陆济湘申请学位级别：多边形网格建模和场景构造

华中科技大学 博士论文 3D物体建模与场景构建技术 研究姓名：卢继祥 学历层次：博士 专业：控制科学与工程 导师：李德华 2010-08-06 三维物体建模与场景构建是当前研究的热点。它在虚拟现实、游戏设计、数字城市、虚拟旅游、地理信息系统（GIS）和计算机辅助设计（CAD）等领域都有重要应用。在游戏设计中，美术师在3ds max软件中生成的游戏场景和角色需要用网格数据保存，很多物体需要在CAD系统中建模，生成G代码来驱动数控机床。在 GIS 系统中，要建模的地形的三维数据。在虚拟现实和游戏中，需要构建场景图，场景图中的三维对象由多边形集合或样条曲面构成。游戏中人物的路径也可以设计成样条曲线。在动画中，各种形状的变形其实就是样条曲面的变形。因此，研究3D物体的表示与建模以及3D场景的构建具有重要意义。本文提供了对象建模的一些方法，开发了场景构建平台和相交线软件开发平台。具体研究内容包括： 针对多边形网格建模，设计了一种高效的数据结构来保存和绘制3D形状的数据。设计了Mesh数据结构Mesh类，包括顶点集、面集和法向量集。提出了相应的算法来生成这三个集合虚拟现实与系统仿真 机器人行走动画代码，并提供了绘制Mesh类的方法。

针对多边形网格建模、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、场景构建语言、统一的场景类设计和实现方案，以及具体算法对各种对象进行建模。提出了一种交互式的从图像中提取轮廓线重构三维形状的方法，设计了挤压形状、旋转形状、光滑曲面、直纹曲面和二元显式函数曲面的构造算法并写入文件，便于在场景构建语言中使用它们来构建场景。为了重构激光扫描仪产生的数据，提出了一种基于散点的重构算法。研究了多关节机械臂式3D坐标采集系统中的空间坐标模型和参数标定方法。建立了多关节机械手式3D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。在研究了基于最小二乘法的标定方法后，提出了一种基于遗传算法的标定方法。对于样条曲面建模，包括贝塞尔曲面和B样条曲面，通过直纹曲面和旋转曲面构造物体，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来构造一组顶点、面和法向量并绘制出来。它们也可以写入文件，以便它们可以用于以场景构建语言构建场景。对于 Constructive Solid Geometry (CSG) 建模，复杂形状通过场景构建语言、布尔运算和光线追踪技术进行建模。

