三维数字技术

三维数字技术（共12篇）

三维数字技术 篇1

集成成像三维重构技术作为一种真三维重构技术, 成为当今三维成像与显示领域的重要研究方向[1]。然而, 传统的光学重构方法由于光学器件的限制很难获得高质量的重构效果, 而且现有的很多数字重构算法由于同名像点提取误差的存在难以达到理想的重构精度。为此展开集成成像三维数字重构技术的研究具有潜在的理论和应用价值[2]。在当今的成像与显示技术领域中, 传统的平面二维成像与显示技术由于只能展现二维信息, 已经不能满足人们对三维 (3D) 成像与显示的日益增长的需求[3]。三维成像与显示技术能够展现物体三个维度的信息, 比之二维成像与显示技术, 由于体现了物体深度方向上的信息, 能够提高人们的视觉感受, 使人们更加真实地感知物体, 在电视技术、军事、医疗、教育、等众多领域中都凸显出广阔的应用前景。另一方面, 液晶器件、高清晰度平板显示的制造工艺以及光栅、透镜等光学器件的加工工艺随着现代科学技术的发展而取得了不断的进步, 从而推动了三维成像与显示技术的飞速发展[4]。目前, 三维成像与显示技术已经成为成像显示领域的一个研究热点[5]。

集成成像技术除了在显示领域中应用广泛, 应用于数字重构、测量、机器视觉等领域也能起到良好的效果[6]。由于该技术通过对三维信息进行多视角获取获得元素图像阵列, 把景物的三维信息存储在这些平面二维图像之中, 因此经过一些光线追踪计算, 原三维景物可以被准确地重构出来, 实现基于多视角三维信息的三维数字重构以及三维测量, 使其在电视技术、军事、医疗、制造业等诸多领域中获得更为广泛的应用[7]。

1 统计重构法三维物体数字重构原理

对空间三维物体进行拍摄获取了元素图像阵列后, 需要对元素图像阵列进行重构计算, 从而重现景物。然而, 传统的三维物体集成成像重构算法很多都存在算法复杂的问题, 相对简单的重构算法又对元素图像阵列中各子元素图像中同名像点的坐标精度要求非常高, 应用起来都有较大缺陷[8]。针对以上问题, 将使用统计重构的方法对三维物体进行模型重构, 分析成像误差, 即各元素图像中像点坐标偏差对重构精度的影响, 发现统计重构方法对同名像点提取精度的鲁棒性很强[9]。最后以标准量块为样品, 选取4个角点作为特征点, 设计程序进行特征点的自动匹配, 并进行重构运算, 得到重构图像中特征点的精确坐标, 与标准值相比较验证重构精度[10]。

集成成像的记录过程如图1所示, 物方空间中1个3D物点O (x0, y0, z0) 经过p×q (重构空间点对应的元素图像点在第 (p, q) 个子元素图像范围) 密接记录透镜阵列D (m, n) (透镜阵列由m×n个子透镜) 记录成像后, 在元素图像阵列像面上可以得到p×q个同名像点R (m, n) 。

假设记录透镜阵列中第 (m, n) 个子透镜的空间坐标为D (m, n) (x, y, z) = (x D (m, n) , y D (m, n) , z D (m, n) ) , 它所对应的同名像点R (m, n) 的坐标为 (x R, y R, z R) , 子透镜D (1, 1) 的空间坐标为 (x (1, 1) , y (1, 1) , z (1, 1) ) , 记录透镜阵列中子透镜在x方向上的间隔为px, 在y方向上的间隔为py, 各子透镜z坐标相同。又假设记录透镜阵列中各子透镜的焦距均为f, z方向上坐标为z1, 则由高斯公式可计算出同名像点距离记录透镜阵列的距离g, 从而可以推得记录的物点O所对应的的每个同名像点R (m, n) 的空间坐标。反之, 在已知透镜阵列D (m, n) 和同名像点R (m, n) 的空间坐标的情况下, 可以利用光线追迹的方法, 反推出所记录物点O的空间坐标。

在各点坐标准确的条件下, 其中任何2个同名像点和它们所对应的记录子透镜中心的空间坐标都可以推算出待计算空间物点O, 原理是任意2个同名像点都和待计算空间物点O组成1个三角形, 而记录子透镜的中心各处于三角形的1条边上, 它们的连线与同名像点的连线平行, 由相似三角形关系容易推算出O的坐标。在记录透镜阵列和所记录的同名像点的坐标均无误差的理想情况下, 由p×q个同名像点计算得到的S个物点O (x, y, z) 应该是完全重合的。S可由公式计算得到:S= (p×q) × (p×q-1) /2, p和q为空间点对应的元素图像点。

但是, 实际情况是几乎不可能得到没有误差的坐标, 所以得到的S个结果是有一定差异的。考虑对上述O点坐标的S个重构结果进行统计分析, 可以认为S个结果中出现频率最高的那个结果为所计算物点O的空间坐标, 依次对原景物中每一个物点重复上述分析过程, 就可以得到该景物表面所有点的空间坐标, 从而实现了对景物的三维数字重构。

2 统计重构法标准量块三维数字重构

选用长度为100 mm的标准量块作为三维物体, 进行基于统计重构方法的三维数字重构的实验验证。实验使用精度为0.5μm的二维电动平台和彩色面阵电荷耦合元件 (CCD) 构建成记录相机阵列, CCD像素为1 024×768, CCD焦距为25 mm, 将标准量块放在CCD前方800 mm的位置, 采用10 mm×10 mm的扫描间隔, 进行10×10的逐个扫描, 实验装置如图2所示。扫描相机阵列记录的10×10元素图像阵列如图3所示, 将元素图像阵列导入计算机, 用MATLAB编程读入元素图像阵列, 研究自动匹配算法, 提取每个子元素图像中标准量块的4个角点作为特征点, 编写统计重构算法的程序对4个特征点进行统计重构, 得到三维重构结果。

其中自动匹配算法的编程思路和具体步骤如下:

1) 分别读入10×10个子元素图像, 由于物体较为简单, 将彩色图像对应的三维R, G, B (R代表红色, G代表绿色, B代表蓝色) 矩阵A转换成二维灰度矩阵C, 便于后续处理。

2) 将转换成的灰度矩阵C中每个像素点替换成该像素点灰度值与其上、下、左、右四邻域内的灰度值的差值的平方和, 形成新的矩阵B, 矩阵B中的像素点表示该点在其四邻域内灰度值的变化率。观察矩阵B可以发现, 背景集中或物体集中处矩阵B像素点的值较小, 背景和物体边界以及物体中灰度突变处矩阵B像素点的值较大 (基本全为255) , 边界处形成3~4行 (或3~4列) 的大像素点。这样, 矩阵B可以方便地展现出背景和物体边界以及物体中灰度突变的像素点。

3) 对矩阵B进行扫描, 在左上、右上、左下、右下4个方向分别进行扫描, 分别找到四邻域灰度变化率突增的4个提取的特征点。为了排除子元素图像中一些噪声的干扰, 寻找四邻域灰度变化率突增的点时, 根据所选物体的几何特征进行了进一步的条件设置:对左上方角点要求该点、该点正右方第20个像素点和该点正下方第20个像素点需同时大于250;对右上方角点要求该点、该点正左方第20个像素点和该点正下方第20个像素点需同时大于250;对左下方角点要求该点、该点正右方第20个像素点和该点正上方第20个像素点需同时大于250, 对右下方角点要求该点、该点正左方第20个像素点和该点正上方第20个像素点需同时大于250。经过该设置条件, 自动匹配特征点的算法精度得到大幅改善。

实验所编程序发现, 该自动匹配算法提取出的特征点的像素位置的误差在±2个像素以内, 精度基本符合要求。整个统计重构算法的程序流程图如图4所示。

在MATLAB中运行上述程序, 得到以下结果:A, B, C, D这4个特征点的X坐标、Y坐标的频率分布图如图5所示, A, B, C, D这4个特征点的面型坐标图如图6所示。

用统计重构方法对标准量块进行三维重构后, 得到量块AB边长度为124.6 mm, CD边长度为104.2 mm, 基本符合实验要求。AB边长度偏差24.6%, CD边偏差4.2%。事实上, A, C, D这3个特征点的重构偏差是较小的, 只有B点重构偏差较大, 而且从频率分布图中可以看出, B点在被统计重构时, 正确值的频率也是比较高的。造成这种统计重构偏差的原因主要是因为所使用的自动匹配算法有一定的误差, 另外, 实验中CCD的采样精度有限 (0.2 mm) 且相机阵列的横向扫描位移较大 (达到90 mm) , 这使得相机在非正拍的时候, 量块后表面的顶点干扰了拍摄结果和同名像点的提取。所以如果使用更高精度的同名像点匹配算法, 使用采样精度较高的CCD, 以上算法的精度将能够得到提高。

验证基于统计重构方法的三维数字重构只使用了较为简单的量块作为三维物体, 而且只对少数特征点进行了提取和重构。实验结果表明, 在误差允许的范围内, 基于统计重构方法的三维数字重构在精度上可以满足要求, 且对同名像点的提取误差有较强的鲁棒性。若需要重构出三维物体的所有表面物点, 只需按照上述重构特征点的方法对所有同名像点依次进行统计重构计算即可;若需要对较为复杂的三维物体进行重构, 只需使用相应的自动匹配算法, 对复杂景物中的同名像点完成自动匹配, 再按照本文所述重构特征点的方法进行统计计算, 即可完成复杂三维物体的数字重构。从理论上分析, 加上以上的实验支持, 这些需求是完全可以实现的, 但由于时间关系, 上述工作有待今后进一步完善。

3 总结

介绍了统计重构方法用于三维数字重构的基本思想, 分析了成像误差对三维重构精度的影响是非常小的, 然后以标准量块为样品验证了统计重构方法。在对标准量块进行元素图像阵列的记录后, 对得到的元素图像阵列中量块4个角点进行程序自动匹配, 用统计重构方法重构计算出标准量块的4个角点的精确坐标, 计算角点间距, 与标准值比较发现重构出的特征点坐标存在一定误差, 但在实验允许的范围之内。由此说明, 使用统计重构方法对三维物体进行三维数字重构是可行的, 且对同名像点的提取误差有较强的鲁棒性。

参考文献

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三维数字技术 篇2

3.1利用三维数字化技术设计陶瓷产品

陶瓷产品的造型与设计注重产品曲面的弧度，因此在设计之中需要有严格的曲线率控制，传统的陶瓷产品，例如茶壶(图2)、茶杯等艺术工艺品在设计创造中多依赖手工艺人的技术和经验，通过肉眼观察来塑造陶瓷工艺品的曲面曲线，尽管茶壶等工艺产品的曲面设计难度不大，但是为了展现出陶瓷茶壶工艺品的艺术性就必须创造出具有最优化曲面和舒适度的艺术工艺品.利用三位数字化技术对陶瓷茶壶工艺品进行设计，能够有效的减少茶壶曲面率差错，在计算曲面率数据中得到更准确数值，这比单纯依靠肉眼进行判断要准确很多.要想实现茶壶曲面精准设计，可以选择具有曲面计算功能的绘制工具，在实践中设计人员常用Rhino软件来进行茶壶的造型设计工作.借助Rhino软件可以先进行简单的框架设计，绘制出简单的茶壶模型，然后利用软件功能进行造型的分析和评价，再进一步优化茶壶造型设计.茶壶分为两个部分，即由壶盖、壶身组成，壶身上又从左到右依次分为壶嘴、壶肚、壶把，所以总体来看茶壶在设计时要着重从四个节点入手.在使用Rhino软件时，应当先从整体着眼，把握这四个部件的具体规格，在设计过程中更加注重每两个相连部件之间的数据，利用曲线工具、圆弧工具琢磨连接处，保证茶壶的四个部分能够组成协调的一体模型.

