三维模型技术教案（共11篇）
巧家一中 生物组 徐嘉佳
一、教学目的：
1、制作动物细胞三维立体模型。
2、加深学生对细胞结构和功能的理解和应用。
3、培养学生的动手操作能力和团队合作精神，启发学生的想象，充分发挥他们的自主创造力，利用各种材料制作动物细胞的三维立体模型。
二、准备工作：
（一）材料：用泡沫削成半球型（买不到琼脂，可到广告公司买8cm厚的泡沫，经济而且可重复使用）；购买彩泥（制作细胞结构）；大头针（固定彩泥）。
（二）分组：6人一组，让学生商量后选出组织能力强的人担任组长。
（三）复习细胞的结构和功能：可让学生画动、植物细胞结构模式图，对比动植物细胞的区别，复习各种细胞结构的功能。
三、开展教学活动：
（一）强调制作模型的要求：
1、活动目的：“制作动物细胞三维立体模型”
问：动、植物细胞的区别是？
学生答：中心体、细胞壁、叶绿体、液泡。问：制作动物细胞模型时那些结构不能做？ 学生答：细胞壁、叶绿体、液泡。
2、要保证模型知识点正确。
3、注意细胞结构之间大小比例问题。如，核糖体不应做得太大。
4、要知道自己用彩泥做的模型代表细胞的什么结构，小组内要统一看法。
（二）实施活动: 将事先准备的材料发给学生，让小组长协调，分配任务到每个成员，合作完成模型的制作。
随时视察各小组制作进度，对做得好的、有创意的给予鼓励，对有知识错误的地方给予指正。并提问彩泥的各部分代表什么。尽量激发学生的创造欲，不要束缚学生的思维，只要能给出合理解释，像不像不太重要。另外尽量让每个学生参与进来，对于乱窜的学生让组长批评，不参与回答问题的学生要及时提醒。
模型做好后集中放到讲台，让各小组观看其他小组的成果，取长补短，相互学习。
四、教学反思：
1、对做得好的小组应给予更多的鼓励。
2、在提问时可以连带问各个细胞结构的功能，这样不仅让学生通过制作模型巩固了对细胞结构的理解，还复习了细胞器的功能。
关键词：三维模型,版权保护,三维模型水印,攻击,鲁棒性
0 引言
近年来,三维模型越来越多地受到人们重视,并广泛应用于虚拟现实、医学图像、电影游戏、工业设计、文化遗产保护等领域。与此同时,为有效地对三维模型进行版权保护,三维模型水印技术也开始引起人们关注,并逐渐成为数字水印研究的新热点。
1 三维模型水印技术研究现状
1997年在日本IBM东京研究工作室工作的Ohbuchi等[1]在ACM Multimedia国际会议上发表了一篇关于三维网格模型水印的文章,为三维模型水印技术的研究提供了思路和方法,它的发表具有里程碑意义。随后几年,世界各地的研究人员对三维模型水印技术进行了一系列研究,取得了不少成果。但由于三维模型数据的特殊性,三维模型水印的研究也遇到了很多困难。
1.1 三维模型表示方法及特点
常见的三维模型表示方法有点云表示、网格表示、参数表示和体数据表示等[7]。现有的三维模型水印技术根据处理数据的表示方式可以分为网格水印、参数曲面水印、体数据水印、三维动画水印等。
网格表示的数学基础是用多面体近似任意物体表面,通过对多面体的描述完成对形体的描述,它所能表达的表面上没有曲线曲面,只有多边形,因此数据结构上更为简单,操作种类相对单一且易于实现。而网格表示的模型中,最为通用的是三角网格模型,目前的大多数几何处理算法都是针对三角网格模型进行的。因此,本文讨论的水印算法也主要针对三角网格模型进行。
1.2 三维模型水印分类
为三维数字模型嵌入水印时,根据出发点不同,数字水印具有不同的分类方式:
(1)基于应用目的分类。基于应用目的不同,三维模型水印根据对攻击的抵抗能力可以分为鲁棒水印和脆弱水印[8,12]两种。鲁棒水印能够抵御大多数攻击类型,当模型内容遭到攻击后仍然能够检测出模型中隐藏的版权信息,可用于三维模型的版权保护;脆弱水印则对任何变换和处理操作都具有非常强的敏感性,即使是很小的操作或攻击都可能毁坏水印信息,因此可以准确确定被篡改区域,甚至恢复篡改内容,被广泛用于模型内容完整性验证以及多级用户管理。
(2)基于提取策略分类。基于提取策略的不同,即根据检测过程是否依赖于原始模型或相关信息,可以将三维模型水印分为盲水印和非盲水印两种。盲水印,也称为公有水印,在提取水印时无需原始模型,可根据提取算法直接进行水印信息的提取;非盲水印,也称为私有水印,在提取水印时需要借助原始模型或相关信息进行水印信息的提取。非盲水印的鲁棒性相对较好,但应用会受到一定限制。
(3)基于水印信息内容分类。基于水印信息内容的不同,可以将三维模型水印分为有意义水印和无意义水印两种。有意义水印指水印本身也是某个数字图像(如商标图像)或数字音频片段的编码。有意义水印的优势在于,如果由于受到攻击或其它原因致使解码后的水印破损,人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印;无意义水印只对应一个序列号,如果解码后的水印序列有若干码元错误,则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。
1.3 三维网格模型水印技术研究进展
三维网格模型水印方法很多,针对修改对象不同,三维网格模型水印大致可以分为对数据文件组织的修改和对几何数据的修改。而对几何数据的修改目前是应用最多的一类三维模型水印算法。三维模型具有几何基元和几何基元的拓扑结构两种属性,可以通过修改几何或拓扑结构将水印嵌入到三维模型中,而根据水印嵌入域的不同大致又可以分为空间域方法和变换域方法。基于几何的三维模型水印方法如图1所示。
1.3.1 空间域方法