使用了光线追踪算法，并设计了用于光线追踪和布尔运算的类。使用场景构建语言绘制 CSG 形状。为了提高光线追踪的速度，通过构建bounding box来加速光线追踪。设计了各种用于场景构建的类和场景构建语言。提供的场景类和场景构建语言能够读取3ds max、虚拟现实语言（vrml）和网格文件。使用场景构建语言，这些文件可以组合并呈现可用。使用场景构建语言开发了场景构建平台。通过它，你可以给场景添加3D形状，变换渲染，编写场景文件保存。开发了一个交叉软件平台。描述了实现相交线软件的关键技术和核心类。通过改变参数，可以看到2D和3D图形，切割模拟图形，生成关键词： 3D物体建模 网格场景构建 曲面建模 遗传算法 光线追踪 包围盒 IIIAbstr act 三维物体建模场景构建研究重点。重要角色 虚拟现实，游戏设计、数字城市、虚拟漫游、GIS CAD应用。游戏设计，我们应该保存meshdata游戏场景角色生成的artdesigner 3dsmax。在CAD系统中我们应该建立模型许多对象CNC机床。 GIS系统，我们有模型三维数据虚拟现实游戏，我们要场景图，三维物体多边形集合样条曲面，游戏人物行走路径也可以样条曲线，各种形式的变形实际上是样条曲面变形。三维物体 三维场景非常重要。提供多种方法对象建模文章，我们还开发了场景构建平台相交线软件开发平台。具体研究包括：多边形网格建模，我们设计高效的数据结构3Dshape数据。我们设计网格数据结构顶点集，面集n法向量集，我们提供合适的算法三集，提供方法Meshclass。多边形网格建模、曲面建模 CSG（Boolean body）建模提供统一的数据结构meshfiles、场景构造语言，统一的场景类设计提供各种对象的建模算法。提供交互式图片提取轮廓方法，设计构造算法拉伸物体、旋转物体、光滑曲面、直纹曲面、双变量显式函数曲面、场景使用SCL(Scene Construct Language)。 paperdeals 坐标模型多关节型坐标测量机。提出了广义模型对单元，通过它可以轻松推导出坐标模型多关节型3D扫描仪（MJT3DS）系统。新方法论文。基于实值遗​​传算法，该校准算法比应用最小二乘迭代算法的线性算法具有更多优势。算法已通过计算机仿真得到验证。我们探索了样条曲面建模，包括贝塞尔曲面B样条曲面、直纹曲面旋转曲面。我们可以改变surfaceshape控制点。我们还使用数据结构类网格顶点集、面集法线向量集。也可以使用 SCL 构建场景。我们描述了使用 SCL 的 CSG 身体建模，布尔运算光线追踪技术使复合身体建模成为可能。我们使用了光线追踪算法，光线追踪类布尔运算。我们使用 SCL 光线追踪边界框我们设计各种 SCL。我们提供类 3dsmax、vrml 网格文件。使用 SCL，我们可以将文件放在一起提供渲染。利用 SCL 我们开发的场景结构允许您 3D 对象场景，转换文件。我们开发了相交线软件平台。我们描述了与软件关键技术核心类相交的实现。参数，我们可以看到2D 3D图形，切割模拟CNC设备工具。关键词 ds: 三维物体建模 Mesh 场景构建 曲面建模 遗传算法 光线追踪 Bounding box 提交 论文是我个人的研究工作和在导师指导下获得的研究成果。

据我所知，除文中引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或团体的任何已发表或书面的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和团体在正文中明确标出。我完全清楚本声明的法律后果是我自己的责任。学位论文作者签名： 日期： 学位论文著作权使用授权 学位论文作者充分理解学校对学位论文保存和使用的规定，即学校有权保留和发送论文复印件和电子版发给国家有关部门或机构，允许论文查阅和借阅。本人授权华中科技大学将本论文全部或部分内容编入相关数据库进行检索，并以影印、缩微打印或扫描等方式保存和编纂本论文。保密，此授权将在2018年解密后申请。非保密。 （请在上框中标“”） 论文作者署名： 导师署名： 日期： 引言1.1引言 随着计算机技术的飞速发展，计算机图形技术和多媒体技术越来越多并且使用更广泛。应用方面，3D建模技术已成为计算机科学的主要任务之一。电脑游戏、CAD、GIS系统等领域对这项技术提出了越来越迫切的要求。 3D物体建模与场景构建在电脑游戏、CAD、3D漫游、虚拟现实与数字城市、3D仿真与仿真、GIS系统、工业以及军事、医疗、视频系统等诸多领域发挥着重要作用。

在机械制造中，通过各种布尔运算构造出各种复杂的形状，或者通过公式生成形状，生成G代码，用G代码控制数控机床切割生产出需要的产品。虚拟现实技术需要大量的场景3D模型数据用于国防、仿真训练、科学实验等。在游戏领域，通过3DS MAX软件构建场景，再通过3D游戏引擎转化为互动游戏场景。在影视业和广告业中，演员、模特、道具等都可以扫描到电脑中，结合现代电脑的动画技术，这些人物和道具的图像可以进行旋转、压缩、拉伸、变形等进行切割、切割、拼接等处理，然后融入特定场景，实现高难度特效。在GIS系统中，三维地形数据和数据库系统结合在一起。此外，在医学上广泛使用的CMM、CT机和MRI核磁共振仪都是3D建模技术的典型应用。 1.2 项目介绍 华中科技大学（原华中科技大学）人工智能研究院在李德华教授（博士生导师）的主持下成功研发了“3D激光色彩信息采集系统3DLCS” 1996年进入中国，同年获得中国国家专利。其后，1997年国家自然科学基金和1998年国家“863”高新技术发展计划分别设立项目资助，项目编号为69775022和863-306-ZT04-06-3，支持系统的进一步研发，使研究成果日臻完善，尽快转化为产品，服务国家经济建设，促进相关领域的发展和完善。