3.2利用三维数字化技术设计琉璃产品

在三维数字化技术中，3D打印技术成为各方设计人员重点关注的内容，国际上已经有人开始利用这种3D打印技术制成工艺产品.3D打印技术将三维数字化设计功能和工艺制造功能结合，能够在设计图纸定型后直接“打印”出立体产品.尽管3D打印技术刚刚兴起，但是已经引发了几轮热潮，目前在服饰行业、首饰行业、工艺产品行业中已经有设计人员利用这种技术制作出成品，当然由于3D打印技术还只是出于初级阶段，对于一些产品并不能直接利用相应的材料进行“打印”，只能以替代性材料来提前“打印”产品[3].对于琉璃艺术产品而言，当前的3D技术已经可以实现脱蜡铸造玻璃，因而在利用三维数字化技术设计琉璃工艺产品时，能够借助3D打印技术完成琉璃工艺产品.传统的脱蜡铸造玻璃过程，需要经过一系列复杂的处理环节，而使用三维数字化技术进行玻璃的设计与“打印”，可以节省许多步骤，

3.3利用三维数字化技术设计湘绣产品

我国刺绣艺术产品可以说是传统艺术产品的突出代表，刺绣的种类有许多，本文主要讨论的是湘绣艺术.传统湘绣需要绣工手工制作，手工湘绣在制作前也会绘制出效果图，但是由于手工绘制图与实际的刺绣图案存在较大不同，实际上也会影响湘绣的设计和制作效果.对此，运用三维数字化技术，采用具有多项功能的设计软件，可以在屏幕上设计出湘绣艺术产品模型，利用三维数字化技术创造的湘绣模型与人们最终制作出的艺术成品具有极高的相似性，若要提前观察湘绣艺术产品的制作效果就可以通过设计模型进行预览.并且在预览中对模型进行纠错和改进，当湘绣产品的规格尺寸出现问题时，可以直接利用修改软件进行改正[4].例如，在设计湘绣作品《牡丹》时，共需要绘制4朵牡丹花，每朵牡丹花的标准色都有细微差别，利用三维数字化软件Rhino先将牡丹花的造型设计出来，然后利用分类功能绘制牡丹花的用色图表.牡丹花花色偏艳丽，多为粉红色，所以选取的主色调为粉色，在设计期间可以在模型上标明每朵花的主色型号，这样可以避免在成品制作过程中出现混淆.一幅湘绣绣稿，除了图案设计以外，最重要的就是绣线颜色和绣线类型，湘绣绣线有许多不同分类，如果在设计之中没有精准把握好绣线的分类，容易在绣制过程中引发失误.所以现代湘绣艺术产品在设计上会借助三维数字化技术提前做好效果图，标明重要组成部分的基础数据，可以提高湘绣工艺产品的制作水平.结论：综上，三维数字化技术在传统工艺美术中的应用具有重要的意义和作用.在新的时代背景下，传统工艺美术行业应当加快引入三维数字化技术，促进传统工艺设计手段与现代化的设计技术相结合.相信未来三维数字化技术会更加成熟，3D打印技术也可以在传统工艺美术行业中大放异彩，提高产品的制造效率和质量.

参考文献：

〔1〕高原,丁剑.三维数字化传统工艺产品美术设计技术研究———评《产品造型设计材料与工艺》[J].宏观经济管理,(01):97-98.

〔2〕董春波.三维数字化造型在雕塑艺术中的运用研究[D].武汉纺织大学,.

〔3〕侯可新.论三位数字化技术在传统工艺美术传承与创新中的优势———以湖南传统工艺美术为例[J].艺术科技,(11):36-39.

三维数字技术 篇3

水墨动画风格对短片前期策划的影响

水墨动画与其它动画形式一样，也具有很强的故事表现力。但是这种艺术形式的动画对故事的题材具有一定局限性，比较适合表现中国的神话、民间故事等传统故事题材，不便于展现西方国家的故事情节。

例如高路的三维动画短片《将进酒》在进行前期策划时就确定了短片的制作目标，即基于当今先进的CG制作技术，创作一部能体现中国传统文化的三维动画。如今，在中国风格这一点上，最能体现中国特色的莫过于水墨、皮影、剪纸、戏剧等传统艺术，经过反复论证，高路创作团队决定选择水墨这种具有强烈中国民族特色的表现形式。由于水墨风格的动画对故事题材比较挑剔，所以在确定故事题材的时候创作团队也是进行了一番论证。有的人建议故事应该是温馨、抒情的，以水墨风格来体现对传统文化的继承；有的人建议将故事题材定为古诗词，将古诗词改编成一个小故事，这样既有意境，又能突出特色；还有的人建议做水墨风格的MV，配上周杰伦的《青花瓷》，具有中国风的乐曲、、、经过反复论证，团队最终决定将故事题材定为一首山水、人物、情感交融的古诗歌。《将进酒》的故事题材就是这样确定的。

水墨风格对动画前期策划的影响是非常大的，它涉及到故事前期概念设定、涉及到角色的造型、动作设计以及动画技术的运用等等方面。当然，数字化的今天，我们也不能一味地局限于传统，我们应在继承传统的基础上有所创新，创造出新的艺术表现形式。

分镜中水墨动画的艺术性体现

分镜绘制犹如前期设定的“合成”，可以将前期的各种设定和剧情的整合调整到分镜纸上，并清楚的标明所要达到的各种效果，因此又被称为“静止的影片”。分镜头画面是以画面的形式来展现分镜头剧本，画面内容要求能展现出故事情境，表现出角色，提示镜头的运动调度，体现出空间关系等，分镜头画面是为了进行变化和研究镜头画面的整体性而进行绘制的。

例如《将进酒》分镜中第五个镜头中以水墨溅开的形式，追拍水流撞击着山石，镜头中也配合了“奔流到海不复回”的诗句，体现了李白当时的心境。第八个镜头中，镜头下摇并往前推，将李白在宣纸上奋笔疾书给予一个特写镜头，再转为纸张的特写，从毛笔上滴下一滴墨汁，将整个纸张晕染，起到了很好转承作用，为下个镜头做了铺垫，镜头中也体现了很强的水墨艺术性。

分镜的好坏决定着片子的成败，在绘制分镜的时候就要考虑到制作过程中所遇到的问题，并将问题解决掉，不能使短片出现返工或修改等资源浪费的情况。一个优秀的分镜故事板，可使每个环节的人员对剧情和画面一目了然。因此，一部水墨风格的动画片，自然在分镜中也应充分体现出其自身的艺术性。

三维水墨动画中数字化技术应用

一部动画片并不是由一个动画制作软件来完成的，即使是一部只有几十秒的短片也是由不同的制作软件相互配合来完成的。动画片中主要应用的数字化制作软件有Premiere、Maya、Photoshop、ZBrush、After Effects。下面，我分别介绍一下该短片中所用到的相关软件。

首先，在短片制作前期需要进行配音、配乐以及音效剪辑，这个阶段就要使用Premiere来进行制作。Premiere是由美国Adobe Sysems Incorporated公司基于Macintosh（苹果）和Windows（窗口）平台开发的一款非常优秀的非线性编辑软件，具有非常强大的色彩修正功能和音频控制功能，并且还具有很好的生产能力、控制能力，灵活性也很强，非常有利于进行动画制作。此款软件具有很强的兼容性，可以与Abode公司推出的其它软件相互兼容，此软件在广告制作和电视节目中也是应用非常广泛的。

短片中在对模型进行材质制作的时候，使用的软件是Photoshop和ZBrush。Photoshop是我们接触比较多的一款图形图像处理软件，是全球最优秀的图形图像处理软件之一，是美国Adobe公司最主要的软件产品，该软件主要用于平面设计和广告设计中。ZBrush是一款数字雕刻和绘画软件，由Pixologic公司出品，具有强大的功能，工作流程也非常直观，可以雕刻高达10亿多边形的模型。关于短片中Photoshop和ZBrush软件技术的应用将在材质制作中进行具体分析研究。

到了短片制作后期，要将短片进行合成、剪辑并加入相关特效，用到的软件就是After Effects，该软件是属于图形视频处理软件，目前在视频特效制作方面发挥了很大作用，此款软件也是由Adobe公司制作的，在其它方面如影像合成、非线性编辑等方面也具有很强大的功能。

数字技术的迅速发展使水墨动画具有了新的发展空间，也使当代的水墨动画越来越走向国际。但是技术始终是为艺术服务的，我们必须明确这一点，不能单纯的追求技术的表现，忽视作品的艺术性，只有将两者很好的结合在一起，才能创造出优秀的水墨作品。

（作者单位：黄冈科技职业学院）

面向三维打印的数字水印技术 篇4

近年来,三维打印技术正在全球悄然兴起,这是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术,这种技术大大简化了产品的制造程序,提高了生产效率。如今,三维打印已经成为一种潮流,并开始广泛应用在设计领域,尤其是工业设计、数码产品开模等,可以在数小时内完成一个模具的打印。对于创意物品经设计而成的模型文件,其造型设计、建模过程往往需要耗费设计人员的大量心血和时间,属于设计者的独创性劳动,这种智力成果是具有独立版权的,然而在互联网和多媒体技术高速发展的今天,数字模型很容易被复制、修改和传播,而三维打印技术的发展不仅进一步给侵权盗版者提供了机会,更为严重的是将加快侵权效率、降低侵权门槛、扩大侵权范围,这些问题也正在引起国际社会的共同关注。

随着三维打印技术的兴起,数字模型文件既要共享又要保护的难度加大。如何对数字产品进行有效的版权保护,世界各国的科研人员主要采用了加密技术和数字水印技术。通常采用的加密技术事实上只能在信息从发送者到接收者的传输过程中保护媒体的内容,在信息被接收以后再利用的过程中,所有的数据对使用者都是透明的,不再受任何保护,而且在传输的过程中加密的数据更容易引起攻击者的注意。在这一形式下,数字水印作为一种潜在的解决方案,弥补了加密技术无法对解密后的数据进行保护的不足。数字水印技术可以将水印信息嵌入到三维模型中,然后通过对水印的检测来确定模型的版权所有,从而为用于三维打印的数字模型进行版权认证与保护。

论文将着重探讨面向三维打印的数字水印技术相关问题,对数字水印技术的最新研究进展进行分析和综述,论述已有解决方案的优势和不足,并分析进一步的研究方向。

1 相关问题

为有效地进行三维打印所使用数字模型的版权认证与保护,文章将针对用于三维打印的模型特点、水印的嵌入要求和三维模型面临的攻击等几个方面进行分析和阐述。

1.1 三维模型的特点

常见的三维模型表示方法有CSG实体几何表示、BRep边界表示、点云表示、网格表示和体数据表示[1,2]。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。由于三维打印使用的数字模型用三角面来近似模拟物体表面,文章所涉及的水印算法也是针对三角网格模型进行的。然而,三角网格模型的顶点没有自然的排列顺序,具有不规则性和无序性,为水印嵌入增加了难度。

1.2 水印的嵌入要求

Ohbuchi提出了三维模型水印嵌入的三个基本要求:不可感知性、鲁棒性和空间利用率[3]。除了这三个基本要求之外,目前人们也越来越关注数字水印的安全性要求[4,5]。这四个要求对于用于三维打印的模型版权保护的数字水印技术来说同样需要遵循。

一般来讲,以上的原则通常是相悖的。在面向三维打印,对模型文件进行版权保护时,应强调水印的基于视觉的不可感知性和鲁棒性,而如果考虑到对游戏、动漫周边产品的版权的认证,则需要保证非常强的鲁棒性。

1.3 三维模型面临的攻击

由于网格模型数据本身的复杂性,导致难以像图像、声音或视频数据那样预防和阻止某些攻击。事实上,网格模型并不像音频、图像、视频那样可以通过规则的采样获取,而是在三维空间中一些具有特定曲率,定义了顶点间的连接拓扑信息的杂乱无章的三维点集合。实际上难以想象在三维模型上可进行各种攻击,Wang等在其开源软件MeshBenchmark中整合了常见的3类典型攻击[6]。

2 研究进展

1997年,在日本IBM东京研究工作室工作的Ohbuchi等在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[7],为三维模型水印技术的研究提供了思路和方法。随后,世界各地的研究人员对应用于不同领域的三维模型水印技术进行了一系列的研究,取得了不少成果,也遇到了很多困难。

基于对三维打印的数字模型进行版权认证与保护的思想,文章侧重于对鲁棒的盲水印算法的研究。

2.1 研究现状

网格模型具有几何基元和这些几何基元的拓扑结构两种基本属性,可以通过修改几何或拓扑结构等几何数据将水印嵌入到三维模型中。现有的三维模型水印技术则根据水印嵌入域的不同可以分为空间域方法和变换域方法两大类,如图1所示。

2.1.1 空间域方法

空间域方法一般采用直接修改几何属性(几何信息或拓扑信息)的方法,相对比较简单,易于执行,效率高并且嵌入容量较高,然而由于顶点坐标或者连接性的改变,模型对随机噪声、简化、剪切和细分攻击较为敏感,并且易于引起视觉扭曲。

Ohbuchi等针对三角形网格提出了MDP算法[8]。这是一种典型的修改拓扑信息来嵌入水印的方法,嵌入与检测水印简单,易于执行,但该算法产生的水印对连接性攻击非常脆弱,并且引入的修改易于被发现,因此实际应用很少。

近年来,空间域方法多采用基于分布的方法来综合考虑模型局部特征和全局特征给水印带来的影响。Cho等提出了一种基于顶点范数分布的水印算法[9]。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中的顶点范数做归一化处理,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的可见性,而且由于顶点范数的统计特征对于相似变换和顶点重排是不变的,因此算法可以完全免疫于文件攻击和相似变换攻击,且对于绝大多数的攻击也具有较好的鲁棒性,但是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的破坏。Luo、Bors等在Cho的算法上做出改进,采用Volume Moment方式来计算物体的重点,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[4,10]。这几种方法扭曲变形较小,且对于大部分攻击都具有较好的鲁棒性,但是却对于剪切和局部变形攻击敏感。Zhan等则根据顶点曲率的直方图映射进行水印的嵌入,极大地提高了水印的鲁棒性[11]。该算法几乎对所有的攻击都具有较好的鲁棒性,然而却加大了表面的扭曲程度,增加了计算复杂度。