空间域方法一般直接修改几何属性(几何信息或拓扑信息),相对比较简单、易于执行、效率高并且嵌入容量较大。相比而言,修改几何信息的方式在鲁棒性和不可感知性上比修改拓扑信息的方式更具有优势,因此大部分空间域方法都是通过修改模型几何信息来嵌入水印。
大部分的鲁棒水印都是通过选取某种嵌入基元,设置一定规则,在此规则的约束下调整顶点坐标,从而嵌入水印,以达到较好的鲁棒性。Ohbuchi等针对三角形网格,提出了几种通过修改几何或拓扑结构的方式嵌入水印的方法,对后续的很多三维模型水印研究产生了巨大影响,比较具有代表性的有三角形相似四元组TSQ算法、四面体体积比TVR算法、MDP嵌入算法;Wanger[9]提出了一种用于任意拓扑结构的多边形网格的鲁棒性水印算法。该算法将水印嵌入在网格数据点的坐标中,由于不依赖数据点的顺序,因此对诸如位移、旋转、缩放等仿射变换具有较好的鲁棒性,但对网格重建和网格简化的鲁棒性较差;Alface等[10]提出了一种利用模型曲率提取特征点的方法,进一步提高了水印的鲁棒性;Cho等[4]提出了一种基于顶点范数分布的水印算法。该算法计算出三维模型各顶点范数,并将其划分成N个bins。每个bin中的顶点范数作归一化处理,通过直方图映射函数调整其分布的均值或方差嵌入水印信息。直方图映射函数可以在一定程度上降低水印可见性,而且由于使用的顶点范数统计特征对于相似变换和顶点重排不变,因此算法可以完全免疫于文件攻击和相似变换攻击,且对于绝大多数攻击也具有较好的鲁棒性。然而,对于导致模型质心发生改变的攻击(如剪切)将对水印造成毁灭性破坏。Luo[6]、Bors等[5]在Cho的算法上作出改进,采用volume moment方式来计算物体重点,进一步提高了算法应对拓扑攻击的鲁棒性,并分别引入FMM方法和Levenberg-Marquardt优化方法,降低了水印后表面的变形程度。
脆弱水印可以通过直接修改顶点位置或调整顶点间的位置关系达到嵌入水印的目的。Yeung和Yeo[8]最先开始讨论脆弱水印。他们为每个顶点通过哈希函数计算了两个索引值:位置索引和值索引。通过调整顶点坐标使这两个索引值相等。在水印提取阶段检测两个值是否相等即可判断是否发生了非法修改并定位修改位置。这种算法依赖预定义的顶点顺序来避免因果问题,因此是一种非盲检测方法;Cayre和Macq[12]为三角形网格提出了一种高容量的盲数据隐藏算法;Bors[13]以顶点到其1-ring邻域的相对位置作为嵌入基元。
总体而言,空间域方法的主要缺陷在于对几何和连接性攻击的鲁棒性相对较弱,易引起扭曲变形。盲水印嵌入和提取过程中数据的同步问题一直是一个难题。然而,空间域方法在高容量嵌入和恶意攻击的定位能力上具有优势。
1.3.2 变换域方法
变换域方法采用将三维模型转换到某种变换域,调整基函数的相关系数以达到嵌入水印的目的,主要包括基于拉普拉斯基函数的方法[2,14]、基于径向基函数的方法[15]、基于小波的方法[3]、基于流形谐波的方法等。
Ohbuchi等[2,14]将基于拉普拉斯变换的谱分析方法应用到三维模型水印技术上,提出了非盲的水印方法。该方法对于相似变换、平滑、噪声攻击均具有较好的鲁棒性,但对于改变拓扑结构的攻击非常敏感,并且随着网格复杂性加大,计算时间急剧增加;Wu等[15]利用几何信息构建径向基函数来嵌入水印,该算法节省了大量计算时间,但鲁棒性较差;Kim等[3]提出了一种基于小波分析的盲水印算法,该算法对低分辨率系数采用统计特征,并直接从空间域进行水印提取,对于各类攻击具有较好的鲁棒性;Ines等[16]提出了一种混合水印/压缩系统,在离散小波变换域将水印与压缩结合起来,使水印具有更强的应对压缩攻击的鲁棒性,同时保证了较低的扭曲变形;Chen等[17]进行了归一化、顶点聚类和离散小波变换的组合运用,嵌入水印的不可感知性和安全性较强,完全免疫于仿射变换攻击,对剪切和平滑攻击也具有较强的鲁棒性。
总体而言,变换域方法最大的缺陷是计算复杂度高,而且在提取水印时难以做到盲检测,或需要进行大量预处理(重匹配或重网格化)才可以进行盲检测。但在变换域中嵌入的水印,不可感知性和安全性较强,对某些攻击的鲁棒性也较强。
1.4 三维模型水印技术评价标准
三维模型水印的评价主要涉及水印的嵌入容量、感知性、鲁棒性3个方面,而这些评价并没有统一标准,这在一定程度上阻碍了三维模型水印技术的发展。当然以上3个指标往往是矛盾的。比如水印嵌入强度增加时会带来较好的鲁棒性,但会导致模型扭曲增加;当冗余地嵌入水印时,鲁棒性将大大增加,但不可避免地会降低嵌入容量。因此在评价一种水印算法时,需要关注其具体应用场合对不同性能的要求。为了能够对水印算法进行公平的比较,MeshBenchmark[18]中给出了标准的测试数据集,并提供了常见攻击的工具。 除此之外,一些水印算法也会从ROC曲线、计算复杂度、算法收敛性等方面作进一步评价。
1.4.1 嵌入容量评价
嵌入容量一般用嵌入到三维模型中的水印比特数来描述,往往不会作为一个单独指标来评判三维水印,通常情况下是考虑在不同嵌入容量下水印提取的鲁棒性程度以及水印后的感知性程度。
1.4.2 感知性评价
早期的三维水印算法对于感知性的评价,仅仅是给出水印前后的三维模型效果图,通过肉眼观察其变形程度,并没有客观的评价标准。随着三维水印技术的发展,开始讨论不同的客观评价标准,如采用水印前后的三维模型的欧氏距离、Hausdorff距离、Metro测量方法[11]评判水印模型的几何扭曲程度。近年来,相关研究表明,Hausdorff及Metro测量虽然可以较好地反映水印后的几何变化,但有时并不能有效反映水印后模型结构的视觉变化效果。因此,后来涌现了很多通过感知评价标准MSDM进行水印模型视觉感知性评价的方法。