在这两个项目的资助下，本文对原系统的一些相关内容进行了理论研究和技术改进，使系统更加完善和适用，为其进一步发展奠定了基础。 2000年，湖北黄河电影科技有限公司购买了专利权，投资超过200万元，研发生产了3D激光彩色信息采集系统。成功推出3DLCS100、3DLCS200和3DLCS400样机。使这一成果走上产业化道路。 3D彩色数字化仪系列的关键部件或核心部件具有很强的与其他通用技术的对接能力，可以衍生出众多的边缘产品，蕴藏着打造一系列高科技边缘产品的巨大潜力。产品应用领域的进一步发展，性能和质量要求的进一步提高，必然要求和推动相关领域的科技进步。这一格局一旦形成，将进一步发展成为一个大产业，增加对国民经济的贡献。可见，三维数字化仪具有良好的发展前景。为加快我国国民经济发展，赶超国际先进水平，建设具有中国特色和自主知识产权的3D扫描仪产业，本项目的实施不仅必要，而且意义重大。正是在这两个课题的资助下，本文开展了3D人体建模和场景构建技术的研究。 1.3 场景开发平台的研究背景及国内外发展趋势目前的场景平台主要以虚拟现实（VR）平台为主。

美国虚拟场景仿真技术的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软硬件四个方面。 NASA 的研究重点是空间站机动的实时模拟，他们广泛使用面向驾驶舱的飞行模拟技术。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室对感觉、知觉、认知和运动控制能力进行研究。 Dave Sims 等人开发了一个虚拟现实撤退模型，以了解该系统是如何工作的。乔治梅森大学在动态虚拟环境中开发了一种流体实时仿真系统。美国莱特-帕特森空军基地“3D图像与计算机图形实验室”在SGI4D/400工作站上建立空间卫星虚拟环境，模拟近地空间，描述3D图形运行状态卫星模型绕地球运行，使模拟用户对模拟对象的信息有更完整的掌握。位于德国达马斯塔特的弗劳恩霍夫计算机图形研究所开发了一种名为“虚拟设计”的组合工具，可以实时显示图像和声音。德国国家数学与计算机研究中心 (GMD) 设立了一个部门来研究虚拟现实性能、碰撞检测、绑定在盒子中的物体的运动、高速变换和运动控制。英国布里斯托尔公司发现，虚拟现实应用的重点应该集中在软件和整体集成技术上。公司将VIZ分为三类：实际环境检测、虚拟环境控制、虚拟环境展示。

日本目前是虚拟现实仿真技术研发领先的国家之一，主要致力于建立大型虚拟现实知识库的研究。此外，在虚拟现实游戏的研究方面也做了大量工作。东京工业大学的精密与智能实验室研究用于构建 3D 模型的人性化界面。东京大学广田实验室专注于虚拟现实的可视化，目前已经取得了四项成果：类 CAVE 系统、使用 HMD 在建筑物中漫游、人体测量和模型跟踪以及飞行模拟器。与一些发达国家相比，我国在这一领域还有一定的差距。我国“九五”、国家自然科学基金、国家高技术研究发展计划等都将虚拟环境仿真纳入研究项目。北京航空航天大学计算机系是国内开展虚拟现实研究最早、最权威的单位之一。他们专注于虚拟环境中对象物理属性的表示和处理；他们为虚拟现实中的视觉界面开发了一些硬件。 ，并提出了相关的算法和实现方法；实现了分布式虚拟环境的网络设计，建立了在线虚拟现实研究论坛，可提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，为飞行员训练提供虚拟现实系统，为开发虚拟现实提供开发平台现实应用系统。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了桌面虚拟楼宇环境实时漫游系统。系统采用分层渲染技术和预消隐技术，实现立体视觉，提供便捷的交互工具。 ，使整个系统的实时性和画面的真实性都达到了很高的水平。