2.1.2 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[12,13],基于径向基函数的方法[14],基于流形谐波的方法[15],基于小波的方法[16]等。变换域方法引起的视觉扭曲程度较低,对于几何攻击鲁棒性较好,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。

Ohbuchi等将基于拉普拉斯变换的谱分析的方法应用到了三维模型水印技术上,提出了非盲的水印方法[12,13]。该方法对于相似变换、平滑、噪声等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的加大,计算时间急剧增加。Wu等利用几何信息构建径向基函数来嵌入水印[14]。该算法大量节省了计算时间,但鲁棒性较差。Wang等基于流形谐波分析提出了一种鲁棒的盲水印算法,能够有效地应对各种攻击,但某些情况下会出现水印无法正确嵌入的情形[15]。Kim等提出了一种基于小波分析的盲水印算法[16]。该算法对低分辨率的系数采用了统计特征,并直接从空间域进行水印的提取,对于各类攻击均具有较好的鲁棒性,然而在提取过程需要对顶点和面进行重排序,其计算复杂度增加。Ines等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,使得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,但是只能适用于半规则的网格模型,且对传输错误,文件攻击敏感[17]。Chen等进行了归一化、顶点聚类和离散小波变换的组合运用,嵌入的水印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,但需要大量的预处理与校准过程[18]。

3 方法概述

为了能够对用于三维打印的数字模型进行有效的版权认证和保护,我们采用基于顶点范数分布的方法为模型嵌入水印,并尝试解决文献[9]-[11]方法中存在的对剪切攻击的敏感性问题。

3.1 实验原理与流程

水印嵌入过程为根据原始模型中心,计算出三维模型各顶点范数,并划分成N(嵌入水印的比特位数)个bins。每个bin中的顶点范数做归一化处理,通过直方图映射函数调整其分布的均值嵌入水印信息。水印提取过程是以同样的方法计算水印模型的顶点范数,并划分N个bins,根据bin中归一化顶点范数的均值大小逐位判断提取水印。

3.1.1 水印嵌入

水印嵌入过程即将数字水印序列通过算法不可感知地嵌入到网格模型中的过程,作者可以分发水印模型而不是原始模型,以保护其设计模型的版权。

1)水印序列

混沌现象是非线性动力系统中出现确定性的、类似随机的过程。利用其对初值的敏感依赖性,可以提供数量众多,非相关、类似随机而又确定可再生的信号。因此利用混沌序列作为水印信号,具有易于生成数量极多以及初始条件敏感的优势,将混沌序列的初始值作为嵌入和检测提取信号的密钥,不仅简单而且实用。我们在实验中采用Logistic映射xk+1=μxk(1-xk)方式来创建水印序列,初始值设为0.7,分支参数设为3.7。

2)水印嵌入流程

整个水印嵌入过程的流程图如图2所示。

为了达到更好的应对重网格化或简化等攻击的鲁棒性,在计算3D物体中心时,采用Tuzikov等提出的基于Volume Moment的方法[19]。

式(1)中,A(vj)表示网格模型M中包含顶点vj的所有三角形面片的面积。

根据物体中心,计算网格模型M中各顶点的范数:

根据顶点范数,选取可用于水印嵌入的有效顶点,并划分为N个bins,N为嵌入水印的比特位数。

式中,

;ε∈0[,εmax],代表裁剪率,用于裁剪掉给定的顶点范数中的异常值,这些值的改变往往是易于观测到的。

对划分好的每个bin中的顶点范数作归一化处理:

统计变量ρ~ij的分布接近于均匀分布,因此统计变量的均值为1/2。为嵌入1比特水印,可以通过修改均值来调整直方图。

式中,α为水印的嵌入强度因子,wi(i=1,2,…,N)为需要嵌入到每个bin中的水印值。

为满足式(6),用于调整归一化距离的直方图映射函数为:

式中,是嵌入水印后的顶点范数归一化的结果,当嵌入水印1时,β∈(0,1);当嵌入水印0时,β∈(1,∞)。由于顶点范数的分布实际上并不是连续的,也不是均匀的,因此不能直接通过上式计算,可考虑采用迭代的方法来计算β。

由嵌入水印后的归一化顶点范数值,根据式(5),可以得到水印后的顶点范数:

在球坐标下调整顶点位置,使得,再将球坐标转化为笛卡尔坐标,即可得到水印后顶点的坐标位置。vj=v^j

3.1.2 水印提取

该算法的水印提取为盲检测,在检测阶段不需要原始模型。以与嵌入过程相同的方法,求得物体的中心,并计算出顶点范数,裁减掉异常值,选取有效顶点范数并划分为N个bins,对每个bins中的顶点范数进行归一化处理,计算其均值进行判断。

按此方法即可逐位提取出水印。

4 实验结果与分析

4.1 实验数据集

根据前述所分析的用于三维打印的数字模型特点,选取了MeshBenchmark[6]中的8个模型作为实验的数据集,如图3所示。实验所用数据集的特征如表3所示。

4.2 实验参数

实验中参数的设置如下:嵌入水印比特数,嵌入强度因子,裁剪率。

4.3 扭曲变形评价

下面从几何误差(MRMS)和感知结构(MS-DM)两个方面来评价水印模型相对于原始模型的扭曲变形程度,实验所得结果如表2所示。

结论:当前的实验结果参照MeshBenchmark的标准,对于面向感知(数字娱乐领域)的质量评价:(1)评价标准dMRMS≤0.08%.lbbd已满足。(2)评价标准dMSDM≤0.2(radius=0.005),目前仅有Cow模型满足要求,其他7个模型均不满足。

4.4 嵌入容量、嵌入强度与扭曲变形的关系

以Bunny模型为例,在不同嵌入容量(16bits、32bits、64bits、128bits和256bits)下的扭曲变形情况,如图4所示。

嵌入容量为64bits时,在不同的嵌入强度因子(0.01,0.03,0.1,0.3)作用下的扭曲变形情况如图5所示,水印应对不同攻击(剪切、噪声、量化、简化、平滑、细分)的鲁棒性,如表3所示。

嵌入容量的增加会降低水印模型扭曲变形程度,增强水印的不可见性;而嵌入强度的提高,则会加大水印模型的扭曲变形程度。

4.5 鲁棒性评价

根据前述分析,对于用于三维打印的模型采用鲁棒水印进行版权保护时,水印模型应该能够完全免疫于文件攻击和相似变换攻击,对剪切、平滑攻击具有较好的鲁棒性,对噪声、简化(高模)具有一定的鲁棒性,对细分、量化攻击根据具体的应用场合做适度要求。我们使用MeshBenchmark提供的工具进行模拟攻击测试,然后统计提取水印的BER值。通常情况下,一般认为BER大于0.5即可认定检测不到相关的水印信息。

实验结果显示,对于文件攻击和相似变换攻击,所有模型的BER值均为0,除了Cow模型应对平滑攻击和Ramesses应对量化攻击的鲁棒性较差外,所有模型应对剪切、平滑、噪声、简化、细分攻击都具有较好的鲁棒性,并能完全免疫文件和相似变换攻击。但是所有的水印模型对剪切攻击都非常的敏感。

4.6 改进思路

由于用于三维打印的模型涉及剪切、局部变形处理相对较多,因此要求水印模型具有应对该类攻击的较好的鲁棒性。考虑通过模型分割来提高应对该类攻击的鲁棒性。

1)基本思路

过模型的中心点(x0,y0,z0),按xy面和xz的平行面设定为切割面,将模型分割为4个区域(区域1:y>y0,z>z0;区域2:y>y0,z<z0;区域3:y<y0,z>z0;区域4:y<y0,z<z0)。对每个区域按前述方法嵌入水印,从而可以为整个模型嵌入多份水印。在提取时,对每一分割区域分别提取水印,然后通过多数投票的方式决定最终水印序列。

2)实验结果与分析

以Bunny模型和Horse模型为例,测试分割嵌入水印的扭曲变形和鲁棒性。实验中参数设置如下:嵌入水印比特数,嵌入强度因子,裁剪率。

由表4可以看到,分割后再嵌入水印的方式,使得水印引起的扭曲变形进一步降低。在分割嵌入水印后,依然采用同样的攻击方式对模型进行模拟攻击,并提取水印,统计BER值。实验结果显示,对于文件攻击和相似变换攻击,所有模型的BER值为0,对剪切、平滑、噪声、简化、细分攻击、量化,BER曲线如图6所示。

对于Bunny模型和Horse模型而言,分割后再嵌入的方式,能够完全免疫文件与相似变换攻击,在应对剪切攻击时,鲁棒性得到了极大的提升,在应对平滑、噪声、简化和量化攻击时也具有较好的鲁棒性。

5 结束语

文章对面向三维打印的数字水印技术所涉及的模型特点、嵌入要求以及模型面临的攻击等相关问题进行了详细阐述,对当前的研究现状进行了分析,实现了水印嵌入、提取的基本流程,提出了作者自己的改进思路,完成了相关实验,对实验数据做了分析和总结,为后续的研究奠定了良好的基础。目前工作证实,我们的改进思路有利于提高剪切攻击的鲁棒性,为将我们的水印技术应用于三维打印模型的版权保护提供了可能性。

摘要：三维打印技术的发展,为数字模型的侵权盗版者提供了机会,引发了一系列的知识产权问题。论文对面向三维打印的数字水印技术所涉及的模型特点、嵌入要求以及模型面临的攻击等相关问题进行了阐述,对当前的研究现状进行了分析,实现了水印嵌入、提取的基本流程,提出了自己的研究思路,实验结果表明,该方法增强了对剪切攻击的鲁棒性。最后,论文进行了总结并对后续工作进行了展望。

三维数字社区 篇5

西湖街道“民情通”智能管理呼叫服务中心服务网络示意图

西湖街道“三维数字社区”管理平台

边研发，边使用，边完善，兰州西湖街道历时3年研发设计出“三维数字社区”管理系统，精细整合了城市基层管理的100多项职责，极大地节约了人力，提高了效率，提升了服务，使街道社区工作模式发生了根本性转变。专家鉴定，这个系统在国内外尚属首创并具有极高推广价值，该项目于今年4月经国家版权局批准取得了软件著作权。

最为可贵和与众不同的是，西湖街道将其创建的“民情流水线”惠民服务品牌有机植入了“三维数字社区”，使得“小政府，大服务”成为现实。下一步，“三维数字社区”的应用推广，将会给城市社会管理带来一场什么样的深刻变革？让我们拭目以待。

本网记者 周文馨 赵志锋

9月2日中午12时整，75岁的孤寡老人刘淑珍准时按动了安装在她家的“民情通”呼叫服务装置上的绿色按钮。

伴随着一阵清脆的铃声，老人所在的甘肃省兰州市七里河区西湖街道的“三维数字社区”集成管理应用系统上的虚拟社区立刻显示出了老人家的位置：西湖街道建工中街。

工作人员一看是刘淑珍老人，立刻明白该给她配送餐了，随即联系老人所在的社区工作人员。不一会儿，热腾腾的饭菜就送到了老人家里。

刘淑珍老人告诉记者，自从街道办在她家安装了“民情通”呼叫服务装置后，平时她需要送餐、打扫房屋、看病什么的，只要轻轻一按，社区工作人员很快就上门服务了。“有了这个高科技的宝贝和热心肠的街道社区工作人员，我吃饭香，睡觉甜，身体好，心里感到前所未有的幸福和踏实！谢谢他们这些好心人！”老人笑呵呵地说。

事实上，为刘淑珍老人提供服务的“民情通”呼叫服务系统只是庞大的系统——“三维数字社区”集成管理应用系统上很小的一个子系统。

8月31日，兰州市七里河区政府召开新闻发布会宣布，由兰州西湖街道历时3年研发实施的“三维数字社区”集成管理应用系统正式问世。据悉，该系统为全国首创，将在兰州市、甘肃省乃至全国的基层电子政务建设和城市社会管理中发挥积极作用。

推进社会管理创新是今年全国政法工作三项重点之一。相关专家表示，“三维数字社区”系统在实践中已经取得了巨大成功，无疑将掀起一场城市管理的“基层政务革命”。

系统功能

将街道社区百余项职责纳入“数字化社区”

家里有事拨打“民情通”一键通，社区立刻上门为你提供服务；遭遇突发事件，鼠标一拉自动测量出最近的治安室、医院距离；辖区内任何背街小巷发生车辆丢失、井盖被撬、堆放垃圾，即时发现及时处理„„街道社区内几乎所有的公共及管理事务都可以通过“三维数字社区”系统来完成。

所谓“三维数字社区”系统，主要是利用GIS地理信息技术、传统的拍照技术、“三维数字”仿真模拟及实景视频技术，将街道社区100多项工作内容纳入5条管理主线，形成3 大基础平台、6大功能特点、8大管理模块和5大应用系统，具有综合受理、分类管理、分类统计汇总等功能，嵌入辖区实景视屏监控管理，真正实现“数字化社区”建设。