1.4.3 鲁棒性评价
度量鲁棒性最简单的方法是假设具有高检测值的水印比低检测值的水印更具有鲁棒性,使检测统计量本身成了鲁棒性的度量尺度。因此,在评判三维水印的鲁棒性时,通常是对已嵌入水印的三维模型进行模拟攻击,然后通过位错误率BER或相关性Corr来评判其检测到水印的程度。根据三维模型的用途不同,所能抵御的攻击类型和程度也不同,但大多数水印都能抵御一定程度的常见攻击,包括相似变换、随机噪声、平滑、简化、量化、重采样等。位错误率BER指遭受某种攻击后检测出水印中错误的比特数除以嵌入水印的总比特数,一般认为BER大于0.5即可认定检测不到相关水印信息。也有人通过检测提取水印和嵌入水印之间的相关性作为遭受攻击时鲁棒性的评价标准,相关性定义如下:
其中wn为嵌入的n比特水印,w″n为提取到的n比特水印,为嵌入水印的均值,为提取水印的均值,相关系数Corr在范围[-1,1]内。通常会设定一个阈值,如果相关系数大于给定阈值,则可认为原始水印与提取水印具有相关性,即嵌入的水印在遭受攻击后仍然存在于模型中。
1.4.4 ROC曲线分析
在水印系统中引入ROC曲线,可以直观反映水印检测的灵敏度和特异性以及虚警概率和漏警概率之间的关系。ROC曲线的纵坐标定义为漏警率,横坐标定义为虚警率。水印在遭受攻击后的ROC曲线也可以描述水印对攻击的抵御能力。理想的ROC曲线应尽可能逼近左下角,这时虚警率和漏警率都较低。
1.4.5 算法计算复杂度和收敛性分析
水印算法的计算复杂度通常通过时间复杂度或执行时间进行分析与对比,收敛性则通过迭代次数或设定终止条件来确保算法收敛,并在此条件下对比算法性能的优劣。
2 结语
三维模型水印技术已经取得了一定成果,但还有许多方面问题需要完善和解决。根据水印嵌入方式的不同,三维模型水印算法大致可以分为空间域嵌入算法和变换域嵌入算法。空间域水印嵌入算法直接在原始网格中调整网格几何、拓扑和其它属性的参数嵌入水印;变换域水印嵌入算法在变换域中修改系数嵌入水印。一般而言,空间域算法简单、易于执行、效率高并且嵌入容量较大,然而由于顶点坐标或连接性的改变,对随机噪声、简化和细分攻击较为敏感,并且易于引起视觉扭曲。变换域方法引起的视觉扭曲程度较低,对于空间域的攻击鲁棒性较好,然而其计算复杂度较高,并且对于剪切攻击和拓扑结构改变的一些攻击较为敏感。
【关键词】数据采集；数字地面模型；选线；平面图；三维模型
Application of three-dimensional model of highway route
Tang Guo-cai
（Chang'an University Xi'an Shanxi 710064）
【Abstract】China's vast territory， geological complexity， the traditional line selection method has great limitations， can not be efficient large-scale multi-scheme comparison demonstration， how to choose a technically feasible and economically reasonable route in our complex terrain environment， become Highway Survey designers challenges ahead. Thus， the three-dimensional modeling techniques highway route emerged. This paper introduces the characteristics of the data collection techniques， data collection methods， the introduction of digital terrestrial model between the field survey and design from the link connection within the industry， the role of， and along the river （creek） lines as an example， specifically describes the selected line application and effect of the digital terrain model.
【Key words】Data collection；Digital terrain model；Select lines；Plan；Three-dimensional model
1. 研究意义
公路选线作为公路建设的基础工作，是根据实际地形、地质条件，并结合经济技术及环保等方面的特定要求，有机布设在地面上的一个重要过程。从路线基本走向的确定到路线方案选择和具体定线，所考虑因素的侧重点各不相同，在各种因素综合作用下要选定出一条最佳路线，技术上是非常复杂且困难的。并且伴随着我国公路事业的快速发展，公路的设计已经不再仅仅局限于几何设计与结构设计，更加强调公路三维空间的整体设计，同时也更加注重公路的整体布置以及公路与环境的协调性、美观性。三维透视图相比二维图来说，更为一目了然，也更让人容易理解。三维数字地面模型技术在公路选线中的应用可以明显提高选线效率，增强方案比较的直观效果，有助于对路线方案进行大范围多方案的比选论证。
