簡(jiǎn)介

航空技術(shù)是二十一世紀(jì)最為活躍的高新技術(shù)之一，也是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，對(duì)保證國(guó)家安全、帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)其他部門的發(fā)展具有重大意義。北京航空航天大學(xué)是我國(guó)著名的培養(yǎng)航空航天高級(jí)技術(shù)人才、從事相關(guān)技術(shù)研究的高等學(xué)府，經(jīng)過(guò)近五十年的建設(shè)，北京航空航天大學(xué)形成了一批具有航空航天特色的、門類齊全的學(xué)科，取得了一大批具有國(guó)際水平的重要科技成果，建有北京航空館、航空發(fā)動(dòng)機(jī)陳列館、導(dǎo)彈陳列館等展館，展覽內(nèi)容覆蓋航空航天主要專業(yè)領(lǐng)域，館藏資源十分豐富，是面向全社會(huì)的重要科普教育基地。

北航航空博物館充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)和特色，最大限度地發(fā)揮社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，利用當(dāng)前以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的最新信息技術(shù)手段建設(shè)博物館，使展示形式由平面、靜態(tài)變?yōu)榱Ⅲw、動(dòng)態(tài)；由單一呆板變?yōu)樾蜗?、交互；使分散的資源集中共享；使單元、區(qū)域教育變成全面的遠(yuǎn)程教育。

2006年，中國(guó)科協(xié)承擔(dān)了科技部國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目“中國(guó)數(shù)字科技館”，北京航空航天大學(xué)作為參與單位承擔(dān)了“數(shù)字航空館”建設(shè)。本文介紹“數(shù)字航空館”建設(shè)中采用的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括三維物體建模技術(shù)、三維模型編碼和傳輸技術(shù)、全景圖、虛擬裝配以及數(shù)字版權(quán)保護(hù)技術(shù)。

三維物體建模技術(shù)

目前，三維物體建模主要有三種方法：第一種，手工建模，建模人員利用三維建模軟件(如Maya)構(gòu)造三維模型；第二種，基于深度圖像建模，利用三維掃描設(shè)備采集物體表面深度信息，經(jīng)過(guò)深度圖像拼接等處理過(guò)程，構(gòu)造出高精度的三維模型；第三種，基于圖像建模，用數(shù)碼相機(jī)拍攝整個(gè)物體圖像，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法計(jì)算出圖像深度信息，最終構(gòu)造出逼真的三維模型。我們主要開(kāi)展了基于深度圖像三維物體建模和基于圖像建模的研究。圖1(a)是三維掃描儀美能達(dá)VIVID 910，圖1(b)為研究人員使用該三維掃描儀采集“北京航空館”中“黑寡婦”飛機(jī)三維數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)。

基于深度圖像的三維建模

三維物體的幾何形狀往往比較復(fù)雜，而三維掃描設(shè)備的掃描視角有限，為了全方位地獲得三維物體表面的幾何信息，需要在多個(gè)不同的視點(diǎn)位置進(jìn)行掃描。每次掃描采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有深度信息，稱之為深度圖像(range image)。利用深度圖像配準(zhǔn)技術(shù)將這些深度圖像拼接起來(lái)，就可以構(gòu)造出完整的三維幾何模型。然后用紋理重構(gòu)技術(shù)將數(shù)碼相機(jī)拍攝的高分辨率紋理圖像無(wú)縫地粘貼到三維幾何模型上，就可構(gòu)造出逼真的三維模型。

傳統(tǒng)的深度圖像配準(zhǔn)方法需要用戶手動(dòng)選取待配準(zhǔn)的兩幅深度圖像間三對(duì)或三對(duì)以上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。我們提出了一種自動(dòng)深度配準(zhǔn)方法，主要分三步：第一步，兩兩粗略配準(zhǔn)。用曲面的微分特性作為特征描述符，首先對(duì)待配準(zhǔn)的兩幅深度圖像進(jìn)行基于Octree的特征點(diǎn)提取。然后結(jié)合特征值以及特征點(diǎn)之間的角度、距離等約束條件，找出盡可能可靠的特征對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并得到相應(yīng)的兩兩粗略配準(zhǔn)的可能結(jié)果。最后結(jié)合精確配準(zhǔn)的結(jié)果，對(duì)配準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行一致性檢測(cè)，從而得出最可靠的配準(zhǔn)結(jié)果。第二步，兩兩精確配準(zhǔn)?；贗CP(Iterative Closest Point)迭代最近點(diǎn)算法，對(duì)粗略配準(zhǔn)的結(jié)果做進(jìn)一步優(yōu)化。第三步，全局配準(zhǔn)。兩兩配準(zhǔn)后存在累積誤差，因此兩兩配準(zhǔn)后，需要優(yōu)化全局誤差，消除累積誤差。全局優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題，計(jì)算復(fù)雜度較高。我們基于均勻分布檢驗(yàn)的方法剔除孤立點(diǎn)、噪聲點(diǎn)和邊界點(diǎn)；為了加速對(duì)應(yīng)點(diǎn)搜索速度，采用建立對(duì)應(yīng)點(diǎn)緩沖區(qū)方法，節(jié)省了存儲(chǔ)空間，提高了搜索對(duì)應(yīng)點(diǎn)效率；為了優(yōu)化對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的誤差，采用基于偽逆矩陣優(yōu)化誤差的方法，具有較高的穩(wěn)定性和效率。