七里河区政府新闻发言人、区委常委、常务副区长王道珍介绍，“三维数字社区”系统将西湖街道辖区94个科级以上企事业单位、892家各类经济组织、1210栋各类建筑物、9条主次干道、56条背街小巷、114个小区院落、1.8万户、71978名居民家庭和区域地貌，立体、直观地搬上管理平台，形成了一个完整真实的三维实景立体虚拟街区。

西湖街道在辖区重点地段、重点区域、辖区单位、居民小区的关键部位都安装了电子监控设施，并于“三维数字社区”总控中心的街面视频监控系统相互连接，对辖区的治安状况、城市管理、环境保护、突发性事件等进行全天候、多方位监控。

系统一大特色就是对辖区常住人口、流动人口的个人信息、户籍信息、分类信息、居住联系信息等百余项信息进行了归纳整理，形成统一的人口信息平台。记者在平台上随机点开一栋楼，立刻弹出这栋楼的详细信息：所属社区、小区名称、楼宇名称、楼栋长姓名、治安负责人、楼层数、户数、常住人口数以及流动人口数等。

系统还建成了以司法所、人民调解、法律援助等内容为主的司法模块。记者点入该模块，发现重点普法单位、普法联络员、普法宣传员、社区矫正、人民调解、普法短信平台等二级栏目。以普法短信平台为例，只要在系统上输入普法短文，点击选中发送对象，轻点“发送”，一条条普法短信便飞入辖区千家万户百姓的手机上。

西湖街道“三维数字社区”系统

西湖街道“三维数字社区”系统总控中心。周文馨 赵志锋摄

研发初衷

基层八成工作人员受累于账表卡册

近年来，兰州西湖街道不断拓展“民情流水线”党建惠民品牌工程，探索打造出以“两代表一委员”民情联络站、未成年人校外教育“四点半”工程、居家养老“夕阳红”工程等为特色的一系理惠民党建品牌，受到辖区群众的广泛赞誉，街道先后获得“全国先进基层党组织”、全国“人民满意的公务员集体”等80多项荣誉。

但是，随着经济社会的飞速发展，传统的社会管理模式弊端逐渐显现了出来。西湖街道党工委书记陈冬梅介绍，伴随着城市的发展脚步，街道办的职能日益增多，据初步统计目前已有八大类108项工作职责，而各个相对独立的块状工作之间没有形成网格化，导致80%的工作人员将大部分精力用于建立填报纸质的账表卡册，相应的，对辖区居民“面对面”服务的时间就少了很多。

西湖街道地处兰州城区繁华地带，是七里河八个街道中社情较为复杂的街道之一。辖区内居民多、企事业单位多、流动人口多、吸毒人员多，且多民族杂居。特殊的社情需要更多的服务管理人员，但街道办170余名工作人员各管一摊，疲于应付。

而事实上，由于缺乏网格化管理，尽管工作人员费尽了周折，基层管理中依然存在着底数不清、数据不实、重复劳动、重复耗资、各部门工作相互分离、资源不能共享等问题。

“10年前，街道社区的工作职能相对单一，但近年来，随着医保、社保、廉租住房等惠民政策和大量新的社会管理服务项目的实施，逼着基层社区管理服务必须实现集成化、精细化。” 陈冬梅说，传统的工作模式已经跟不上老百姓的需求了，迫切需要把“民情流水线”这样的服务品牌进行提升和延伸。

针对这些现实需求，西湖街道在七里河区委、区政府的大力支持下，组织研发队伍，开始研发“三维数字社区”系统。他们3年来边研发，边使用，边完善，并在试运行中取得了巨大成功！

突破局限

居民足不出户便能享受各类“民情”服务

记者在 “三维数字社区”系统大平台上看到，西湖街道社区工作人员在辖区走访过程中发现的一条条各类信息，实时地出现在了管理大平台的信息审核页面上，管理人员迅速审核后加入系统，返回主页面后，这些新添加的信息已经自动分类统计并整合到各子系统中，管理数据实现了实时的动态更新。

社区工作人员发现的信息缘何能如此迅速地传递到系统的大平台上呢？原来是依靠“民情通”无线政务系统！走访的社区工作人员都随身携带了一个叫“PDA手持终端设备”，该设备和街道“三维数字社区“总控中心相互连接，将数字城管、治安防范、人口管理、社情民意采集、流动人口和出租房屋管理等功能有机结合，及时了解、受理反馈的各类信息，处理突发事件、采集基础数据信息。

就在记者采访过程中，街道“民情通”呼叫服务中心的服务热线突然响了起来。工作人员接通电话：“你好，请问我能给您提供什么帮助？” “我是小西湖东街的**号的居民李成花（化名），想咨询一下社区养老保险办理程序。”随着电话的接通，服务中心的显示大屏上立即出现了模拟街区与街区实景结合画面和一份详实的李成花个人资料数据。

西湖街道党工委书记陈冬梅介绍，“这些信息将帮助工作人员做出正确的决策，合理地调度社会服务力量。” “民情通”呼叫服务中心作为西湖街道“三维数字社区”系统的重要组成部分，已成为最繁忙的民情热线。

“小西湖立交桥下有一个井盖丢失了，能不能快点补上！” 一接到电话，电脑操作人员马上在投影屏幕上找到居民反映路段的实况视频，工作人员便通知具体地段的社区负责人，很快社区工作人员就前往现场调查处理。

为方便居民反映诉求，西湖街道还免费为空巢老人、特困老人家里安装了“一键通”，老人如果有什么需要，只要按一下“一键通”，呼叫服务中心电脑上就能显示出老人的具体住址，社区工作人员据此可立即上门提供服务和帮助。

这个“民情通”呼叫系统，突破了传统的大厅办理、电话办理、网络办理企事业单位及居民申报事项的局限，变以往的按需办理、逐个办理为统一指挥调度，能够应对当前基层遇到的复杂多变的问题。呼叫中心接到居民电话，就会自动转切到“三维数字社区”个人信息系统，帮助工作人员迅速判断反映人所处的方位、家庭情况等，以便及时答复或采取救助措施。

依托“三维数字社区”系统，西湖街道将近年来创新的社区管理特色品牌纳入，极大地提高了社会管理的能力和水平。如未成年人校外教育“四点半”工程：由于双职工家庭孩子在下午四点半放学后无人接送、教育管理缺失、进网吧、路上不安全等实际问题，“三维数字社区”将西湖街道在全国率先启动实施的该工程设立的社区“四点半”辅导站、义务接送孩子的志愿者、校外辅导课程等全部纳入系统管理，建立了未成年人校外教育“四点半” 工程信息基础库，只要有家长求助接送孩子入社区“四点半”辅导站，根据“三维数字社区”显示的地理信息，社区工作人员可立即提供服务和帮助。

“有了‘三维数字社区’系统，居民可以足不出户就享受到规范化的信息服务，也使街道和社区的工作更加贴近群众，居民可通过热线电话、网络等方式，反映自己的诉求。” 陈冬梅说，对于居民反映的每一个诉求，服务中心将自动生成处理结果及考核评价，评价结果自动传入总控中心，成为效能考核的依据。

西湖街道”三维数字社区”系统嵌入的实景视屏监控管理中心。周文馨 赵志锋摄

西湖街道“民情通”呼叫服务中心。周文馨 赵志锋摄

全员参与

历时一年采集录入 80万条信息

西湖街道研发的“三维数字社区”系统采集录入的各类信息量高达80余万条。对此，甘肃省科技厅专家鉴定委员会副主任委员、甘肃省政府政策研究室处长沈俊涛表示很震撼。“电子政务信息系统最难的是整合，而西湖街道‘三维数字社区’系统把辖区80万条信息分门别类地整合起来，自成系统，确实是一个奇迹！”

西湖街道办事处主任郑先喜介绍，为了让项目尽快投入使用，全街道办干部及工作人员利用休息时间深入辖区所有住户，按照以房管人的原则，挨门挨户登记人口信息，整整用了一年时间跑遍了辖区18198户，访问登记人数达到了69147人，每个人的信息多达30项。

在采集信息过程中，有些家庭住户外出不在，街道社区工作人员就跑三趟、四趟，直到登记上为止。参与了信息采集的西湖街道工作人员周肇刚说，有些居民一开始不理解，拒绝采集信息，他们就反复做工作，终于使其感动，同意提供信息；有的怕个人信息泄露，他们就反复讲解“三维数字社区”系统的原理及保密性措施，使居民明白系统是一个政务管理信息内网、不连接互联网，并且实行密码设置，分层分级、按岗按人设置登录及管理权限等，消除了大家的顾虑。

“为了使人口信息动态化，社区工作人员还在各居民小区选举了楼栋长，由热心社区工作的积极分子担任，主要职责就是了解每家每户人口变动情况，主动为社区提供最新的人口信息。” 郑先喜说，通过建立楼栋长制度，使人口信息做到了动态化管理，始终保持人口数据的准确性。

信息采集付出了巨大的艰辛，而系统研发同样如此。技术人员施国乾介绍，为了攻克 “民情通”呼叫系统中存在的技术难题，有一次技术小组的8 个人3天只休息了8小时，终于研发成功，以最快速度将该项服务送到了迫切需要帮助的老人家中。据统计，技术小组3年内共完成了25万行以上的基础代码程序编写。

据悉，该系统在研发过程中前后共投入了800余万元。西湖街道党工委书记陈冬梅告诉记者，系统之所以能够顺利问世，得益于兰州市委市政府的有力指导和七里河区委区政府在人力、财力上的大力支持。区委、区政府主要领导多次到街道检查系统的研发进度，协调解决有关问题。

专家鉴定

系统在国内外尚属首创具有极高推广价值

“我们一个街道有6000户居民，工作人员挨个走一遍要2个月的时间，一个社区有13个工作人员，要负责计生、民政、医保、廉租房等多方面的工作，根本忙不过来，有了‘三 维数字化社区’系统，我们就可以腾出手来为社区居民做更多的服务。”西湖街道党工委书记陈冬梅欣喜地说。

项目技术组人员赵晋锋介绍，以前街道的计划生育工作需要5个人同时在办公室忙碌，现在只需一人录入信息，其他人员则可以深入到社区从事实际服务工作。“这是一场‘基层政务革命’，大大减少了基层工作人员的工作量，提高了工作效率。”

七里河区政府新闻发言人、区委常委、常务副区长王道珍用“五个转变”来形容该系统带来的这场“基层政务革命”：

——实现了社区管理的网格化，使街道社区工作由被动应对向主动服务型转变；

——实现了社区管理的数字化，使街道社区工作由传统模式向电子技术转变；

——实现了社区管理的动态化，使街道社区工作由滞后型向动态管控型转变；

——实现了社区管理的精细化，使街道社区工作由粗放型向精细化方向转变；

——实现了社区管理的信息化，使街道社区工作由管理型向服务型转变，对于推进和谐社区建设、提升街道社区管理和服务水平，落实以人为本的服务理念，具有重要的现实意义。

据了解，该项目于今年4月经国家版权局批准取得了软件著作权，6月由兰州市工信委列入市科技扶持项目，7月通过了甘肃省科技厅组织的省级科技成果鉴定。

甘肃省科技厅专家鉴定委员会在鉴定中一致认为，该项目立足街道社区工作实际，选题准确，设计合理，技术路线正确，研究成果达到了国内领先水平。而根据国家一级科技查新咨询单位——甘肃省科技情报所查新，该系统将基层多项工作集于一个街道社区综合管理应用平台，在国内外目前尚无相同文献报道。

参与鉴定的兰州理工大学计算机系教授李明表示，数字社区系统的核心是基础数据。西湖街道研发的这套系统基础数据非常详实，使得现代电子技术应用与软件开发相得益彰，从有限的数据挖掘出很多东西，形成数据库，自动保存。他表示，这套系统具有极高的推广价值。

据悉，西湖街道“三维数字社区”系统研发初步确定为六期，前三期已完成，四期对现有三维地图进行精细建模，实现社区全景漫游功能。五期拓展现有平台，增加卫星定位模块，实现治安防控、城市管理等内容的标准化、清晰化。六期强化系统安全机制，增加更加严密的研判功能。

三维数字让文物活了 篇6

5月18日是世界博物馆日。为此,本栏目邀请业内专家撰写了三维数字技术在博物馆中的应用。现在的博物馆更注重参观者的用户体验,无论是复原文物、展览文物还是网上浏览,应用了三维数字技术之后,可让参观者在互动的过程中,感受到文物的魅力。

作为一项最新的前沿技术,三维数字技术也可应用于博物馆,并在博物馆的展览、展示、科学研究、社会教育等方面发挥着革命性的作用。

博物馆作为社会文化的特殊载体,会充分利用数字技术整合文物、文化资源以及结合科学研究,最大限度地发挥服务社会的职能。这是博物馆顺应时代潮流,拓展博物馆未来发展空间的必然举措。

