虚拟现实技术下三维仿生图像特征增强研究

李放

摘要：计算机图形学属于虚拟现实技术的一种，也是虚拟现实技术中最热门的应用之一，被广泛地应用在军事、医疗、娱乐及建筑等各大领域，发挥着至关重要的作用，虚拟图像技术下的三维仿生图像主要通过三维建模来完成。随着国民对日常生活水平的要求越来越高，对虚拟现实技术下的三维仿生图像的要求也逐步提高。针对目前虚拟现实技术的研究现状和虚拟现实技术下三维仿生图像技术，提出了基于虚拟现实技术下三维仿生图像的特征增强研究方案。

关键词：仿生图像；虚拟技术；图像；特征；增强

中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1008-1739（2018）03-67-3

Research on Feature Enhancement of 3D Bionic Image Based on Virtual Reality Technology

LI Fang

（Department of Digital Arts， Dalian Neusoft University of Information， Dalian Liaoning 116000， China）

0引言

随着我国虚拟现实技术水平的不断上升，该技术成为各大领域争抢的热门技术之一。虚拟现实（VR）技术的核心技术是虚拟图像的三维建模技术[1-2]，三维建模技术又包括三维视觉建模和三维听觉建模。目前，我国应用较为广泛的是三维视觉建模技术[3-4]，可以通过计算机技术将虚拟图像以三维建模方式生动形象地呈现在人们面前，给人以身临其境的感觉，这一技术被广泛地应用在了我国建筑、军事和娱乐领域中[5]。目前我国虚拟现实技术依然存在着诸多不足之处，例如，图像仿真度及图像特征不清晰。本文针对这一现状，对目前虚拟现实技术的现状进行了分析，并对其三维仿生图像建模方式进行研究，最终提出基于目前虚拟现实技术下的三维仿生图像特征增强方案。

1虚拟现实技术

虚拟现实技术主要是指利用计算机建设的虚拟人工媒体空间，该空间中所呈现的所有图像均为虚拟形态，但同时又给人一定的真实感，通过多媒体的传感交互设备，将虚拟空间中的图像以三维的形式呈现在人们面前，给人以身临其境的感觉。人工媒体空间是通过计算机技术而形成的一种多媒体环境，既可以是对现实世界的一种模拟，也可以是对虚拟世界的一种构想。因此，在我国建筑、娱乐、军事及医疗等方面均得到了广泛应用。

虚拟现实技术主要具有真实性、交互性和虚拟构想性3个显著的特征。①真实性：通过计算机的图像技术和三维建模技术相结合，将虚拟空间中的图像以三维、立体的形式呈现在人们眼前，给人以身临其境的感觉，仿佛置身于该场景中；②交互性：通过使用虚拟交互设备，来实现使用者与虚拟世界的交互，进行互动操作，主要体现在日常应用的体感游戏和VR体验中；③虚拟构想性：虚拟世界的建立主要是根据人们对于虚拟世界的要求和构想，最终通过计算机技术将该构想以虚拟的方式呈现出来。因此，虚拟现实技术的这一特征被广泛地应用在国的军事模拟和军事航海领域中。

2三维仿生图像特征增强研究

2.1图像变换增强

图像变换增强是计算机图形学研究的主要内容之一，可以将简单图形复杂化，从而增强所要模拟的图像特征，对部分特征进行细节化。在虚拟现实技术下，图像变换技术可以将所需模拟图像的局部进行变换，使其复杂化的同时，增强其细节特征性的描述。图像变换技术的核心内容是窗口视区变换，一般来说屏幕区域是窗口输出图形的最大区域，也是一个有限的整数区域。假如输出屏幕的显示器上有1 026×1 026个可編地址显示像素，那么屏幕上的区域大小可以定义为DC=[0：1023]×[0：1023]，在这个区间内，任何不大于该区间的视图区都可以成为屏幕区域。图像变换技术可以将任意窗口区域的图形复杂化，之后嵌套进视图区域，形成新的图形，为了将所有窗口区域的图形全部显示在视图区域上，需要找到变换后的窗口区域和视图区域间的映射关系。设窗口区域的左上角坐标点为1和2，右下角坐标为3和4，该视图区2个角点的坐标分别为1、2和3、4，那么窗口区域的中心点（，）与视图区域的中心点（，）存在如下关系：

可以看出，想要将窗口图像放大并细节化后变换到视口图像，可以按照以下顺序依次进行：①以窗口区域点（1，3）为中心，进行缩放变换，将窗口区域图像的大小转变为视口区域图像的大小；②将转变后的窗口区域图像移动到屏幕区域，图像转变时的缩放因子应保持固定的比例，保证图像不会被横向或竖向拉伸，改变其原有形状。

2.2三维仿生图像建模能力增强

三维仿生图像建模是图像生成技术中的基础，包括几何建模、物理建模和对象行为建模3个大类。

②物理建模方法的核心技术是分型建模技术，该技术是根据模拟对象的特征进行数据收集，取相近的形状拼接组合，最终形成模型。该技术操作简单，但是计算量大，不利于模拟实时性虚拟对象。因此，该技术大多应用于静态远景的建模和具有实时性的物体，为了构造一个逼真的虚拟环境，需要对环境中的物体赋予生命力。

③对象行为建模主要是根据模拟对象的自身特征以及运动特征来进行动作建模，赋予模型呼吸、奔跑和行走的能力。不仅需要考虑到模拟对象的自身特征，同时还要考虑到虚拟环境的特征，将二者结合起来构建出真实逼真的虚拟环境。因此，对象行为建模是整个三维仿生建模技术中最为关键的步骤，需要结合力学、数学、地质学及计算机图形学等各个领域的研究成果。