2. 数字地面模型
2.1 数字地面模型概念。
（1）数字地面模型（Digital Terrain Model，DTM，简称数模），是指地形表面形态等多种信息的数字表示，是按照一定的结构而组织在一起的数据组，是对带有空间位分布的地形属性特征的数字的描述，通常空间分布是用一个平面坐标系统来表示，而地形属性特征是各个平面位置（X，Y）上地面点的高程，它是地形起伏的数字表达，是建立不同层次的地理信息系统不可缺少的组成部分 。
（2）数字地面模型不完全等同于数字高程模型（DEM），地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等，数字高程模型是某一范围内依一定规则选取的格网点的平面坐标及其高程的数据集，显然，当数字地面模型中z值为高程属性时，DTM就是DEM，而DEM是建立DTM的基础数据。
2.2 数字地面模型组成。
数字地面模型一般由三部分组成 ：
（1）使用离散的形式将某区域的采样点信息，按一定的规则存储于计算机当中，使之形成有限项的一个向量序列。一般使用x与y来表示平面坐标系，用z来表示高程点，各种平面的地理信息使用编码或者分层的方式进行表示。
（2）通过数学方法来拟合的地表形态，可以求出此区域中任何一个平面位置的点高程，或者推算出其他的地面特征，比如坡向、坡度等。
（3）使用功能程序块来进行坐标系的转换工作。
数模可使用于公路设计中的每个阶段。设计者利用数模进行路线方案比选，只需输入少量设计参数，计算机按照编好的程序自动完成设计和分析比较工作，输出比较结果。设计者可方便地对方案进行比较，选择较优方案，而不需重测。
3. 公路三维建模程序
3.1 公路三维建模程序的基本内容。
公路是若干带状空间结构相互联结并置于三维地表之上的空间结构。公路线形是公路的平面、纵断面和横断面三者合一的立体线形，最终映入驾驶员眼睛的是公路平纵横配合后的三维带状实体。根据各构造物的设计计算方法和结构特点，可以把公路三维建模分成公路建模、交通设施建模、桥梁建模和辅助建模四个模块。endprint
（1）公路建模：可以创建路基、路面、边坡、边沟等物体的三维模型。
（2）交通设施建模：用于创建护栏、标志牌、轮廓标、路面标线等交通设施的三维建模。
（3）桥梁建模：用于创建桥头锥坡、下部构造、上部构造等三维模型。
（4）辅助建模：提供视图和空间视角视察、模型交互式编辑、信息查询、透视图图纸、摄像机路径生成、数据文件检查等辅助功能 。
3.2 公路三维建模程序的基本功能。
为了能较好地完成公路三维模型的建立，系统应具备以下的主要功能。
（1）根据公路的平纵横设计数据建立公路的三维模型。
系统能根据平纵横数据进行计算，建立其三维模型。为设计者提供一个直观的公路的形象。
（2）根据地形数据建立公路周围的带状三维地形模型。
建立公路周围的带状三维地形模型需要有地形资料，如果有该公路的带状数字地面模型数据，那么系统直接根据这些资料生成带状三维地形模型。如果没有数字地面模型数据，系统应提供从地形图上采取数模数据的工具，这样基本上可以模拟出公路周围的三维地形。
（3）进行公路三维模型与地形模型的叠加消隐。
4. 三维数模在山区公路的应用
（1）使用三维地面模型来进行公路设计的程序流程，和常规设计的基本相同，依然是先进行平面的定线，进而截取纵横地面线，再进行纵断面的设计以及横断面的计算，随后调入结构物并且计算工程量，然后建立起路线与地面的三维模型，最后进行三维的动画演示，它的重心是提取出纵横地面线与三维公路的真实模型 。
（2）平面的设计完成之后，将按照一定的间距及其平曲线的特征点来形成桩号文件，首先打开原先所建立起的数模，点取纵面以及横面的插值，软件会自动的沿着路线的中线方向及其桩号的垂直中线，对数模进行切割，并且通过插值的计算准确计算出来每个点在数模上的投影的高程值，遂自动的生成纵断的地面线以及横断的地面线文件，不过路线的坐标须和数模的坐标要保持相同。纵断插值的时候，可以同时按照所指定地形的变化率来提取出地形的变化点的桩号与高程，依据需要也可以同时提取出路面的左右边线所对应出来的地面高程插值。横断地面线要按照纵断地面线的桩号来进行取值。使用三维数模和一些相关三维动画程序，可以把公路建成之后的运营效果提前展现出来，轻松方便的制作出来公路的三维动画模型，如图1、图2所示。
（3）通过地形图对比分析，三维图形比平面图形更直观，更有利于设计人员对于地形图的了解，有利于整体把握，方便选线。同时，对于填挖方工程、构造物工程等有一个直观的展示，可以形成对路线的全面把握。这也是这次模型研究工作的体现。同时，构建的数字地面模型为实现三维选线做好数据准备。直观、精确、翔实的三维地形图为以后纸上定线提供了重要的数据资料和技术保障。
5. 结语
三维模型技术在公路选线中的应用为设计者提供具有真实感的三维视觉模型，便于找出各影响因素之间的联系，从而可对公路选线方案进行可视化分析和评价，择优汰劣。本让设计者在短时间内顺利完成工程项目路线的多方案设计，大大减少了初步设计时间，提高工作效率。该研究成果还可应用推广于公路工程、铁道工程等工程类专业方向。
参考文献
[1] 徐霄鹏. 公路工程测量[M].北京：人民交通出版社，2005.
[2] 张坤宜. 交通土木工程测量[M].武汉：武汉大学出版社，2010.
[3] 王福建. 公路工程三维建模技术[M].北京：人民交通出版社，2004.
[4] 秦建平. 公路工程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2011.