虚拟中复原

近年来,越来越多的数字化技术应用到博物馆中,如故宫博物院与日本凸版印刷株式会社合作的“数字故宫”项目、浙江大学开发的敦煌石窟虚拟漫游与壁画复原系统、秦兵马俑博物馆与西安四维航测遥感中心合作的“秦俑博物馆二号坑遗址三维数字建模”项目等。这些项目的共同之处就在于它们都使用了一个核心技术——三维数字技术。三维技术对于文物的展示有着比传统照相技术更直观的特点,而三维扫描也具有传统人工测绘无法比拟的优势。因此,该技术最早被应用于大型遗址或者建筑的测绘与展示项目中。

传统博物馆理论将保管、展示、社会教育作为博物馆最基本的三大职能,其中保管既包括文物安全,也包括文物保护和科学研究。文物修复的研究工作是建立在科学的文物保护分析和文物修复理论基础上开展的。文物是不可再生的,但也不能是永生的,文物保护的最终目的是运用现代技术最大程度地维持文物的状态,无限延长其寿命。对于文物保护分析的研究,最主要的一个任务就是在最小干预的前提下要尽可能多地获取文物包含的原始信息,在这点上,三维扫描数字建模的意义是非常广泛的,且具有巨大潜力。

由于三维激光扫描技术具有非接触式测量、扫描速度快、点位和精度分布均匀等特点,在工艺精细、形状复杂的单件文物保护领域也有很多应用和成功案例。国外最为著名的有斯坦福大学的“米开朗基罗项目”,该项目将包括著名的大卫雕像在内的10座雕塑数字化,其中大卫雕像模型包括2亿个面片和7000幅彩色照片。

参观者通过触摸屏了解文物。

首都博物馆的网上展览页面。

三维激光在文物保护研究的重要意义如下。

在器物描述中发挥作用

器物描述是文物保护分析和修复的第一步。三维扫描得来的数据是文物最原始的精确尺寸数据,在图像中可以测量器物任意位置的长度、面积,并且可全方位地了解器物形貌特征。这不仅是传统照相及绘图技术无法实现的,而且对原器物不会造成二次破坏。同时,对于文物病害的展示,也是最直观的方式。

对文物复制的帮助

在传统方法中,文物的复制往往是在原器物上进行翻模,这在一定程度上对器物的表面造成危害,特别是一些脆弱的器物容易在翻模过程中发生无法弥补的损失。而应用三维激光扫描技术,可以在非接触状态下为文物建立数字模型,并通过成型技术得到高精度的复制品,这样大大简化了文物复制的程序,而且最重要的是不会对文物进行任何破坏。

文物虚拟修复试验

利用三维处理软件对已建模的器物数据进行模拟修复,可以预览修复完成的形貌,这对文物修复方案的制定实施具有指导作用。同时,模拟修复还可以避免由于实际修复操作过程中反复比对、拼接对文物造成的二次破坏。例如破碎瓷器的修复,可以预先经过建立碎片的三维模型,利用计算机进行拼接复原,还可以对缺失部分进行模拟修补,恢复器物原始形貌。当然,这些操作要建立在计算机辅助系统和大量识别算法的基础上,目前还处在研究阶段。

博物馆创新性地将三维扫描技术应用在文物复原领域,是三维扫描技术应用推广的一项突破。三维扫描技术的应用,不仅对文物保护和文物修复工作有重大意义,也为博物馆的展示方式开辟了新的领域,为博物馆发挥社会教育职能起了积极的推动作用。

全方位展览

当前,不论是国内还是国外的博物馆,所面临的最大挑战就是采用何种方式来普及传播博物馆知识、文化,同时又让受众体会到乐趣和观赏价值。大部分参观者,尤其是本应作为博物馆核心参观者的年轻人,对博物馆惯常沉闷的表现方式感到厌倦。同时,如今的展览已经不是传统意义上的展览了,它是一个立体的、全方位的展示,要从不同层面与角度展示主题,运用多样的展示手段和方法,深化展览主题。但是,一些珍贵文物出于安全和保存条件的限制,不允许参观者从任意角度观摩实物。因此,很多博物馆在面对以上问题时,采用了多媒体的表现方式。对比其他多媒体技术,三维数字技术在文物展示方面具有很多优势。

首先,如同在文物保护研究中一样,运用三维激光扫描技术可以将文物的尺寸最为精确地记录下来,并通过模型优化、纹理匹配等技术手段将文物逼真再现; 同时,可以多角度、高清晰地展示参观者在展柜旁无法观赏的任意角度和精度的文物细节; 其次,这种方式为非接触式的,对文物保护具有重要意义。

精品文物的展示能吸引普通观众的兴趣,但由于陈列手段的限制,许多展品只能观赏器物的一面,不能看到全部,特别是器物的底部和细节部分。因此,利用先进的三维扫描技术和单位建模技术,把部分文物进行完全复原,这样不仅可以让观众在屏幕上自由欣赏文物,任意旋转文物从各个角度欣赏,还可以放大文物观看细节; 在丰富展览形式和内容的同时,更大程度地满足了观众的求知欲和好奇心,丰富了观众参与的互动项目。

文物高精度三维展示项目,需要对所展示的文物进行三维扫描、数字建模、纹理匹配、艺术加工等多道程序。文物复原的精度和质量,直接决定了最终的展示效果。

但几个技术难题需要解决如下。

模型优化

文物模型的高精度、高准确度与程序、机器设备、制作速度的承受能力的矛盾决定了模型优化具有较高的复杂度和技巧性。

复杂的双曲面文物模型对贴图匹配有较高的要求,需要对模型网格进行良好的优化。这种优化虽然耗费时间,但会极大提高后期制作的速度和品质。

在制作中需要将百万面甚至几百万面精度的原始模型进行优化,要保障程序的承受能力,同时又要保证有足够的细节。

纹理匹配

在虚拟现实器物制作中,双曲面模型难度最大,贴图与模型的映射关系也最为复杂。纹理匹配是工作中最为复杂和繁琐的工序,佛、玉石、陶瓷、青铜这些文物几乎都是这类模型,要保证高品质的展示效果,以人类当前自动贴图匹配技术是达不到的,这样就需要技术娴熟且对文物熟知的工作人员手动完成制作。

文物的高还原性决定了纹理匹配的难度,在色彩和纹理校正、无缝拼接方面需要投入更多的精力。

艺术性

文物的准确性和艺术性对制作也提出了很高的专业要求,在质感、布光、视觉表达方面同样需要投入更多的精力。不同质感的文物需要不同的布光设置、反射环境、实时渲染设置。

经过技术制作和艺术加工的文物精品高精度三维展示作品,以触摸屏为载体,被设计在博物馆展览的展线中,它不仅是对实体文物展的一个有益补充,也为博物馆观众带来了全新体验。现在观众可以在首都博物馆的文物精品展厅里,通过触摸屏轻松地浏览文物的各个角度、充分欣赏文物局部、仔细观看文物表面的纹理。

数字城市三维建模关键技术研究 篇7

三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息, 成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位, 快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。

三维地理信息系统的建立, 可以和现有的二维地籍数据、规划数据、土地利用数据等结合, 分别形成三维地籍系统、三维规划系统、三维土地利用系统等。这些三维系统具有快速的三维漫游、查询、定位、统计、分析、打印输出等功能, 将更好地为“数字国土”服务。三维模型的快速建立与更新, 对维护三维地理信息系统数据的现势性、直观性、更好地为国土资源利用提供更好的决策, 具有十分重要的作用和意义。

1 三维建模技术现状

三维城市模型 (3DCityModel, 3ocM) 是地理信息系统、数字摄影测量及其相关学科的研究热点之一。尽管3DCM的研究历史非常短暂, 但人们针对不同的应用目的, 构建了各种具有不同功能的3DCM, 具体分为以下几类。

1.1 遥感影像与DEM结合方式

即直接利用D E M生成地形三维透视图, 遥感影像作为纹理映射到地形表面。这种方式只是一种地形景观, 无法对地表实体对象进行三维显示、空间信息查询和分层管理。大多数成熟的商品化GIS系统 (如ArcView、MapGuide) 己经具有这种2.5维的地形显示功能。

1.2 基于2DGIS的构建方式

即利用现有2DGIS数据及其三维属性信息建立3DCM。该方式包括以下具有代表性的构建方法。

(1) 在二维GIS的基础上, 直接添加一些信息 (如房屋高度、墙面纹理等) , 使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象。这种方法的缺点在于模型真实感差, 对城市景观信息的表达少, 另外没有考虑DEM。 (2) DEM和二维G I S结合的方式, 这种方式用DEM作为建筑物的承载体, 表达地表的起伏, 然后使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象, 比上一种方式更具真实感。 (3) 部分2DGIS系统 (Arc/Info) 发展了构建3DCM的功能模块, 具有初步的量测功能, 但缺乏对建筑物纹理的提取与处理, 景观表达的真实感程度不够。

1.3 纯三维的构建方式

针对数据获取方式的差异, 纯三维构建3DCM方式分以下不同方法。

(1) 利用地面摄影影像与地面激光扫描仪来构建, 这种方法每次采集数据范围受通视条件所限, 在建筑群密集地区难以应用; (2) 利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建, 该方法采集数据快, 但获取的DEM精度不高; (3) 利用航空立体像对的方法, 利用目标提取技术, 实现航空影像房屋三维数据的半自动量测, 进而在地面与建筑物表面二维半不规则三角网和原始数字影像的基础上, 实现建筑物可见表面纹理恢复, 重建城市三维景观。

2 数字城市三维建模的关键内容

目前建筑物三维建模的一般流程如图1所示。三维空间数据的获取, 实质是空间定位数据的采集。三维模型的建立与编辑, 三维几何模型是纹理数据和属性数据的载体, 也是数码城市GIS提供各种定量空间解析分析能力的基础。建筑物表面纹理数据主要用于提供逼真的视觉标识, 增强对建筑物本身及其相互之间空间关系的感知和识别。可视化技术的运用, 用于增强用户与数据模型之间的交互操作性能, 尤其是与虚拟现实技术的结合, 使得用户沉浸于三维的场景中与模型数据直接进行交互操作。

2.1 三维建模数据的获取

三维建模的首要任务就是要收集建模的数据。在城市中存在着众多的数据源, 这些数据源包括: (1) 规划建筑物的设计图纸及文档资料。 (2) 城市数字地图 (地形图、地籍图等) 和2DGIS数据库。 (3) 摄影测量数据。数字摄影测量不仅可以提供丰富的几何和纹理数据, 而且还可以提供丰富的拓扑和语义信息。 (4) 遥感数据。

就当前的应用需求来说, 场景三维建模需要的数据主要有:二维图形、地形数据、地表图像、三维观测数据和模型表面纹理等。

2.2 建模方式

目前在数字城市的三维建模中有很多种建立模型的方式。现介绍如下。

(1) 使用CAD软件建模。AutoCAD软件具有强大的二维图形绘制功能及编辑功能, 是当今二维图形绘制软件的主流工具, 这是它的优点。但是它在三维图形建模、渲染处理及动画制作方面功能较弱, 不适合于复杂三维模型的建造和动画的制作。AutoCAD模型表达精细、精确, 有精确尺寸定义, 但数据结构复杂、数据量大, 不支持与地形的叠加, 不支持属性定义, 主要用于工业零部件建模和单独的桥梁等建筑物建模。 (2) 常用动画软件建模。如3DMAX等, 模型表达精细, 建模工具丰富, 但是数据结构复杂, 数据量大, 不支持与地形叠加, 且不能交互编辑查询, 仅限于动画浏览。 (3) 专业软件建模。如MutiGenCreator软件功能强大, 支持大面积地形建模, 支持建筑物建模。模型数据结构简洁, 可以在运行过程中进行交互操作, 实时计算动画场景, 通过开发, 可以与影像、矢量数据、DEM数据等叠加。但表达不精细, 数据交互编辑、查询能力较弱。 (4) OpenGL开发。使用OpenGL+VC模式, 通过编程的方式建立模型。此方式能大量使用数学曲线、曲面表达三维模型、自定义数据结构、数据显示算法等。一般用于开发三维基础软件。

目前, 在实际应用技术中, 较为普遍和实际的模型制作是利用3 D M A X制作或者是利用MultiGenCreator制作。

2.3 模型的发布与应用

采用提供了二次开发功能的数字城市开发平台, 使用asp.net技术, 开发了一套能够实现对矢量数据、影像数据、DEM、三维模型等多源数据集中管理的三维地理信息发布系统, 从而实现三维场景的显示、漫游、定位、查询等功能, 为决策部门提供辅助决策。

3 应用

本次实验以“skyline”中的三维建模为例。采用3Dmax软件对建筑物进行三维建模, 以及能够访问海量数据、具有强大二次开发功能的三维地理信息软件skyline作为开发平台开发演示系统。