中视点数码科技有限公司在虚拟现实与仿真、多媒体技术、3D动画等方面的研发也取得了不错的成绩，并成功开发出具有自主知识产权的虚拟场景浏览器软件VR-Platform财产权。在基于OSG的3D仿真平台（简称3DVR）上，对OSG进行了极大的扩展和改造，一个易于二次开发、多种仿真系统可快速定制的支撑平台，只需要短暂的学习时间。 ，它可以高效地开发各种仿真应用系统，从而大大降低了从最原始的工具开发仿真应用系统的成本。该平台可应用于军事、教育、建筑规划等诸多领域。 3DVR通过标准化设计集成了一些知名的开源软件和引擎（如Open Scene Graph（OSG）、Open Dynamics Engine（ODE）、CharacterAnimation Library（CAL3D）、OpenAL等）。通过这些底层模块的隐藏封装、模块集成等技术开发，形成更便捷的高级AP函数库，让开发者可以在必要时使用底层函数进行二次开发。陈刚提到了场景模拟平台上FLT、3DS、GLS几种文件格式的组合。 1.提出的4个问题由于目前的场景平台主要是基于虚拟现实（VR）平台，是一个可以创造和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。

目前，虚拟现实（VR）技术已在欧美、日韩等地广泛应用，并广泛应用于城市规划、旅游、产品、地产、服装展示、展览等领域。但目前在国内规划领域应用并不广泛。这是因为：应用范围太广，对3D数据模型的需求太大，使得3D建模数据处理的工作量太大。目前生成的模型在不同环境下很难与周围环境融合，极大地降低了模型的三维性能。目前市场上的3D软件主要擅长3D模型的建立，但还没有结合各种3D建模和虚拟仿真等高科技手段的直观展示软件。因此，目前的虚拟现实和3D建模技术存在一定的问题，主要体现在以下三点： 目前还没有统一的场景构建语言，结合各种场景数据，对场景进行渲染和变换。 基于以上考虑，本文研究了“3D物体建模与场景构建技术”的问题。由于场景由各种 3D 对象模型组成，因此将首先研究各种多边形网格建模（包括挤压体、旋转体、光滑曲面和扫描仪数据建模）、样条曲面建模和结构实体几何。建模，最后是由 3ds max 创建的模型和由 VRML 创建的模型。然后在此基础上，通过提供统一的网格数据结构和场景构建语言，将各种三维物体组合在一起进行渲染。

研究如何利用最新的3D建模和场景构建技术虚拟现实与系统仿真 机器人行走动画代码，提供对象管理和3D场景管理、人机交互、对象实时维护等多种功能，满足不同人群的应用需求。 1.5 3D信息获取与重构技术1.5.1 3D信息获取技术随着计算机视觉技术的发展，在过去的几十年里涌现了大量的3D信息获取技术. 3D信息获取的方法和原理在很多文献[4-8]中都有详细的描述，尤其是King Kong博士在这方面的深入细致的阐述，并对3D获取技术的现状进行了完整的分析。三维信息主要是指目标的空间位置信息（三维坐标）。通过设备（三维扫描仪）获取信息后，由计算机根据需要进行处理，利用三维重建技术生成目标的三维模型。物体表面3D数据的获取方式基本上可以分为接触式和非接触式两大类。根据探头的不同，接触式可分为触发式和连续式；非接触式按其原理不同可分为光学式和非光学式。其中，光学方法包括三角法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法等；非光学方法包括CT测量法、MRI测量法、超声波法等。接下来介绍接触式（多关节）扫描仪和非接触式（激光）扫描仪。多关节扫描仪 接触式多关节扫描仪是利用与测量装置相连的探头直接接触被测点，根据测量装置的空间几何形状得到探头的坐标。

