基于二维建筑图形构建三维虚拟场景的设计与实现

论文摘要

在计算机技术、网络技术以及其周边相关技术快速发展的同时,信息的可视化技术研究也开始成为新的研究、应用方向,特别是基于虚拟现实的仿真技术（Virtual Reality,简称VR）日益成为国内外计算机学术界研究的热点。虚拟现实技术其实就是利用计算机技术来非常逼真地来模拟现实环境,并使用户在沉浸于虚拟环境中时能够达到身临其境的感受;同时,通过提供人机接口来达到用户和虚拟环境之间进行交互的效果。然而,传统的三维模型构建技术主要是采用手工操作的方式,不但耗时费力而且效率低下;而新发展起来的基于图像的三维模型重构技术目前还停留在理论算法的基础研究层面,还没有形成整体的解决方案。因此,如何将基础的理论成果转化成现实的生产力,或者说转化成为可以供人们直接使用的生产工具,就是本文研究和解决的问题。本文在研究三维模型重构算法的基础上,提出一套相对完整的解决方案,并实现了一个便于大众操作的利用图形界面与用户交互的三维模型重构系统（3D Re-Construction,3DRC）。该系统由四个主要模块组成:相机参数标定模块、三维算法计算模块、三维模型重构模块以及图像处理模块。首先,相机参数标定模块的功能是根据照片自动计算出相机的内部参数,把数码相机等拍摄的三维物体的照片作为输入,即可输出该相机相关参数;其次,三维算法计算模块的主要功能是根据照片中标定的三维物体的特征点二维数据,通过系统底层封装的三维模型重构算法计算出相应的三维信息,并保存为数据文件;再者,三维模型重构模块的主要功能是把需要重构的三维信息文件,重构出相应的物体的三维结构,并保存为模型代码文件;最后,图像处理模块主要是负责对三维模型的相关图像进行格式转换、贴图、整合等处理,最终形成能被场景系统识别的文件格式,构建出整个虚拟现实场景。本文提出的解决方案能够实现高度自动化地实现三维模型的重构工作,方便于普通用户进行三维模型重构操作。这不但提高了三维模型重构的效率,也对三维重构技术的发展起到一定的推动作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题的研究内容及难点
• 1.4 论文结构安排
• 第二章 相关的理论技术
• 2.1 三维模型重构算法以及重构流程
• 2.1.1 投影重构（Projective Reconstruction）算法
• 2.1.2 仿射重构（Affine Reconstruction）技术
• 2.1.3 欧几里德重构（Euclidean Reconstruction）理论
• 2.1.4 相机标定（Camera Calibration）
• 2.1.5 三维重构系统的整体流程
• 2.2 模型整合、加工与转换工具
• 2.2.1 Google SketchUp 概述
• 2.2.2 Autodesk 3D Studio max 软件概述
• 2.2.3 MAYA 软件概述
• 2.2.4 AutoCAD 软件概述
• 2.2.5 Cinema 4D 软件概述
• 2.2.6 模型设计软件的整合与转换
• 2.3 实时3D 环境虚拟实境编辑软件VIRTOOLS
• 2.4 XML 与VRML 概述
• 2.5 虚拟现实建模技术
• 2.6 小结
• 第三章 三维重构软件的设计
• 3.1 三维重构软件3DRC 的系统分析
• 3.1.1 需求分析
• 3.1.2 可行性分析
• 3.1.3 系统分析
• 3.2 概要设计
• 3.2.1 3DRC 系统架构
• 3.2.2 各主要功能模块作用
• 3.3 详细设计
• 3.3.1 相机标定功能模块
• 3.3.2 特征点提取功能模块
• 3.3.3 三维坐标计算模块
• 3.3.4 三维模型重构模块
• 3.3.5 计算器模块
• 3.4 软件实现与算法打包
• 3.4.1 MATLAB 函数打包
• 3.4.2 JAVA 调用MATLAB
• 3.5 数据文件的传输及保存流程
• 3.6 小结
• 第四章 三维虚拟建造场景的实现
• 4.1 系统实现流程
• 4.2 三维模型重构
• 4.2.1 相机定标
• 4.2.2 特征点提取
• 4.2.3 三维数据的计算
• 4.2.4 三维模型重构功能介绍
• 4.3 三维模型处理
• 4.4 模型文件格式的转换
• 4.5 地表结构的制作
• 4.6 标签的设计
• 4.7 整个场景的构建
• 4.8 本章小结
• 第五章 系统测试
• 5.1 测试内容
• 5.2 测试过程
• 5.3 测试结论
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献