3.1 地形建模

地形建模的方法主要是采用在某地区的DEM数据的基础上叠加遥感影像来完成三维地形的显示。对DWG地形图进行处理, 删除不必要的图层, 仅保留建筑物、标注、绿地、道路树木以及等高线所在的图层, 提取其中的等高线图层, 然后对等高线数据进行内插处理, 生成地形DEM。这一过程可以在AutoCAD和ArcGIS中完成。对快鸟影像进行纠正和投影变换, 并使用Photoshop进行调色处理, 使其符合美观自然的原则, 作为地形纹理或者说是三维城市的“底图”。

3.2 建筑物建模

对于大区域的建筑群进行三维建模时, 需要对不同类型的建筑物进行分别建模, 提高效率。对于城市片区内部的建筑以简单纹理的体块表示;沿街的主要建筑需要在体块的基础上添加照片纹理, 增强真实感;对于结构复杂或者重要的标志性建筑可使用3 D S M A X进行单独建模, 赋以精细的结构和纹理。这样处理不仅会提高建模的效率, 而且减少了数据量, 有利于三维场景的显示和漫游。

3.2.1 普通建筑的建模

在Skyline系列的TerraExplorerPro软件中加载之前生成的地形数据集, 导入建筑物矢量数据, 按照高度属性进行拉伸处理, 得到建筑物体块。由于数据源的时间差问题, 可能会存在少量的建筑物与遥感底图中显示的建筑物不匹配的问题, 需要使用TerraExplorerPro中的3D-Building功能, 在建筑物的位置上进行三维建模, 使建筑物体块与遥感底图一致, 并辅以简单统一的纹理。对于处于城市地块内部的大量建筑群可采用这种方式进行建模。

3.2.2 纹理映射

建筑物的纹理包括侧面和顶面两部分, 分别通过近景数码照片提取和影像提取的方式。试验区内拍摄有大量的建筑近景照片, 需要在Photoshop中对近景照片进行处理, 主要是综合利用裁剪、拼接、自由变换和拉伸等一些基本操作。根据试验可以得出:处理后的照片最好保存为JPG格式, 以减少数据量, 同时图像的分辨率应调整为2的幂次方, 图像的大小也应该尽量小于100KB。而建筑模型的顶面纹理则是从遥感影像中采集的。对纹理图片进行处理之后, 在TerraExplorerPro软件中选择沿街建筑的相应立面, 进行纹理映射, 添加纹理, 增强了城市三维表达的真实感。

4 结语

文章对数字城市中的三维建模关键环节进行探讨, 总结了当前三维建模过程中的主要技术和方法, 并以实例的方式实现了三维建筑物建模和发布, 结果表明在数字城市建设中, 主要把握数据获取、三维建模和模型的发布与应用三个环节, 即能较好完成数字城市工作, 使其满足实际应用。

摘要：三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息, 成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位, 快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。本文基于笔者多年从事数字城市的相关工作经验, 以三维数字城市为研究对象。探讨了数字城市中三维建模的主要内容和相关建模方式, 并以实例的方式实现了三维建筑物建模, 结果表明该思路能满足实际应用。全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：数字城市,三维建模

参考文献

[1]朱庆, 林珲.数码城市地理信息系统——虚拟城市环境中的三维城市模型初探[M].武汉:武汉大学出版社, 2004.

三维数字技术 篇8

三维数字校园设计

以西安某学校为例建立三维数字校园的三维场景,其基本流程为:①使用南方CASS图形处理软件处理规划平面图,提取高程矢量数据建立不规则三角网DEM,并导入Arcsence中,生成三维地貌模型即TIN模型;②使用三维建模软件SketchUP建立三维地物模型;③使用ArcCatalog建立个人数据库,预设属性字段;④将TIN模型和三维地物模型分层导入Arcsence中,进行匹配集成生成三维数字校园。

三维数字校园的构建

1.三维地貌模型

数字地形模型DTM是地形表面形态属性信息的数字表达,是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。即用三维坐标X,Y,Z表示区域内的地形地貌,X,Y为平面坐标系的平面坐标,当Z表示高程并当作地形属性时,即为数字高程模型DEM[1]。DEM用函数的形式描述为(式1):

vi=(xi,yi,zi)(i=1,2,3…n)式1

其中(Xi,Yi)是平面坐标,Zi是对应的高程。当该序列中各平面矢量的平面位置呈规则格网排列时,其平面坐标可省略,此时DEM就简化为一维矢量序列{Zi,i=1,2,3,…n}。

本文采用西安某高校的规划平面图作为原始数据,对数据进行处理后生成TIN(Triangulated Irregular Network)模型,具体步骤是:(1)用图形处理软件南方CASS打开规划平面图,清理图层,只保留地物的图形数据和高程数据;(2)用南方CASS软件中提取高程矢量数据功能,提取处理后图形的高程矢量数据,生成.dat的无编码数据;(3)将.dat的文编码数据加载到南方CASS中生成不规则三角网DEM,并对三角网进行修剪,然后另存为Arcsence的默认矢量文件;(4)将另存后的默认矢量文件加载到Arcsence中生成TIN模型。

2,三维地物模型

三维数字校园的地物模型主要包括:建筑物、道路、植被、水系及公共设施。建立三维地物模型步骤有:(1)将规划平面图导入ArcMap中,添加统一的坐标系,为了后期在Google SketchUp中建模时具有统一的空间参考,方便地形与地物的匹配集成;(2)将其在导入到Google SketchUp中,并建立建筑物、道路、植被、水系和公共设施等图层,达到可以分层显示三维模型的目的;(3)在对应的图层中建立相应的三维模型;(4)使用图像处理Adobe Photoshop软件对采集的纹理数据进行剪裁、拉伸、变换等处理,贴在三维模型上,使三维模型的显示效果更接近实体。

3.个人数据库

三维数字校园使用ArcCatalog建立个人数据库,在数据库中添加元素,并对元素的属性字段进行预设[2,3,4]。三维数字校园的数据库建立中,元素的添加数量与Google SketchUp中的模型层数一致,即应添加建筑物、道路、植被、水系及公共设施等的元素,然后分别预设这些元素的属性字段。然后将Google SketchUp中建立的三维模型一一对应的分层导入到数据库中。

4.三维地貌地物的匹配集成

在构建三维数字校园时如果将地物和地形不进行匹配集成,就会出现地物悬于地形上方飘浮在空中、地物钻入地下的各种异常现象。当地物悬于地形上方飘浮在空中时,一般采用修改地物模型的方法来实现地物与地形的匹配。在地物钻于地下或者大范围水平基准面相同的情况下,可以通过修改地形模型的局部改造来实现地形与地物的匹配。当地物密度较大地形较为复杂时,地物模型与地形模型之间可能会出现大面积的不匹配现象,地形模型与地物模型匹配的工作量会相应增加,所以我们一般情况下是对地形模型进行分块处理,将每块地形内的地物与地形进行匹配,最后再将各块地形进行整体合并,这样就可以实现一个完整的地形与地物匹配模型。

三维数字校园的实现

将三维地形和地物进行匹配后,三维数字校园的模型建立完成,将数据库中的各项元素加载至ArcScene中,以ArcScene为平台进行三维数字校园的三维显示,在ArcScene中,实现三维数字校园的平移、缩放以及漫游等功能,直观地表达校园的整体三维效果,也可以设置飞行路径浏览校园内的风景,对校园内的地物进行属性信息的查询。

建立三维数字校园以期为高校建设规划电子化进度及大学生生活学习载体多元化发展提供理论依据,并对以后三维数字校园系统的开发提供理论基础。

参考文献

[1]扬昕,汤国安,刘学军等.数字地形分析的理论、方法与应用[J].地理学报,2009,64(9):1058-1070,

[2]郭庆山,于楷,殷鹏莲.Google SketchUP在GIS三维可视化中的研究[J].城市勘测,2010,53(6):51-53.

[3]孙伟韬,基于ArcGIS与SketchUP等景观规划快速表现技术[J].华东森林经理,2011,25(2):86-88.

三维数字技术 篇9

关键词：浑河,三维模型,虚拟仿真,系统功能,开发成果,辽宁沈阳

中央“振兴东北老工业基地”战略决策的实施, 为沈阳社会经济的高速发展注入了巨大的动力。随着“金廊”、“银带”、“浑南大开发”的建设, 浑河已成为沈阳城市防洪的关键所在, 近年来日益受到国家和政府的高度重视。逐年加大浑河防洪建设投入的力度, 努力提高浑河城市防洪管理的现代化水平。浑河沈阳城市段三维数字模型系统, 在综合沈阳市多年来浑河防洪减灾基础建设与信息化成果基础上完成, 是具有先进性、可靠性和实用性的研究开发成果。

1 系统功能

浑河三维数字化建模是实现对浑河 (沈阳城市段) 的三维空间虚拟仿真, 系统可满足浑河数字化仿真模拟显示功能需求, 实现试验物理模型向计算机数学模型的转换。并可将河道水位淹没成果动态显示到仿真系统中。针对浑河沈阳城市段三维数字模型子系统的开发目标, 按照实际工作的需要, 对子系统进行功能结构设计, 系统的功能逻辑结构见图1。

2 模型开发成果

2.1 空间建模

本项目采用浑河真实环境中的构造并集合物理模型基础进行三维建模。通过由美国Multigen-Paradigm (www.multigen.com) 公司开发的Creator软件进行强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成功能, 以及多种专业选项及插件, 能高效、最优化地生成实时三维 (RT3D) 数据库。最终将浑河沿岸的建筑和景观制作成仿真三维视景。系统数字高程模型开发是以浑河沈阳城市段1∶10000比例尺的DEM和DOM。

2.2 工程模型仿真

本项目的工程模型建模联合运用Multigen Creator、3Dmax、deepExploration等技术完成, 结合空间模型构建数字河道以及数字城市三维模型。通过vega和VC++构建的可视化驱动平台进行三维河道、城市的漫游与分析。

2.3 淹没演示

根据河道高程条件, 在三维场景中动态渲染, 计算河道边界淹没线, 并进行三维渲染, 通过视景深度计算、水面以及河岸法线计算、光照渲染效果计算等, 逼真模拟水面、河道边界变化。本系统根据浑河沈阳城市段物理模型试验的成果对流域50年一遇、100年一遇及300年一遇洪水的淹没、流态分析成果进行管理和演示。

2.4 地物交互查询

对空间信息中的重点水利工程地物信息采用数据库进行管理, 并实现空间信息与地物属性信息的交互查询与定位 (用户可通过地物列表或在地图上直接选择地物查看地物的属性) 。本系统的数据库主要为工程数据库, 数据库类型为ACCESS 2000, 主要包括河道上的坝、闸、桥和公园, 其主要库结构见表1、表2、表3。

2.5 动态飞行控制

系统可通过鼠标或键盘实现流域模型空间的联合控制, 并可将控制的过程进行录制, 从而进行浏览展示 (见图2) 。

3 结语

浑河 (沈阳城市段) 的三维空间虚拟仿真系统的研究, 实现对浑河空间信息、建筑信息与洪水信息的数字化管理, 为开展浑河的全面数字化建设奠定了坚实的平台基础, 必将在流域的规划建设、防洪减灾工作中发挥应有的作用。

参考文献

[1]李景茹, 钟登华, 刘东海, 等.水利水电工程三维动态可视化仿真技术与应用[J].系统仿真学报, 2006 (1) :116-119, 124.