Cimcore Corporation、FARO Corporation 和 Immersion Corporation 开发了相应的产品。但国外现有的接触式3D扫描仪产品在价格、结构、易用性等方面存在不足，尤其是价格偏高，在国内难以推广应用；其中大部分在国内仍处于实验室研究或样品阶段。为此，在李德华教授的指导下，研制出具有自主知识产权的产品。根据仿生学原理，由精密制造安装的杆和关节组成，模拟人的手臂探测三维物体的表面。通过关节与杆之间内置高精度角度传感器，得到关节与杆的旋转角度，并结合机械手的结构参数，利用坐标转换公式计算空间位置探头坐标。该方法原理简单，但装置复杂，测量速度慢，无法获得物体表面的颜色。由于杆件、接头、传感器等部件的加工装配误差，各部件的实际结构参数与标称参数存在一定偏差，导致测量坐标误差。因此，为了提高测量精度，非常有必要对多关节3D扫描仪进行标定，以获得尽可能准确的实际结构参数。在标点符号方面，整体误差最小，从数学的角度来看，这是一个参数优化问题[9,10]。文献[11-14]提出使用最小二乘法来解决尺度问题，但使用该方法最大的困难在于其所涉及的偏导数矩阵在最优解附近的每个元素的值较小，使得它的逆求解会遇到很大的困难甚至是不可能的。

此外，最小二乘法在迭代的初始阶段收敛非常快，但在接近最优解时几乎停滞不前。我提出了一种基于遗传算法的参数标定方法[15,16]，具有标定点数不限、精度高的优点。实验结果表明，该标定方法具有良好的实用性和鲁棒性。 2）激光扫描仪非接触式扫描仪[17-41]主要是基于计算机视觉原理，从相机捕捉到的图像中获取目标的三维信息，包括结构光法、立体视差法、雷达测距法、透视法、莫尔条纹等。非接触式具有扫描速度快、不影响物体表面形状的优点，但也有受物体反射特性干扰等局限性。物体表面和遮挡的存在。开发的激光扫描仪基于结构光方法。结构光测距是一种同时使用图像和可控光源的测距技术。它的基本思想是利用照明光源中的几何信息来帮助提取场景中的几何信息。早期采用结构光点测距，后来发展为灯条法、网格法、圆形灯条法、十字线法、随机纹理法等。该方法利用具有一定结构的光平面照射物体表面产生光条纹，并从捕获的图像中提取这些光条纹。这些光条的形状和不连续性构成了场景中物体的各种可见表面和相机光学元件。中心之间的相对距离度量。这种方法最早由 Will 和 Pennington 在 1970 年代初提出 [42,43]。

随后，Popplestone、Agin 和 Binford 等人。使用光条纹提取物体表面上的 3D 信息 [44,45]。 1980年代初，Potmesil、Tio、McPherson等人利用激光或白光作为投影光源，分别形成点、线或光栅投影，通过三角学得到物体的三维形状[46-48]。在 1980 年代中后期，这种方法在物体和图像的标定方面取得了很大进展[49,67]。近几十年来，由于新型半导体激光器和新型光电探测元件（如CDD和PSD）的不断发展和改进，结构光3D信息采集系统在小型化、高精度和高速化方面取得了长足的进步。进步。目前对该方法的研究主要集中在精度的提高上。 1.5.23D重建技术 3D模型的重建[68-70]是整个逆向工程中最关键、最复杂的部分。在研究了文献[77]中不同的3D形状表面重建技术后，我提出了将无组织点云转换为稳定多边形模型的全过程，并描述了一些三角形算法和建模算法。在逆向工程中，3D模型的重建是利用产品表面上的散点数据，通过插值或拟合，构造一个近似模型，逼近产品原型。通过 3D 模型，可以使用现有的 CAD/CAM/CAE 技术生产产品，以进行重新设计和各种工程分析。

