三維模型

三維模型 圖片來自普象網

三維模型是物體的多邊形表示，通常用計算機或者其它視頻設備進行顯示。顯示的物體可以是現實世界的實體，也可以是虛構的物體。任何物理自然界存在的東西都可以用三維模型表示。

目錄

建模介紹

三維模型經常用三維建模工具這種專門的軟件生成，但是也可以用其它方法生成。作為點和其它信息集合的數據，三維模型可以手工生成，也可以按照一定的算法生成。儘管通常按照虛擬的方式存在於計算機或者計算機文件中，但是在紙上描述的類似模型也可以認為是三維模型。三維模型廣泛用任何使用三維圖形的地方。實際上，它們的應用早於個人電腦上三維圖形的流行。許多計算機遊戲使用預先渲染的三維模型圖像作為sprite用於實時計算機渲染。

三維模型已經用於各種不同的領域。在醫療行業使用它們製作器官的精確模型；電影行業將它們用於活動的人物、物體以及現實電影；視頻遊戲產業將它們作為計算機與視頻遊戲中的資源；在科學領域將它們作為化合物的精確模型；建築業將它們用來展示提議的建築物或者風景表現；工程界將它們用於設計新設備、交通工具、結構以及其它應用領域；在最近幾十年，地球科學領域開始構建三維地質模型。

三維模型本身是不可見的，可以根據簡單的線框在不同細節層次渲染的或者用不同方法進行明暗描繪（shaded）。但是，許多三維模型使用紋理進行覆蓋，將紋理排列放到三維模型上的過程稱作紋理映射。紋理就是一個圖像，但是它可以讓模型更加細緻並且看起來更加真實。例如，一個人的三維模型如果帶有皮膚與服裝的紋理那麼看起來就比簡單的單色模型或者是線框模型更加真實。

除了紋理之外，其它一些效果也可以用於三維模型以增加真實感。例如，可以調整曲面法線以實現它們的照亮效果，一些曲面可以使用凸凹紋理映射方法以及其它一些立體渲染的技巧。

三維模型經常做成動畫，例如，在故事片電影以及計算機與視頻遊戲中大量地應用三維模型。它們可以在三維建模工具中使用或者單獨使用。為了容易形成動畫，通常在模型中加入一些額外的數據，例如，一些人類或者動物的三維模型中有完整的骨骼系統，這樣運動時看起來會更加真實，並且可以通過關節與骨骼控制運動。

構成

網格

網格是由物體的眾多點雲組成的，通過點雲形成三維模型網格。點雲包括三維坐標（XYZ）、激光反射強度（Intensity）和顏色信息（RGB），最終繪製成網格。這些網格通常由三角形、四邊形或者其它的簡單凸多邊形組成，這樣可以簡化渲染過程。但是，網格也可以包括帶有空洞的普通多邊形組成的物體。

紋理

紋理既包括通常意義上物體表面的紋理即使物體表面呈現凹凸不平的溝紋,同時也包括在物體的光滑表面上的彩色圖案，也稱紋理貼圖（texture），當把紋理按照特定的方式映射到物體表面上的時候能使物體看上去更真實。紋理映射網格賦予圖象數據的技術；通過對物體的拍攝所得到的圖像加工後，再各個網格上的紋理映射，最終形成三維模型。

構建方法

物體的建模方法，大體上有三種：第一種方式利用三維軟件建模；第二種方式通過儀器設備測量建模；第三種方式利用圖像或者視頻來建模。

三維軟件建模

在市場上可以看到許多優秀建模軟件，比較知名的有3DMAX, SoftImage, Maya,UG以及AutoCAD等等。它們的共同特點是利用一些基本的幾何元素，如立方體、球體等，通過一系列幾何操作，如平移、旋轉、拉伸以及布爾運算等來構建複雜的幾何場景。利用建模構建三維模型主要包括幾何建模(Geometric Modeling)、行為建模(KinematicModeling)、物理建模(Physical Modeling)、對象特性建模(Object Behavior)以及模型切分(Model Segmentation)等。其中，幾何建模的創建與描述，是虛擬場景造型的重點。

利用儀器設備建模

三維掃描儀(3 Dimensional Scanner)又稱為三維數字化儀(3 Dimensional Digitizer)。它是當前使用的對實際物體三維建模的重要工具之一。它能快速方便的將真實世界的立體彩色信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了有效的手段。它與傳統的平面掃描儀、攝像機、圖形採集卡相比有很大不同：首先，其掃描對象不是平面圖案，而是立體的實物。其次，通過掃描，可以獲得物體表面每個採樣點的三維空間坐標，彩色掃描還可以獲得每個採樣點的色彩。某些掃描設備甚至可以獲得物體內部的結構數據。而攝像機只能拍攝物體的某一個側面，且會丟失大量的深度信息。最後，它輸出的不是二維圖像，而是包含物體表面每個採樣點的三維空間坐標和色彩的數字模型文件。這可以直接用於CAD或三維動畫。彩色掃描儀還可以輸出物體表面色彩紋理貼圖。早期用於三維測量的是坐標測量機(CMM)。它將一個探針裝在三自由度(或更多自由度)的伺服裝置上，驅動探針沿三個方向移動。當探針接觸物體表面時，測量其在三個方向的移動，就可知道物體表面這一點的三維坐標。控制探針在物體表面移動和觸碰，可以完成整個表面的三維測量。其優點是測量精度高；其缺點是價格昂貴，物體形狀複雜時的控制複雜，速度慢，無色彩信息。人們藉助雷達原理，發展了用激光或超聲波等媒介代替探針進行深度測量。測距器向被測物體表面發出信號，依據信號的反射時間或相位變化，可以推算物體表面的空間位置，稱為「飛點法」或「圖像雷達」。

根據圖像或視頻建模

基於圖像的建模和繪製(Image-Based Modeling andRendering,IBMR)是當前計算機圖形學界一個極其活躍的研究領域。同傳統的基於幾何的建模和繪製相比，IBMR技術具有許多獨特的優點。基於圖像的建模和繪製技術給我們提供了獲得照片真實感的一種最自然的方式，採用IBMR技術，建模變得更快、更方便，可以獲得很高的繪製速度和高度的真實感。IBMR的最新研究進展已經取得了許多豐碩的成果，並有可能從根本上改變我們對計算機圖形學的認識和理念。由於圖像本身包含着豐富的場景信息，自然容易從圖像獲得照片般逼真的場景模型。基於圖像的建模的主要目的是由二維圖像恢復景物的三維幾何結構。由二維圖像恢復景物的三維形體原先屬於計算機圖形學和計算機視覺方面的內容。由於它的廣闊應用前景，如今計算機圖形學和計算機視覺方面的研究人員都對這一領域充滿興趣。與傳統的利用建模軟件或者三維掃描儀得到立體模型的方法相比，基於圖像建模的方法成本低廉，真實感強，自動化程度高，因而具有廣泛的應用前景。