三维数字技术 篇10

近年来,人们也提出了一些三维城市模型,但这些模型大多是纯几何模型,而忽略了语义和拓扑层面,基本上只能用于可视化目的,对专题查询、分析或空间数据挖掘等支持很差,可重用性有限。因此有必要采用泛化建模方法,以满足不同应用场合的信息需求。CityGML由德国北莱茵河-威斯特伐利亚地区空间数据基础设施三维特别兴趣小组于2002年开始研发,致力于描述三维城市对象的共同语义信息,以期能成为三维城市模型数据交换格式标准。而三维城市模型标准化的研究,尚未引起国内学者的注意。

1 CityGML基本概念

1.1 细节层次模型(LO D)

Clark于1976年最初提出了细节层次模型的概念。根据处理分析和展示多源数据的需要,CityGML把描述三维城市对象的精细程度分为5个细节层次。LOD0实质上就是2.5维的DTM数据,可以在其上叠加航空影像或者2维地图。LOD1用块状表示建筑物,屋顶、纹理数据、植被对象在LOD2层次描述。LOD3层次描述建筑物的结构,包括墙、屋顶结构、阳台等,可以把高分辨率的纹理叠加到这些结构面上。此外,交通对象、植被对象在这一层次做了更精细地描述。LOD4层次主要对房间的内部结构、门、窗、楼梯、家具等对象进行建模。

不同细节层次,点位的定位精度要求是不一样的,如LOD1下定位精度要求为5 m,而在LOD4下要求为0.2 m甚至更小。因此可以通过LOD级别来评价三维城市数据集的质量。

由此可见,用户可根据应用需求,采用不同的层次建模。在一个CityGML数据集中,同一对象可以在不同细节层次上表示,而同一个对象的不同细节层次的数据也可以分别放在两个数据集中。细节层次模型既便于三维对象可视化展示,也便于多源数据的集成。

1.2 几何拓扑建模

如果既要维护空间完整性又要避免对象的几何描述数据的冗余,几何拓扑模型是比不可少的。ISO19107标准已建立表达空间对象的几何属性与拓扑关系的概念。然而该标准提供了大量的建模选择,如果建模目的仅局限于某一方面,该标准显得太过复杂。因此基于ISO19107,CityGML采用更为紧凑易用的模型。

CityGML用边界表达方法对专题对象的空间属性进行几何拓扑建模,即0～3维基本几何元素分别为点、边、面、立体等。边、面、立体等基元可以相应地聚合成为弧聚合体、面聚合体、立体聚合体。CityGML要求点、边、面、立体基元及聚合体必须满足一些完整性约束,确保模型的一致性。如几何基元内部元素必须是相离的,如果两个元素有公共边界,则该边界必须是低一维的几何基元。这些约束条件消除数据冗余,并确保拓扑关系清晰性,如任两个立体基元之间是相离的,它们的体积即为两者体积之和,反之若允许两个立体基元有交叉的话,计算它们的体积将麻烦得多。

1.3 几何语义建模

CityGML实现了对空间对象的几何拓扑属性和语义进行一致性建模。在语义特征方面,CityGML通过专题模型描述现实对象(如建筑物)及其属性、层次关系等。在空间特征方面,现实对象的空间属性即为几何拓扑对象。CityGML模型涵盖语义和几何拓扑两个层次体系,其优点是便于分别在各自层次体系中遍历,或在它们之间相互遍历。

1.4 闭合面和地下对象

在三维建模时,隧道、地下人行通道等地下对象,其建模方法有别于一般的地表面对象。首先不易确定其几何体类型。地上对象可直观地使用一个闭合几何体表达其形状,但对地下对象,却需要形象描述其中空部分所处的空间。ISO19107标准用外壳表达这样的中空部分。然而,既然这个外壳是闭合的,即不应存在从其内部连接到外部的通道,但这和人造地下构筑物的概念不相符合。因此,必须使模型能够较好的表达地下构筑物的入口。

另一个问题是地下对象和DTM的无缝集成。其一是在DTM中产生孔洞描述入口,然而DTM要描述地表面,要求不应存在孔洞。

当DTM和地下对象集成时,确保它们在入口处无缝接合,可用受约束三角网来实现,即把地下对象和地表相交形成的边,当作DTM的边,相交面为两者所共有。CityGML引进了“闭合面”(ClosureSurface)这个概念,对于没有闭合的对象,用虚拟的“闭合面”缝合,如这里提到的相交面。当计算体积时,把地下对象当作闭合实体来看待,当进行可视化时,把相交面设为不可见。

1.5 三维模型的简化

CityGML支持对现实对象精细化描述,但并不意味着在建模时一味地盲目追求仿真、模拟原形。对于具有几何不变性、表面材质纹理的相似性及重要的形状和位置特征(朱庆等,2003)的现实对象,如同一种类的树木、路灯、电杆等,CityGML采用几何隐含的建模方法,即建立一个逼真的三维模型(保存到VRML、DXF或X3D文件中)重复使用,三维模型的定位由表达其三维空间地理位置的参考点(referencePoint)和空间姿态参数(一个4维变换矩阵)决定。

2 专题模型

作为一种多功能三维城市数据模型和交换格式,CityGML基于ISO191XX系列标准,用GML3实现了建筑物、DTM、交通、植被、水资源、城市设施、土地利用等三维城市模型。作为示例,本文介绍DTM模型和建筑物模型。

2.1 DTM模型

地形在三维城市建模中重要一部分,CityGML用起伏要素(ReliefFeature)来描述,一个起伏要素对象描述了某一块地域的地形起伏。地形可以表现为规则格网(RasterRelief)、不规则三角形(TINRelief)、断裂线(BreaklineRelief)、质点集(一系列三维点,MassPointRelief)等。断裂线表示地形表面不连续的部分,如山脊、峡谷等,在几何上表现为三维曲线。

在CityGML数据集中,这四种地形表现形式可以灵活组合。首先,每种类型均可在不同LOD中出现,反映不同的精度和分辨率。其次,每块地表可用不同组合方式来描述,如格网和断裂线,或TIN、断裂线的组合。在这种情形下,断裂线和不规则三角网必须缝合。再次,相邻地域的地形可以使用不同的形式表达。为便于不同地域地形的组合,每一起伏要素对象用一个二维(可含“洞”)多边形来指定它的有效范围,这种方法便于对不同精度的地形进行拼合(图1)。

2.2 建筑物模型

建筑物模型是CityGML的核心,用于表达建筑物及组成部分、附属部分的空间和专题特征。图2描述了建筑物模型在LOD4下的类及其关系,图3给出四种细节层次下建筑物的展示效果。AbstractBuilding类是该模型的枢纽,它是CityObject类的子类。AbstractBuilding的派生类有BuildingPart和Building类,即把建筑物的某一部分在建模时把它当作抽象“建筑物对象”。另外,一个Building对象可以是一个复杂建筑物对象(BuildingComplex)的一部分。

建筑物和地形的集成是三维城市建模的一个重要课题,特别是当考虑不同LOD层次的地形数据和建筑物模型数据叠加时。为此引入了建筑物和地表面的“交叉曲线”(TerrainIntersection)这个概念,该曲线描述了建筑物和地表面接合的确切位置,为环绕该建筑物的一个闭环。如果某个建筑物包含院子,则该曲线由两个闭环组成,依次类推。在集成时,把建筑物和地形表面进行拖拽,直至其与交叉曲线缝合,确保纹理的正确定位。因不同LOD层次的数据精度不同,所以在一个建筑物可能在不同的LOD有相应的交叉曲线。

在LOD2层次,已可以清晰分辨建筑物的各个面,如屋顶、墙、地板等。为消除数据冗余,表达它们空间属性的面几何体,同时又为表达整个建筑物的几何立体所引用。建筑物的空缺部分如窗口,用闭合面表达。一个LOD2建筑物的几何形状,可由多个立体聚合体和面聚合体组成。此外,一个LOD2的建筑物还可能包括烟囱、阳台、天线等,用BuildingInstallation表示。CityGML对这类设施的几何形状类型没有作限制,用Object Geometr y类来描述。该类是S o l i d G e o m e t r i e s(立体聚合体)、C u r v e G e o m e t r i e s(弧聚合体)、SurfaceGeometries(面聚合体)等聚合类的父类(图2)。

在LOD3层次下,建筑物的空缺部分用Opening类对象来表达,其派生类包括Door和Window等。Openings类是CityObject类的派生类,意味着可以直接从外部数据集直接引用它的对象实例。

LOD4对LOD3进一步作了补充,添加了对建筑物内部结构的描述,如“房间”为天花板、内墙、地板等面“包”住。多个房间聚合成“房间组合体”(GroupOfRooms),房间之内放置家具(Building_Furnitures)、附属设施等。CityGML区分二者的准则是前者是房间内可移动的部分,而后者是永久性地和房间固定在一起,如楼梯、柱子。在LOD4层次,门在拓扑意义上连接了两个邻接的房间,即表示门的面体在几何意义上是两个房间几何体的边界之一部分(图3)。

3 建模实例

CityGML目前主要在德国的柏林等几个城市得到了应用。柏林市建设了一个虚拟三维城市模型系统,其系统数据库基于CityGML的逻辑结构设计,用于存储和管理三维数据,目前主要有以下类型的数据:(1)地籍数据。(2)航空影像。(3)DTM(数字地型模型),20 m精度部分作为框架数据,高分辨率DTM作为三维城市模型的核心数据,特殊地区用TIN建模。(4)建筑物模型数据,在大约250 km2范围内采用激光扫描或摄像测量方法对建筑物进行三维重建,LOD3、LOD4层次的数据主要通过CAD或3D MAX等工具建模,然后再转换成为CityGML格式。

CityGML开发人员也做了一些应用于灾害管理方面的建模实验,如在洪水淹没仿真时,评估人员可以根据楼层的高度和楼层的地下部分,评估建筑物的受损程度;利用建筑物内部拓扑结构图,求解水、烟气等的通路,用经典的最短路径算法来计算逃生路径等。对于每一个建筑物而言,在三维模型中把它当作一个cityObjectMember看待,它的空间属性可以用不同LOD2层次的数据来描述。

4 结语

CityGML致力于提供三维城市模型数据标准,使人们避免针对不同的应用进行大量的重复建模工作,便于在网络环境下实现三维数据的交换与互操作。CityGML开发小组于2005年向OGC提交了0.3.0版本的讨论稿,今年9月份在其网站上已经发布了0.4.0版本,其专题模型还在完善之中。CityGML被OGC评为GML最佳实践项目,预计将很快成为OGC的一项标准。为使WFS规范支持CityGML,OGC已经开始做了相关的实验。波恩大学制图与地理信息学院向OGC提交了W3DS(Web 3D Service)规范的讨论稿,或许CityGML会像GML一样,成为W3DS服务的传输介质。

在软件支持方面,目前LandXplorer等软件可编辑并对CityGML进行三维可视化展示;英国Snowf lake软件公司的GO Publisher,是一款WFS服务器软件,可以从关系数据库中把三维模型数据直接发布成为CityGML数据。目前一些主流GIS软件已经部分支持GML文件的读取,如ArcGIS9等,可以期待当CityGML成为OGC标准之后,将会得到更多GIS平台软件的支持。

参考文献

[1]李军.三维GIS空间数据模型及可视化技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2000.

三维数字技术 篇11

关键词：三维动画；数字光照；电影制作0引言

“数字”一词来源于英语单词“digital”，在三维动画的世界，所有物体、对象和场景均是以几何方法定义的，是一种虚拟的被数字化了的描述。在三维动画的制作过程中有着虚拟数字光源、光照、渲染等种种基于计算机图形真实感的图形图像的重要技术。数字光照是以数字化特征的计算机为创作平台，通过几何方法定义的虚拟的被数字化了的光线描述。它以现实生活中真实的光照原理为基础，采用数字化的技术手段，还原生活中各种形式的自然及人工光线现象。在赋予艺术形象独特的造型感、空间感的同时，提升画面的视觉艺术美感，并以此达到渲染三维动画电影气氛的效果。

美国学者Arnold Gallardo曾提到有关光照在三维艺术创作中作用：“通过光照，你只需要改变主颜色和整体照明程度，就可以改变场景中物体给人的印象和感觉。光照和好的动画、物体细节相结合可以产生令人信服和诱人的3D环境。”在三维动画电影中，数字光照與现实世界的特定艺术性光照一样都扮演着重要的角色，完美地控制数字光照能够在视觉上突出画面的重点，让观众在情感上与影片进行互动，从而提升电影艺术感染力。大致来讲，数学光照对三维动画电影画面视觉表达的具体功用主要体现在以下三个方面。

1数字光照对画面主体的塑造

就像其他传统艺术门类，如绘画、摄影、实拍电影一样，三维动画电影也需要在镜头画面中表现出主体角色或场景，并根据情节进行重点刻画，必要时通过种种数字灯光特效来达到突显角色性格的效果。

2010年7月上映的美国Illumination Entertainment公司制作了该公司的第一部三维动画长片《卑鄙的我》。这部三维动画电影，故事情节虽然比较老套，但整体的视觉画面，尤其是灯光对角色性格塑造的表现却非常突出。电影一开场就交代了主人公格鲁的家，场景中道具物体很多，俯视的机位造成主角的形体在空间中不够明显的状况。这种情况下，如果灯光设置不好，就很容易形成画面过于拥堵，主体不明确的情况。但是，制作者以穿过玻璃窗的光线，在画面中形成强烈的明暗对比，一下子就达到了确立画面的主体，吸引观众视线的视觉目标，同时也从侧面反映了主角外表坚强，内心空虚的人物性格。

另一场戏是主角格鲁正在为盗月计划做动员，这一场戏的数字灯光采用了传统实拍电影光照中比较少用的顶光和逆光来表现角色的性格。在实拍电影光照中，顶光和逆光容易造成面部有较多的阴影，且补光用起来不是很方便，容易让角色显得较为阴险狡诈，画面也会很堵，影响视觉。但动画电影中数字光照不受这些影响，在虚拟的三维空间中，可以架设大量的辅灯来减少面部的阴影，且随着光阴追踪、全局光照这类专业灯光渲染技术的大量运用，画面的阴影部分渲染得越来越柔和。在画面中，顶光与大量辅光的完美配合，虽然面部处于阴影中，但并不过于阴暗，反而突显了主角表面凶恶，内心善良的性格特征。