在逆向工程中，3D模型的重建是利用产品表面上的散点数据构造一个近似模型，通过插值或拟合来逼近产品原型。根据曲面拓扑形式的不同，在目前的逆向工程研究中，自由曲面建模方法分为两类：一类是基于三角形贝塞尔曲面的曲面构造方法；二是矩形域中基于NURBS（Non-Uniform Rational B-like bar）曲线和曲面的参数曲面拟合方法。这两种表面重建方案各有优缺点。曲线重建 [71] 是构建曲面的基础。在逆向工程中，一种常用的重建曲线模型的方法是通过插值或逼近将数据点拟合成样条曲线。曲面重建主要有两种方法[72,73]：一种是基于曲线的曲面重建，即先将数据点拟合到一条曲线上，然后用曲线进行曲面建模；另一种是直接对测得的数据点进行表面补丁拟合，通过表面补丁的过渡、融合和连接，得到最终的表面模型。第一种方法只适合处理少量数据，数据排列有序。对于第一种方法，介绍以下常用方法[74-76][77-85]：面向各个方向。由于同时使用了几条线，并且在生成曲面时，将相邻两条曲线的参数值相同的点用直线段连接起来得到曲面，所以这些直线的排列远离曲面转数[86-99]：等高线环绕某条曲线。 A surface produced by rotating an axis by an angle.

Sweep surface: The surface generated by the section generation curve controlling the movement and change of the curve along one, two or three directions. Fill Surface: Fill the surface formed by filling the area surrounded by N borders. Function Surface In the field of computer graphics, the representation of objects is a difficult problem to solve. Different representation methods have their own advantages and disadvantages. Here, the different modeling methods are sorted by popularity and introduced separately [100] Polygonal mesh modeling (polygonal) Objects can be approximated by polygonal faces formed by a polygonal mesh. In this way, objects of any shape can be represented with a certain degree of accuracy, however the definition of accuracy is somewhat arbitrary. When the object is very fine and complex, this form of polygon mesh exposes many disadvantages. The main disadvantage is that when representing objects, the number of polygons will vary greatly depending on the shape of the object, which leads to huge differences in the rendering time of objects, the cost of object construction, and the feasibility of real-time rendering of objects. . Spline surface [101-114] Generally speaking, it can be said that this representation method is similar to the polygon representation method, but the individual polygons in this representation method are all surfaces. For any patch, it can be expressed mathematically, giving its position and shape in three-dimensional space. With this formula, any point on the surface can be obtained; at the same time, the shape and curvature of the patch can be changed by modifying the mathematical formula, which makes the process interactive.

However, this method also has a big problem: when changing the shape of a patch in the mesh formed by the patch, it is difficult to maintain the smoothness of the connection between it and its adjacent patches. Constructive solid geometry [115-124] (constructive solid geometry, CSG) This is an accurate representation defined within strict shape constraints. Its idea comes from the fact that many objects in reality can be represented by a combination of basic shapes or geometric elements. For example, having a hole in the middle of a piece of metal can be embodied as the difference between a rectangle and a cylinder. Such representations are not only simple, but also allow for intuitive shape control. Thus, a metal disk can be specified to have a hole of the appropriate size and then subtracted from the disk to represent a holed disk. CSG notation is a volumetric notation, that is, the status quo is composed of basic entities or simple archetypes. This is in stark contrast to the first two methods of representing shapes with surfaces. Spatial subdivision techniques This method subdivides the space of an object into basic cubes called “voxels” and labels each voxel as either empty or containing part of an object, as appropriate. This is a three-dimensional representation that represents a two-dimensional object as a set of pixels on a projected plane. Labeling the three-dimensional object space in this way is obviously laborious, but the method has found applications in computer graphics.

This method represents the three-dimensional space occupied by the object, while other methods represent the surface of the object. Implicit representation (implicitrepresentation) Implicit functions are less commonly used, but can also be used to represent the shape of an object. If an implicit function is as follows: This function defines a sphere. This has very limited application in computer graphics, as only a limited number of objects can be represented this way; it’s also inconvenient when it comes to rendering. It should be mentioned, however, that in the field of computer graphics, especially in the field of ray tracing [125-135], this representation is also widely used due to the frequent use of spheres. 1.6 Research purpose and significance 3D object modeling and scene construction in computer games, CAD, 3D roaming, virtual reality and digital cities, 3D simulation and simulation and GIS systems, machining, film and television special effects production, cultural relics protection, Apparel design, three-dimensional communication and other industries have broad application prospects. 3D information technology has broad application prospects in machining, film and television special effects production, virtual reality, cultural relics protection, clothing design, 3D communication and other industries. In terms of industrial production: calculate the moving position and angle of the cutting machine through the intersecting line formula of the main branch pipe [136-144], generate G code, send the data to the CAD system and numerical control processing equipment, and quickly copy and process it. 10 to identical products; In terms of GIS systems, by modeling various three-dimensional terrain data and combining various application systems, many GIS applications, such as digital cities, can be constructed.