支架零件图如图15所示，下面将介绍支架零件在三维建模中是如何进行创建的。
图15 支架零件图图形分析支架零件图由主视图中可看出，它是由三个部分所组成，上面为夹头及夹紧装置构成；最下面是支架零件的安装座，其上有两个沉孔孔造型；中间为厚度6mm和8mm的T字形筋板构成，它是联接夹头与安装座的部分。综合以上分析，可采用以下方法进行创建。(1)分别绘制闭合图形；(2)将各闭合图形生成“面域”；(3)用“拉伸”命令将各闭合图形，按各部分尺寸的要求，只拉伸一半的值；(4)各孔可以轴线为中心绘制半个闭合图形后，生成面域。然后，利用“旋转”命令以中心线为放置轴旋转生成实体造型。(5)利用“求和”和“求差”命令，将物体合并为一个整体，完成支架零件的三维模型创建。 具体创建操作方法如下：1． 保存为支架零件的三维实体模型图。打开支架零件图，选择“文件”/“另存为”菜单命令，在打开的“圆形另存为”对话框中的名称栏内，重新命名如：图6-26-1的文件名，单击“确定”按钮，完成新文件的建立。2．保留相关图形。 关闭相关图层或者删除多余的线。 关闭除轮廓线图层以外的其它图层，或者删除除可见轮廓线以外的所有对象。结果如图16所示。 提示：只留下主视图。图16 需保留的图形部分 图17 绘制各自封闭图形3．修改图形。 将各部分按绘制独自地封闭图形为原则进行绘制。孔的部分只绘制以中心线为旋转轴线的一半封闭图形，删除直径为18mm、高度为3mm的线段，绘制的结果如图17所示。 提示：由图17所示，共绘制出各自封闭的图形9个，但因明确它们应创建支架实体的相关部位的实体。图18 创建拉伸实体4．生成面域。单击“绘图”工具条上的“面域”按钮，框选所有图形，回车后生成9个面域。 5．拉伸创建实体。单击“建模”工具条上的“拉伸”按钮，或者输入：EXT命令，选择图17中的图形1，拉伸值为41mm；选择图形3拉伸值为20mm；选择图形4拉伸值为4mm；选择图形5、图形6和图形8，拉伸值为25mm；选择图形9拉伸为13mm，拉伸后创建的实体如图18所示。 6．合并和切除实体。 单击“建模”工具条上的“差集”按钮，先选择大圆柱体，按回车键后，选择小圆柱体，回车生成孔造型，如图19所示，图19 创建孔造型 图20 创建切槽造型 7．合并实体。 单击“建模”工具条上的“并集”按钮，选择除图形2、图形7和实体9以外的所有实体，将它们合并为一个整体。8．求差生成通槽造型。单击“建模”工具条上的“差集”按钮，先选择合并物体，按回车键后，选择实体8，按回车键后生成切槽造型，如图20所示。9．创建旋转实体造型。 单击“建模”工具条上的“旋转”按钮，选择图形2，再选择图形的中心直线上的两个端点，按回车键创建的旋转实体如图21所示。图21 创建旋转实体 图22 创建沉孔造型10．移动旋转实体与求差生成沉孔造型。 按“M”键，选择旋转实体往右，距离为20mm，按回车键结束移动。再利用“差集”按钮，先选择合并的整体，按回车键后，再选择旋转实体，回车创建出沉孔造型如图22所示。11．镜像实体。 单击“修改”工具条上的“镜像”按钮，或者直接输入：MI命令，选择创建的实体，再选择实体中心的垂直边线上的两点，按回车键后，创建镜像物体如图23所示。图23实体镜像图24 合并实体12．合并实体。 用前述的方法，将镜像实体合并成一个整体，如图24所示。13．旋转实体。利用“旋转”命令，将图形7旋转生成实体。然后，用“差集”将其去除后，生成孔造型，如图25所示。图25 创建孔造型 图26 边圆角造型14．边圆角。 单击“修改”工具条上的“圆角”按钮，或者直接输入：F命令，设置圆角半径为13mm，选择夹紧装置的4条垂直边，进行倒圆角如果如图26所示。15．新建一个用户坐标系。 在命令行中输入：UCS 按回车键，再输入：N 新建用户坐标系，再按回车键，输入：3 即用3点确定坐标原点。用鼠标捕孔的中心点，将坐标原点设置在圆心处，如图27所示。图27 建立用户坐标系 坐标原点图28 绘制二个同心圆16．绘制二个圆。 单击“绘图”工具条上“圆”按钮，或者直接输入：C，回车后，用鼠标单击坐标原点，输入：半径为9mm，用同样的方法，在绘制一个半径为5．5mm的同心圆。 17，拉伸圆生成圆柱凸台。 输入拉伸距离为：3 mm，选择二个圆向上拉伸。然后，用大圆柱体减去小圆柱体。再将圆柱与整体合并。结果如图28所示。图28 创建圆柱体 图29 创建支架零件的三维模型18．倒圆角。 选择圆柱凸台与放置面间的交线、6mm厚的筋板、8mm的筋板垂直边圆角均为3mm。创建的支架零件的三维模型，如图29所示。效果预览：建模步骤：第一步、绘制正八边形，内接圆半径为50，如下图所示，
UG建模实例小教程-雨伞的三维模型
在布置车间前，应该先作个规划，比如说设备有多少，车间多大，主要有哪些管道，有哪些楼梯，阶梯结构件等。
假设我们这个车间有:
一个卧式贮罐，并配上离心泵，管道主要有2个，一个是自来水管道，一个物料管道。
车间长为6m，宽为4.5m。
首先我们就是要绘制一个三维的车间。在刚才新建的项目处，点击Plant 3D图形：
右键点击 Plant 3D图形，点新建图形
图形名改为车间.dwg。
点完成后就打开了三维图形建模工作区：
工作区的各部分名称如下：
(有时间自己常看看帮助是很有用处的。)
在创建三维模型之前，最好要对ViewCube比较熟悉，这个是用来调整视图位置及观察角度的，很直观，自己可以多练习练习，
其次三维绘图要对坐标系的变换非常熟练 ,即熟练掌握UCS的使用。系统有2个坐标系一个是世界坐标系WCS,一个是用户自己的坐标系UCS。更常用的是UCS。这里假设大家对此已很熟悉，在此不再详述。(有可能的话最后章节补充说明)。
AutoCAD2011及AutoCAD的革命性变化是采用了参数化设计，本教程也使用参数化设计来讲解。
在菜单上找到建模--绘图，选择矩形，在工作空间任意绘制一个矩形,再用偏移命令偏移出一个厚度来
绘制完的图形如下：
接下来进行参数设计，将长设为6m,宽设为4.5m,厚度设为350mm,层高为5m。
点击工作区右下角的切换工作空间按钮(如下图)
将工作空间切换成二维草图与注释：
在菜单栏上找到参数化，进行参数化设计，用到的是尺寸约束(线性标注和对齐标注),同时还要进行几何约束(就是该平行的平行，垂直的垂直全部约束好)。
约束完成的图形如下：
1 数字解剖模型的发展现状
1.1 国际数字解剖技术研究
美国的数字化虚拟人体研究起自上世纪80年代, 1989年美国国立医学图书馆开始酝酿建立一个医学图像库[1], 以提供生物医学文献的图像检索系统, 这项随之由Colorado大学健康科学中心承担的人体断面图像获取工作被称为“可视人计划”。
1999年10月, 美国启动橡树岭计划, 至2001年美国已经建立“数字化人体”, 包含VHP数据集和辅助数据集、虚拟人体的解剖层次、疾病和综合症的临床信息基础、相关的医学知识以及不断扩展的工具和产品。