2数字光照对时空关系的表达

现实生活中我们依靠光线感知世界万物，从时间、空间、外观构造到所有一切可被感知的细节。在三维动画为我们创造的虚拟空间里，这一切都需要数字光照为我们达成，通过光影来塑造三维空间的真实感。通过准确的光线及阴影表现，我们才能更好地理解画面中物体与物体之间的时空关系，并将其与故事情节结合起来，从而更好地融入其中。

2009年美国皮克斯动画工作室制作的《飞屋环游记》，是由曾执导《怪物公司》的彼得·道克特导演的皮克斯的第十部动画长片，作为戛纳电影节60多年历史上的第一部动画开幕片，以美轮美奂的视觉画面赢得了第82届奥斯卡最佳动画长片奖，创造了全球七亿三千万美元票房的好成绩。在这部动画电影的制作中，皮克斯动画工作室应用了一项自行开发的全新的CGI技术——基于点的渲染技术Pixar RenderMan（PointBased Rendering），最终的成片中有大约90%的镜头都使用了这项技术，它的诞生使电影产品渲染中的全局光照效果变得比以前更加实用和高效。创造了超出光线追踪和光能传递之外的更灵活和高效的数字灯光渲染解决方案。

电影初始，有老先生卡尔和爱妻艾莉幼年初识时的破旧小屋里，动画灯光设计师充分展示了数字光照对空间环境的塑造能力。室外的充足阳光透过已经残旧不全的屋顶照射进来，代表着冒险精神的蓝色气球就在阁楼的深处，小卡尔在小艾利的怂恿下正要走过去。画面通过灯光雾很好地交代了光源的方向，将阁楼和屋顶的环境关系及破损程度表现得淋漓尽致，两个孩子完全处于室内阴影下的空间位置交代的也很清晰。在光线的总体色调上不失温馨，采用了较温暖的色调，让整个小屋都充满了梦幻的色彩。当故事发展到小卡尔受伤后，艾利晚上偷偷溜到他家去看他。在这一场戏中，动画灯光设计师又通过数字灯光对故事发生的时间进行了准确表现。画面中浅浅的蓝色光线准确地塑造了有着朦胧月光的夜景，室内橘色的灯光在卡尔的面部形成了极具好莱坞特色的边缘光，既表达了故事的时间又体现了角色的空间关系，同时还通过光线的色彩对比，将小主人公忐忑的心理表现出来。

3数字光照对场景气氛的渲染

光线的强弱、明暗、色彩变化造就了不同的自然环境关系，也让三维动画的空间关系变得更有层次感。在与画面构图的协同作用下，环境气氛被逐步渲染提升，给观众形成种种心理暗示，帮助故事情节变得高潮迭起。

在《飞屋环游记》中，老年的卡尔为了让艾莉开心而带她回到年轻时常去野餐的地方。这个室外场景动画灯光设计师选择了黄昏的时间段，以此来反衬两人已进入了暮色之年。黄昏场景的数字灯光着力刻画画面暗部，这时的画面暗部比较透，阴影也比较长。薄暮作为黄昏的延续，主光采用了灯光阵列来显示天空中柔和的散射效果。画面色调温馨，为了配合故事情节，阴影的色调也选择了偏红的颜色，整体营造了一种夕阳无限好只是近黄昏的情感氛围。当老卡尔在妻子去世后，为了表达出角色的悲痛心情，动画灯光设计师将整体色彩氛围设定为忧郁的深紫色。通过使用全局光照结合点云渲染技术，将室内本身的紫色的光线与从玻璃窗中微微射入的橘色阳光进行互补，并将室内墙面上形成的色溢现象真实地表现出来，营造了一种不失真实又满怀忧伤的情绪氛围。

4结束语

不难看出数字光照其实与传统电影布光一样，是营造动画电影画面的关键因素，如何让画面给观众留下深刻的印象，怎样通过灯光造型更好地塑造角色形象，是每个灯光师都在不断研究的课题。因为光线就和音乐一样，可以穿越我们的理性思维而直接作用于我们的情感，数字光照设计的优劣决定了光照能否在镜头中达成视觉目标，并获得令人满意的视觉效果。参考文献：

[1] 丁翠红.试析二维与三维动画影片的视觉艺术特征[J].现代视听，2011（08）.

[2] JeremyBirn（美）.数字绘图中的光照与渲染技术[M].清华大学出版社，2008.

三维数字技术 篇12

当前社会已经进入大规模数字化时代,人们所生活的城市当中各个子系统都在逐步转入信息化[1],数字城市是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础,以宽带网络为纽带,并运用3S技术、遥测、仿真、虚拟技术等对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述[2]。随着国土事业的不断开展,遥感影像、基础地理信息、土地确权、土地利用现状、土地规划、土地整理、矿产、地质等各类数据的逐年积累,省级已达到10TB级别以上数据规模,海量三维地形数据的交互可视化和三维模型的浏览,其都面临着一个不可避免的问题,就是数据的爆炸性增长[3,4,5]。

研究中通过对省级海量数据管理模式进行了探索,实现了大场景海量数据的管理与发布,将国土资源各种信息根据决策的需要以可视、可推演评估的直观形式,多视角、多层面全方位地展示出来,为政府的决策提供及时、真实、直观的技术支持。通过数字国土三维平台的关键技术研究,为政府部门提供快捷、方便、高效的三维可视化分析场景,为规划决策提供及时、真实、直观的技术支持,为国土资源的成果积累和三维可视化集成应用奠定基础,为国土资源的综合开发利用和长期监管提供科学依据。

2 总体架构

系统平台的总体结构是由基础设施层、数据加工层、数据存储支撑层、应用支撑层、应用系统层及人机交互层6个部分组成,如图1所示。

基础设施层为整个系统的运行维护提供最基础的支持,是整个系统运转和使用的物理基础,主要包括了操作系统平台软件、数据库管理软件、计算机服务器等硬件设备和政府专网、单位内网等。数据加工层主要是遥感影像、各种矢量数据及三维信息的预处理,生成用于三维信息发布的数据。数据存储支撑层对经过三维预处理的影像、DEM、地表数据集MPT文件与土地矢量数据进行统一的存储和管理,建立三维数据库,同时实现数据安全性与备份机制,以应对不同层次的数据需求和系统需求。应用支撑层构建系统功能实现的各类支撑平台。应用系统层包括综合应用层和部门应用层,实现三维浏览查询、数据管理、统计、分析、数据分发等功能。人机交互层通过多种用户的人机交互操作满足各种业务需求,向相关部门提供三维信息服务。

3 数据建设情况

数字国土三维平台数据的建设内容是对全省的遥感影像数据、基础地理信息数据、农村土地调查数据、城镇地籍调查数据、土地动态监测数据等进行整合、处理,形成地理实体数据、地名地址数据、线划电子地图数据、影像电子地图数据、三维模型数据。

3.1 数据资源

遥感影像数据包括2004年山东省30mTM影像,2007~2008年该省0.25m分辨率DOM等航片数据;2009~2015年度山东省土地变更遥感影像,分辨率0.5~10m QuickBird、SPOT、IKNOS、worldview、GeoEye、资源三号、天绘、遥感一号、遥感三号、遥感四号、高分一号、高分二号、高分八号、高分十四号等卫星影像。矢量数据包括山东省基础地理信息数据1∶1万DLG(数字线划图),比例尺1∶1万、1∶5万DEM(数字高程模型)。专题矢量数据包括2006~2007年威海市土地动态监测数据、2009~2015年山东省农村土地调查数据、2010年东营市城镇地籍调查数据。其它数据包括文字、图片、表格、声音、视频等文件及各种数据的元数据。

3.2 数据建设

3.2.1 影像数据库

遥感影像的处理主要有几何纠正、图像增强(空域增强、频域增强、色彩增强、数据融合等)、裁切、接边、格式转换、坐标转换及入库。影像数据库由影像数据库管理系统、影像数据库、元数据、影象空间索引数据和查询检索服务组成。总的设计思想是基于三维地理信息系统技术和数据库技术结合影像数据特征,采用数据库管理与文件管理相结合的独特技术体系。数据库管理部分主要是针对影像数据之外的数据,包括利用现有的空间基础框架数据和专题矢量数据库、建立影像数据的相关的元数据库、编码数据和文档数据库;影像数据由于其特殊性则采用灵活的文件管理方式;并在海量数据的影像文件与矢量数据等数据库管理的数据之间根据项目、区域或时间序列建立对应索引关系,并且通过数据库来存储和管理这种关系。

3.2.2 矢量数据库

数据的处理包括基础地理信息框架数据图幅合并、土地调查数据格式转换、坐标系统转换、属性字段汉化等处理。矢量数据属性项尽量保持原始成果数据内容,投影转换为WGS84投影。将以县为单位的农村土地调查数据合并为以市为单位存储。对土地调查数据的境界线层进行编辑,根据县界合并市界,提取乡镇界,生成线状境界线和面状行政区,海边线状界线删除,乡镇界数据抽稀、抽稀乡镇界合成为县界、县界合成为市界。按照土地权属信息,将单位名称、村庄、镇、街道办名称提取出来,更新地名库。利用数据库管理系统矢量入库功能,将矢量数据存储于oracle数据库中。

3.2.3 三维数据库

三维地形数据集是构建三维场景的基础,即用多时相、多尺度遥感影像等数据,叠加DEM数据,合成具有实际大地坐标的、带有地形起伏的三维仿真地形。利用遥感影像库的影像数据、DEM数据通过TerraSuite的地形生成模块Builder Enterprise利用服务器集群及闲置微机,完成对数据的叠加和融合,采用小波等压缩算法,生成三维地表数据集(MPT文件),通过Terragate将三维地形数据mpt以流模式发布,或通过Terragate和Skyline直连模块将影像数据、DEM数据直接发布为三维影像数据,而不经过生成MPT步骤,用户利用In-ternet License网络许可通过政府内网实现三维影像浏览。对于基础地理信息、土地调查信息等矢量数据,使用Skyline SFS缓存机制,对其进行切片处理,首先将矢量数据层存储在cache里,再将cache文件发布为WFS服务,用户利用IIS实现对矢量信息的查询浏览需求。

4 关键技术

4.1 海量数据的高效组织与传输技术

采用了基于节点和图层的场景数据组织模型,大大简化了场景的管理。根据用户的需要以不同分辨率进行存储、显示,形成分辨率由粗到细、数据量由小到大的金字塔结构,用于海量影像数据和矢量数据的多分辨率组织。同时采用流模式进行传输地形数据,提高了三维场景的传输、加载与显示,并通过将并发访问分担到多台服务器上,从而减少了网络设备和服务器的带宽对数据传输的限制,缩短了用户等待响应的时间,加强服务器端处理数据的能力,提高网络传输的效率。

4.2 快速压缩及多级分布式缓存

为了快速存储、处理和传输海量数据,必须要对图像信息和数据复杂度高的三维场景进行压缩处理。采用基于小波变换的快速无损图像压缩算法,减少表示原始影像的比特数消除冗余度,而对三维模型的数据压缩则采用细节层次LOD以达到更快速的网络传输。三维空间数据的实时可视化需要高效调度数据,良好组织各种数据类型能有效提高服务端对服务请求的响应能力,三维空间索引及多级缓存是解决大规模三维空间数据并行管理的关键,它可以有效地提高各种请求的处理效率。

4.3 网络服务空间信息服务

采用有空间查询能力的结构化查询语言对三维空间数据进行查询和检索,提供三维空间数据的存取、交换、空间分析和空间量测、运算、及信息查询等空间信息服务。空间应用服务器可以将地理数据翻译成不同形式的可视数据,如:栅格、矢量、属性表、地理元数据等,响应数据访问请求并将结果以合适的数据格式返回到浏览器端。

5 结语

基于WebGIS、3DGIS技术的数字三维国土平台,采用流模式传输及直连、负载均衡技术,在三维可视化环境下,实现了土地调查成果的生动展示和高效管理,海量数据的存储、发布、浏览、查询和不同时相的土地利用动态遥感监测成果对比浏览与管理应用等。该平台可以实现国土资源管理各部门及不同行业多种形式的三维信息交互共享服务,能够为省级国土资源管理与决策提供长期、有力地信息支撑,并为国土资源信息的共建与共享进行了重要应用实践探索。

摘要：通过对省级海量数据管理模式及其关键技术进行的探索,建立并实现了大场景数据的可视、可推演并建立了山东省数字国土三维平台,完成了土地资源管理信息数字化、网络化、规范化目标,为省级国土资源管理“批、供、用、补、查”和监管平台提供基础信息和决策依据。

关键词：数字国土,三维可视化,海量数据,辅助决策

参考文献

[1]王家耀.地图制图学与地理信息工程学科发展趋势[J].测绘学报,2010,39(2):115~119.

[2]Mller T,Moller T A,Haines E.Realtime Rendering[M].USA:KPrters,Ltd,2002.

[3]孙颖,张新长,张维.基于数字城市建设的“一张图”应用模式研究[J].测绘通报,2013(10):34~58.

[4]庄文彬,陆一中.城市规划三维辅助决策系统关键技术研究[J].城市勘测,2009(6):7~10.