In computer games, scenes and characters are generated by modeling software such as 3dsmax, and the creation of these scenes and characters is realized through object modeling technology. In terms of film and television special effects production: According to the spline surface modeling technology, the characters and scenes generated by 3dsmax are deformed, rotated, compressed, stretched, twisted and other changes, and various special effects such as cutting, cutting, splicing, and movement are completed. Process, or integrate into a specific scene to achieve a variety of difficult special effects. In terms of virtual reality: by modeling and rendering various scenes in the environment, once the three-dimensional model of the scene in the environment is obtained, a virtual environment can be completely created using virtual reality technology. In terms of cultural relics protection: after obtaining the external dimensions and surface color and texture of cultural relics, a three-dimensional color copy of the object is obtained through object modeling, instead of just a few side images like photos. Moreover, this information is convenient for long-term preservation, easy to copy, reproduce, transmit, consult and exchange, enabling researchers to conduct intuitive research on cultural relics without direct contact with them, even thousands of miles away. With this information, it also brings great convenience to the reproduction of cultural relics. The three-dimensional color digital model of cultural relics is sent to the virtual reality system, and a virtual museum can be established. In terms of clothing manufacturing: traditional clothing manufacturing is mass-produced according to standard humanoid size. With the improvement of living standards, people begin to pursue more and more personalized clothing design, which is specially tailored for specific customers. Once all the dimensions and three-dimensional color models of the human body are obtained, combining these data with the clothing CAD technology, a three-dimensional digital human body model can be constructed in the computer, and the clothing design can be carried out according to the specific size of each person to design the most personal and comfortable clothing. And can watch the final dress effect directly on the computer.

The whole process is fast and effective. The earliest application of this aspect was in military clothing. The ARMSTRONG laboratory in the United States used Cyberware’s three-dimensional scanner to manufacture anti-G suits for advanced fighter pilots. 1.7 主要研究内容 本文在第二章首先研究多边形网格建模，包括设计一个高效的数据结构来对三 11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，提供了相应的算法来生成这三个集合，提供了绘制Mesh 法。为了从二维图片中获取轮廓线，提供了一种交互式的从图片中提取轮廓线的方法，设计了拉伸形体，旋转曲面，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。还研究了 对激光扫描仪产生的数据进行建模，并提出了一种基于扫描仪散乱点的三维重建算 接下来在第三章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。然后在第四章探讨了样条曲面建模，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。第五章讲述了 CSG 形体建模，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 围盒和二叉树来加速光线跟踪。第六章设计了场景构造的框架，讲述了场景构造语言。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 写入场景构造文件来保存。还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。主要工作如下： 对于多边形网格建模，样条曲面建模和 CSG（布尔体）建模提供了统一的 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 12模各种形体的具体算法。提出了一种交互式的从位图中提出轮廓线进行三维重建的方法，该方法操作方便，并用于物体建模中，效果良好。

提供的场景类和场景构造语言能够读取各种网格文件，3dsmax 文件 、vrml 文件和扫描仪产生的网格文件。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。 实现了场景构造的平台，通过它可以将形体加入场景中，对其进行变换和渲染，并能将场景保存到场景文件中。 实现了相贯线软件开发方案和关键技术。在相贯线软件开发平台上，通过前面介绍的建模技术和相贯线公式构造形体，利用CSG 建模技术和光线跟踪技术来绘 制形体，最后生成G 代码，驱动数控机床来切割管道。 大大大大学学学学 大大大大学学学学