韩国Ajou university (亚洲大学) 和韩国科技信息研究所承担称为“可视韩国人“ (Visible Korean Human) 的项目[2], 并于2000年完成第一例男性标本切割, 切片间距0.12mm, 共有8590个断面, 数据量15317GB。
日本2001年启动了为期10年的人体测量国家数据库建造计划。目前日本京华医科大学利用CT和MR I影像技术建造了“日本可视人”[3]。
1.2 国内数字解剖技术研究
2001年11月, 我国科技专家在第174次香山科学会议上集中研讨了“中国数字化虚拟人体”课题。2002年6月, 在863计划资助下, 我国科学家提议国家正式立项“数字化虚拟人体”研究项目“虚拟中国人计划”。
2 应用于三维解剖模型上的建模技术分析
制作虚拟人所用到的技术手段国内外基本一致, 归纳起来分为如下三种:
2.1 基于二维图像的三维模型构建技术
此技术发源于1970年前后, 在1980年随着计算机科技的发展有了较大的飞跃。2000年左右。这种建模方式又可以细分为: (1) 轮廓法, 由Martin, Laurentini提出并完善[4]。 (2) 运动法, 也被称为基于运动的建模, Tomasi等人提出。 (3) 明暗法, 也被称为基于运动的建模, 最早由Horn提出。
从效率上说这种基于二维图形的三维建模技术是最方便也最节省成本的方式。目前已经向商业应用领域开放。
2.2 数字三维扫描技术
三维扫描技术又可分为, 用于建筑物的大型场景、文物修复的台式扫描仪和用于医疗的CT成像。数字三维扫描在保护和修复文物、影视制作、虚拟现实中较为常见。
在文物修复方面, 2 0 0 0年台北故宫博物院的C h i a-M i n g Cheng等人对台北故宫文物“翠玉白菜”进行扫描处理, 得到点云数据[5]。
2.3 互动式人工建模
互动式人工建模是指应用计算机自动成像技术, 配合手动修改模型。该技术能有效地修正模型上点云的分布, 使之在人为干预下可控, 节省计算机资源。历史上大规模运用人工建模是计算机技术和影视美术相结合的1980年。由于在影视动画中应用的模型与用于博物馆文物还原、文化遗产保护的三维模型不同。它需要模型具有动画性、近距离观赏性。
3 结语和讨论
作为一款“科普性的”、“直观的”、“易操作的”软件其实并不需要做到医疗上的精确。当然, 医疗上的精确很有必要, 其代价是前期制作时需要耗费大量的人力、财力, 而后期制作完成的数据包也大的惊人。为了收回制作成本, 只能提高价格, 便产生恶性循环。如果换一种思路, 从技术角度上减低制作成本, 考虑到大众对于数字解剖软件的需求程度, 用更为省力的方法构建数字化解剖模型, 先舍去一部分精度换成提升制作效率的情况下, 我国的数字解剖产品将会有一个更加良好的发展前景。
参考文献
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[3]钟世镇等.数字化虚拟人体数据获取的现状和对策[J].第一军医大学学报, 2003, 23 (6) .
[4]Martin W N, Aggarwal J K.Volumetric description of objects from multiple views[J], IEEE Trans on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1983, 5.
关键词：三维模型；数据库；状态管理
中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）9-0043-01
数据库模型管理在某种程度上来说是对整个工程项目的把控起到至关重要的作用。从以往的工程来看，三维模型都会出现由于各种主观和客观原因协调不到位，导致与实际项目环境不符，直接影响后期加工安装制作等问题。
1 三维模型设计现状分析
海上平台引入三维模型设计系统管理，发展的现状从客观来看，由于设计周期短，设备参数未及时到位等重要因素影响三维模型的设计；从主观上来看，一个平台，各专业种类繁多，各专业之间和专业内部不是所有的问题都能及时反馈、协调和调整，导致后期数据库和模型布置等修改量比较大；另外，设计人员的技术水平不同也是主观因素的一部分。就项目而言，从整个项目周期来看项目部反馈的意见，分析得出多数的问题都是由于主观原因造成的。当然，无可否认的是，在项目前期，客观占主导因素，但客观因素影响非主要因素，主要是主观因素。
1.1 详细设计
平台三维模型设计主要在项目的详细设计阶段，经过30%审查（所有设备和管线需要建立模型和完成大概的布置）、60%审查（所有设备模型参数和管线布置接口需要准确）、90%审查（所有设备模型参数和管线布置需要最优化）后，方可提交给下一阶段，即加工设计阶段。在详细设计阶段期间，各专业和专业内部交叉影响比较大。
①首先，各专业之间在同时段输入模型数据并完成布置，在设计流程中，专业之间的接口信息比较少，设计人员更多从自身专业出发，在模型数据修改和布置上都按照本专业系统要求完成。由于不了解其他专业的系统特点，可能考虑去修改外专业的模型数据。更多会忽略专业之间的接口信息。这种影响尤其在30%审查阶段比较突出；
②各专业之间在模型数据库上都有统一的权限，可以对任意模型进行修改和布置，一般来说，在30%～60%审查阶段比较少考虑其他专业的因素；
③在模型和数据库管理上，专业内部没有分权重比例，设计、校核、审核和批准都在同一个模型管理条件下进行。虽然模型和数据库控制自由度比较大，但也因此模型和数据库得不到有效管理；
④在详细设计阶段，从实际意义上来说并没有分状态，而且无法有效追踪到模型修改的作者、时间和日期。由于客观因素的影响，可能人为地修改模型和数据库，需要找到修改的原因和目的，并非易事。对于设计人员来说，随着工期推移，本身也未必记得当时修改内容。
1.2 加工设计
在完成详细设计后，进入加工设计阶段，此阶段与安装建造阶段同步。在加工设计阶段过程中，很多相关的模型在实际环境安装过程中，与图纸不符，原因可能忽略了一个就是安装偏差，另外一个是加工偏差。实际上，详细设计后期已根据模型大量出版相关设备清单和管线图纸，模型中并未考虑加工余量和安装偏差余量，在设计过程中，甚至模型之间的相对位移精度比较高，这也增加了加工设计的难度。
2 优化模型管理
研究一种模型管理方式——状态管理（MMSSTATUS），其實在PDMS上已有该属性，在这基础上加以二次开发，可以实现模型控制管理。当然，根据这个平台系统设计，这个属性只能控制在branch层以上，同理，在设备、结构、电气、仪表等专业上也只能管理控制相同层以上。同时，在不同专业领域和专业内部设置不同的模型数据库的修改和调用的权限声明。这样优化的特点：
①可以避免交叉专业的影响，不同专业不能修改本专业外模型数据库。涉及到外专业的交叉影响部分，需要跟外专业及时进行沟通，相互交叉影响的专业，适时修改和调整影响部分；
②专业内部在权限声明时，其实需要修改的内容已与上一级沟通协调。这样就可以避免因某个人主观意见去判断修改该影响部分；