2.3三维仿生图像真实感增强

三维仿生图像真实感增强可以使三维图像具有色彩、阴影、纹理和层次的一种图像生成技术，可以使图像富有照片一样的真实感，同时又能通过纹理和阴影的处理，从而突出图像特征，增强局部特征显示。

真实感图像技术主要包括消隐技术、光感技术和纹理技术3种图像处理方法：①消隐技术是一种对三维空间的非透明物体将观察者看不见的线或面进行消除的一种技术，可以在场景中消除看不见的物体或部分不需要的物体，从而提高空间物体的层次感，并且通过消除部分不重要的局部来突出图像特征，从而达到增强图像特征的目的；②光感技术是在图像生成过程中尽可能精确地模拟光源照射的物理效果，使空间图像具有像照片一样的光照效果和阴暗层次，同时通过光线的强暗处理来突出图像特征，从而增强图像的特征显示；③纹理技术是三维图像的细节生成技术，通过对图像表面纹理的处理，从而增加图像质感，通常纹理分为颜色纹理和几何纹理2种不同的类型：颜色纹理主要是通过在局部图像上增加带有描绘附加定义的花纹和图案，来增强图像局部效果，从而增强图像特征；几何纹理可以使图像表面产生凹凸不平的感觉，从而表达其微观几何特性，增强其图像的特征性。

2.4三维仿生图像特征增强

在虚拟现实环境中，想要达到图像逼真的效果就必须对仿生图像的特征进行模拟增强。因此，在进行图像变换后，还需要经过后期处理对变换后的图像进行完善，达到凸显图像特征的目的。针对目前虚拟现实技术和三维建模技术的研究现状，提出了以下几点增强三维仿生图像特征的方法。

（1）分割重组

分割重组法是将一个宏觀物体进行分割和重组。在分割过程中将该物体进行细节化，最终将细节化后的图形按照相应的顺序进行重组。在对物体进行拆分的过程中应尽量保证每次拆分时的回转面为柱体或椎体。因为相邻的2个拆分面之间若呈现不规则曲面，会大大地增大重组步骤的复杂度，导致图像绘制效率降低。因此，应该根据所需图像的特征要求，对该图像的主要特征进行多次拆分和细化，保证重组后的图像能够突出其特征。在拆分过程中，为了使这些切面以相近的多边形进行拟合，通常将其切分为16、32和48多边形来逼近一个曲面。而重组过程则是寻找切分后的图形中点、线和面之间的关系，将其切分后的定点依次相连，形成一个切面，再将切面与切面间依次相连，形成一个封闭性的主体结构，将该主体结构在三维模式下进行旋转，则可以得到细化后的三维图像，图形重组示意图如图1所示。

（2）纹理映射

在虚拟现实技术中，仿生图像的建模如果仅仅依靠体和面的结构是远远达不到真实度的要求的。因此，还需要对重组好的图像进行表面纹理反射处理。许多图像硬件都具有实时的纹理处理能力，可以将二维图像上的像素值加到三维图像的顶点上，从而提高图像的逼真度。

纹理映射法主要具有以下几个优点：①在一定程度上大大增加了图像画面的细节水平，以及景物图像的真实感；②由于纹理映射技术的实时性以及透视性，为图像建模及显示提供了良好的三维线索；③利用纹理映射法对图像进行处理，可以减少模型的多边形数目，从而提高了后期图像显示的刷新频率，减少了延时时间。

（3）面向对象

面向对象法是当今软件设计技术中一种新型的设计方法，传统的图像建模方法往往是利用现有的软件资源来尽可能地逼真模拟实体景物。该方法需要在图像绘制平台中编制多种程序语句来实现，所绘制的模型形成一个整体，导致模型不能被重复利用，仿生过程复杂。而面向对象法则是根据仿生对象的自身特征，将其特征构成一幅幅基本的图像单元，每个图像单元都是单独存在的实体。然后根据其模拟对象的特征来进行图形定义，例如模拟对象的轮廓位置、色彩、屏幕深度、显著标志、缩放比例及现实角度等。最后将定义后的图像放置于各个空间中，围绕模拟对象的起点、轨迹及光照位置等给予其环境特征，再通过消息驱动软件来获得该画面应有的仿真效果，从而逼真地完成图像的动态操作[6-7]，面向对象法图像组建过程如图2所示。

3结束语

本文结合了目前虚拟现实技术的发展现状提出了分割重组、纹理映射和面向对象3种增强图像特征的方法，并对这3种方法进行阐述和说明，通过模型和算法分析各自的优缺点，结合虚拟现实技术获得更逼真的仿真效果。虚拟现实技术下三维仿生图像特征的增强和细化不仅在一定程度上加快了我国虚拟现实技术的发展，同时也对我国医疗、军事及建筑等多个领域的发展起到了推动性作用。

参考文献

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[2]陈琳，李洁.基于虚拟现实技术的三维影像智能显示系统嵌入式设计[J].现代电子技术，2017，40（8）：100-102.

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[5]李朝新，张俊平，吴利青.虚拟现实技术支持下的GIS立体显示系统的设计与实现[J].测绘通报，2016（9）：119-122.

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[7]张懿，刘艺.基于FAST特征的快速图像拼接系统研究[J].计算机工程与应用，2016，52（10）：167-170.