities, virtual roaming,
GIS and CAD applications. In game design, we should save the mesh data of game scenes
and characters generated by the art designer in 3ds the CAD system we should
establish model for many object and generate G code to drive C machine tools. In
the GIS system,