③由于模型受到管理和控制的因素，在模型数据库更新时，只能由power user去更新相关的元件库。这样做的目的就可以把受影响部分，有条理有步骤地进行分专业进行调整和修改。
2.1 状态管理
在详细设计阶段，引入模型数据库状态管理，将状态（MMSSTATUS）管理分为如下说明等级：
①状态unset表示该模型没有任何属性输入或者模型滞留（不存在于PID）；
②状态15#表示该模型存在技术问题不能开展设计：blocked by technical problems；
③状态30#表示该模型初步完成详细设计和布置： design on progress；
④状态50#表示该模型虽然完成初步设计，但由于元件缺失导致不能发布：blocked delivery by missing catalogue；
⑤状态60#表示为详细设计完成、初步计算分析受力完成、属性完整、模型与PID一致：delivered to next step design；
⑥状态90#表示该模型具备出图条件，同时具备详细应力分析条件，可以进行加工设计：machining design；
⑦状态95#表示在加工设计阶段，充分考虑各种偏差，模型与实际不符：blocked by deviation。
注意：状态声明可以由最初的设计人员更新，但只能往高调整，往低调整只能是相关获得授权的人员；外专业不能修改和调整本专业的模型和数据库。
3 结 语
状态管理（实际上就是加强分层、分支管理）目前已在其他行业得到很好的应用，比如核电，火电等。海上平台设计在提高工程效率方面，首先应该从细节着手，对输入和输出的模型和数据库实时有效进行管理，减少主观因素对工程设计的影响；在客观方面，应建立起完整的数据库，对于不同项目都有相关的数据库可以调用；其次，在流程管理上，加以细化，特别是详细设计阶段，可以有效的管理和控制整个设计过程。
参考文献：
三维激光扫描在建筑物模型构建中的研究与实现
在数字城市建设中,作者提出了利用三维激光扫描获取的数据进行建筑物模型构建的`方法.在详细介绍三维激光扫描基本原理和总结建筑物几何建模方法的基础上,重点研究了三维激光扫描数据处理方法以及利用三维激光扫描数据进行建筑物特征点提取的方法和过程.对利用三维激光扫描数据进行建筑物模型构建工作中应注意的问题进行了说明.最后,作者利用一组三维激光扫描数据构建了一幢建筑物的几何模型,这为三维激光扫描在数字城市建设中的应用做了有益的探索.
作 者：李长春 薛华柱 徐克科 LI Chang-chun XUE Hua-zhu XU Ke-ke 作者单位：河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作,454003刊 名：河南理工大学学报(自然科学版) ISTIC英文刊名：JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)年，卷(期)：27(2)分类号：P208关键词：数字城市 模型构建 三维激光扫描
教学目标: 1.知识与技能：通过感知与实践，知道二维形象与三维造型的区别。能用基本的方法完成从二维形象到三维造型的设计，培养学生动手动脑的能力。
2.过程与方法：通过从二维到三维的设计过程中，进一步感受三维造型的特点。
3.情感、态度、价值观：在动手实践过程中，培养学生创新精神，提高观察能力和形象思维能力。
教学重点：学习从二维形象到三维造型的设计方法。教学难点：三维造型的设计。课 时：一课时
教学准备：课件，8cmX8cm的正方形纸张若干，剪刀，彩色卡纸若干 教学过程：
一、游戏导入
给出三角形、正方形，通过添画几笔的方式，将这些平面的二维图形变成三维的立体图形。体验从二维到三维的过程，激发学习热情。
二、结合课件，讲解二维与三维的区别及三维造型的特点： 1.课件展示平面黄色五角星与纸牌做的立体五角星，让学生观察讨论平面五角星与立体五角星最大的区别在哪里？为什么？
2.课件展示二维图形与三维造型，让学生感受二维与三维的区别。
二维形象平面形态 三维造型 立体形态
3.观察图例，总结三维造型的特点：（1）具有空间感和体积感
（2）随着视点的变化呈现出不同的视觉形象
三、结合课件，示范讲解从二维到三维设计的一般过程： 1.教师示范将平面纸变成半立体天鹅造型的过程，让学生感受从二维到三维变化的过程，激发学生兴趣。
2.学生实践：将一张8cmX8cm的正方形纸张，通过切割、划痕、折叠等方式，使其形成具有一定浮雕感的形态效果。
四、利用课件中的实例讲授从二维到三维设计的常用方法： 1.设计常用方法：解构重组、中心旋转、分割推拉、平面拼接 2.展示设计实例，让学生分辨这些作品运用了哪种设计方法？
3.课堂实践：学生以组为单位选择一种设计方法完成钥匙架的设计。
4.课件展示从二维到三维设计在生活中的广泛应用，激发学生创作灵感。
五、学生作业
学生以小组为单位，为校园设计一个环境雕塑或一件有使用价值的产品。作业要求：
1.明确运用一种设计方法。2.环境雕塑可以不是写实的。3.设计出的产品要有一定的实用性。教师巡回辅导，给有困难的组提出建议。
六、作品展示
评选出“最佳作品”，并请设计者介绍自己的设计方法。
关键词：三维人脸模型；全视角人脸纹理；轮廓变换；分区域差值；图像拼接
中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 01-0000-02
Overview of the 3D Face Modeling Method Based on Deformation Model
Wang Weiyi,Wang Hongyong
(Henan University of Technology,Zhengzhou450001,China)
Abstract:This paper presents an improved sub-regional difference algorithm can effectively shorten the conversion time of the outline of the general face model.Image stitching algorithm,using the new weighting factor,so that the overlap region for a smooth transition,and the jump in brightness.Full view face texture generation process,make more realistic face texture.The experiments show that these improvements make the 3D face reconstruction in terms of time and reality have significantly improved.
Keywords:3D face model;Full view face texture;Contourlet transform;Sub-regional difference;Image mosaic
人脸是人类情感表达和交流的最重要、最直接的载体。通过人脸可以推断出一个人的种族、地位、甚至身份、地位等信息；人们还能够通过人脸丰富而复杂的细小变化，得到对方的个性和情绪状态。人脸在人与人的交流中不但能表示友好、敌对、赞同和反对等语气上的信息，甚至可以对话语、语言等语义上的信息进行说明和补充。从古到今，各类艺术创作者一直使用神态各异的人物来表达自己的思想、展现故事的情节。尤其在电影创作中，往往演员的一个眼神就能够将人物的内心展现无遗。正因为人脸在人的情感表达中扮演着重要的角色，人们很早就意识到人脸的重要性。长期以来，科学界从计算机图形学、图像处理、计算机视觉、人类学等多个学科对人脸进行研究。在这些领域中，人脸的生成和模拟一直是难点和热点。
一、基于形变模型的三维人脸重建的一般步骤
基于形变模型的三维人脸重建过程，可分为两个步骤：首先是建立模型，其中包括获取原始人脸数据作为模型的基础数据、对原始人脸数据建立像素级的对应，最后建立三维人脸参数表示模型；其次是模型匹配，针对给定人脸图像，使用模型进行匹配，通过不断调整模型参数来实现三维人脸的自动重建。如图1所示是形变模型的人脸重建过程。首先，使用三维扫描仪获取三维人脸数据，并进行规格化处理，形成三维人脸数据库。然后，通过三维人脸数据库进行计算，得到三维形变模型方法所使用的特征脸数据，在通过形变模型的方法，将二维图像与三维模型进行匹配，得到最终的三维人脸
图1 重建过程
二、形变模型的获取
本文提到的理论与实验所基于的三维人脸数据库，是基于一个大规模三维人脸数据库所建立的。三维人脸数据库当中的数据使用CyberWare扫描仪进行获取，其中的人脸数据的包括人脸几何信息和RGB纹路信息，目前共到达2000多人的三维人脸数据。这些人脸数据均使用网格重采样方法建立了像素级对应，即表示为统一的向量形式，即模型中所有表示人脸的向量，其像素点的数据一致，三角网格的结构也一致。在这里，我们从人脸数据库中挑选了有代表性的200个三维人脸数据（男女青年各100）作为模型基础数据来建立形变模型。从形变模型的基本思想来看，如果用 和 来表示原型人脸中的像素和纹理，则通过它们的线性组合，可以产生新的人脸向量： 。其中 ， 是原型人脸的组合系数，且 ， 。最终获取形变模型，如图2所示。
图2 形变模型图3 重建结果
三、形变模型匹配
形变模型的匹配过程实际上就是针对特定人脸图像的三维人脸重建过程。对于给定的二维人脸图像要进行三维重建，实际上就是要调节模型的线性组合系数，使模型三维人脸在相同视点的图像与给定人脸图像的误差最小。如果使用图像对应像素点的灰度差的平方和作为两图像的误差，则要求模型组合参数使得下式最小：
（3-1）
其中 是给定人脸图像， 是三维模型人脸在某视点观察得到的人脸图像，由光照模型和摄像机模型来决定。接下来，还要确定光照模型，考虑到计算的复杂性和图像耳朵实际效果，这里采用Phong光照模型，此时模型图像 在点（x，y）的颜色值有下面形式：
（3-2）
其中： （3-3）
这里 、 是环境光和直射光的强度， 是镜面反射系数，L、N、F、V分别是点（X、Y、Z）处的入射方向、法向、反射方向和视方向，n是表面光滑系数。 ， 的计算类似。有了三维人脸模型的图像表示形式，则（2-4）式中的误差可以看作关于摄像机参数和光照参数（一起用 表示），以及模型组合参数 ， 的函数，记为 ，从而使用问题就变成了对函数 的最小优化问题。
四、实验结果与应用
输入的正侧面图片和一般人脸模型，经图1的流程处理，最终获得具有纹理的三维人脸模型。如图3所示。由于一般人脸模型中的非特征点数量庞大，所以如果能缩短非特征点从一般人脸模型到特定人脸模型映射的时间，则系统重建效率就能提高。本文使用改进的分区域差值算法，对非特征点进行变换，缩短了一般人脸模型的轮廓变换时间。而且本文采用了新的全视角人脸纹理生成流程，提高了三维人脸的逼真性。表1显示了本文方法与其他相关文献方法的重建时间比较。
表1 重建时间比较
本文研究的三维人脸模型重建，是生成具有丰富真实表情的三维人脸的基础。例如：FACS(基于面部运动编码系统)等系统。该类系统能控制三维人脸模型上相关特征点的运动，从而使三维人脸具有丰富的人脸表情（喜、怒、哀、乐）。
五、结束语
本文研究了基于形变模型的三维人脸重建，并且在目前的算法上提出三点改进。
1.在基于分区域差值算法中，我们采用欧式距离最短的准则，来确定与某个非特征点最相近的两个特征点。对一般人脸模型中的非特征点进行坐标变换，缩短了一般人脸模型轮廓变换的时间。
2.在图像拼接算法中，采用新的加权因子，使重叠区域能非常平稳的过渡，并且不会出现亮度跃变现象。
3.使用了新的全视角人脸纹理生成流程。首先采用改进的图像拼接算法，拼接一幅完整的人脸纹理。然后使用拉普拉斯塔形分解对人脸纹理图像进行二次融合，并最终得到全视角人脸纹理。
参考文献：
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