點(diǎn)云表示的深度圖像配準(zhǔn)后，需要重建表面，即網(wǎng)格化。我們使用基于Delaunay三角剖分的方法重建模型表面。先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行三維Delaunay三角剖分，然后求每點(diǎn)的法向量，濾掉過(guò)大三角面片并且將三角面片從小到大排序，根據(jù)對(duì)三角面之間投影的遮擋關(guān)系，使用貪心法抽取物體表面，最后調(diào)整法向一致性，實(shí)現(xiàn)表面重建。

物體表面屬性一般用紋理圖像表示。首先用數(shù)碼相機(jī)拍攝物體表面紋理圖像，然后利用紋理重構(gòu)技術(shù)把紋理圖像無(wú)縫地粘貼到三維模型上。紋理重構(gòu)要解決兩個(gè)問(wèn)題：紋理圖像與幾何模型配準(zhǔn)，以及將紋理圖像無(wú)縫地粘貼到三維模型表面上。我們采用基于側(cè)影輪廓線方法配準(zhǔn)其中一幅紋理圖像，其余圖像用基于特征點(diǎn)的方法配準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)紋理圖像與幾何模型的配準(zhǔn)。

三維模型編碼和傳輸技術(shù)

利用三維掃描儀采集數(shù)據(jù)構(gòu)造的三維模型精度高，逼真度高，三維模型數(shù)據(jù)量也很大。一方面，龐大的三維數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理能力提出了巨大的挑戰(zhàn)；另一方面，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)帶寬下傳輸和繪制三維模型也十分困難，不利于三維模型在Internet上的廣泛傳播和利用。為此需要研究三維模型的壓縮編碼、傳輸和繪制技術(shù)。

在幾何驅(qū)動(dòng)編碼中，頻域編碼有很高的編碼效率，但只適合于流形網(wǎng)格，計(jì)算開(kāi)銷很大，在壓縮比大時(shí)失真嚴(yán)重，而且是有損壓縮。在空間域方法中，Kdtree和Octree等空間劃分的方法逐漸成為壓縮編碼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，一方面這種樹(shù)形結(jié)構(gòu)能很好地重新組織幾何數(shù)據(jù)，另一方面只要?jiǎng)澐肿銐蚓?xì)就能夠做到無(wú)損壓縮。我們提出一種基于Octree的三維網(wǎng)格模型壓縮編／解碼方法，對(duì)幾何、拓?fù)浜蛯傩远歼M(jìn)行了壓縮編碼，壓縮比高且適合網(wǎng)絡(luò)遞進(jìn)傳輸，滿足了當(dāng)前大數(shù)據(jù)量三維模型存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨蟆Ｊ紫葘?duì)三維網(wǎng)格模型的頂點(diǎn)信息重新進(jìn)行Octree空間劃分，統(tǒng)計(jì)分析其中各種不同類型的節(jié)點(diǎn)，找出占總節(jié)點(diǎn)數(shù)目比例最多的一類或幾類節(jié)點(diǎn)，單獨(dú)對(duì)其使用較少的比特位進(jìn)行幾何信息編碼；然后根據(jù)幾何信息的傳輸順序，重新排列拓?fù)湫畔⒑蛯傩孕畔⒉⒕幋a；最后設(shè)置單獨(dú)的遞進(jìn)文件控制幾何信息傳輸、顯示以及解碼時(shí)拓?fù)?、屬性信息的同步映射。我們的方法有以下特點(diǎn)：第一，使用Octree子分過(guò)程能產(chǎn)生豐富的信息，而且空間劃分效率較高，收斂速度快，能更有效地進(jìn)行幾何和拓?fù)渚幋a。第二，可以有效地控制壓縮程度，一般能達(dá)到無(wú)損壓縮程度，如果設(shè)置較小的Octree深度值，也能得到更大壓縮比率的有損壓縮。第三，設(shè)計(jì)了優(yōu)化的遞進(jìn)顯示策略，完全根據(jù)用戶視點(diǎn)信息“按需傳送”，使客戶端不僅很快就能顯示圖形，并且所展示的圖形繪制過(guò)程也比較合乎人眼的視覺(jué)習(xí)慣。第四，不需要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬估計(jì)傳輸時(shí)間，客戶端響應(yīng)時(shí)間短，真正充分地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。圖2為航空館中的飛機(jī)模型在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)慕獯a過(guò)程。

全景圖

全景圖是一種利用IBR(Image—Based Rendering)技術(shù)構(gòu)造的具有一定漫游能力的虛擬環(huán)境。它具有三大優(yōu)點(diǎn)：(1)以照相機(jī)采集的實(shí)景圖像或攝像機(jī)采集的視頻為基礎(chǔ)構(gòu)造虛擬場(chǎng)景，無(wú)需三維建模；(2)根據(jù)時(shí)間空間的聯(lián)系組織視景圖像，把時(shí)間、空間相關(guān)的各種媒體信息集成在一起，用戶可以在虛擬空間中漫游，操縱虛擬物體；(3)既可以呈現(xiàn)真實(shí)環(huán)境，還可以做到虛實(shí)結(jié)合。

我們開(kāi)發(fā)一個(gè)類似于QuickTimeVR的全景圖構(gòu)造工具，如圖3所示，可以方便地構(gòu)造出全景圖，如圖4所示。

在客戶端我們使用Java技術(shù)開(kāi)發(fā)一個(gè)Applet嵌入瀏覽器中，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的虛擬場(chǎng)景瀏覽。圖5是北京航空館室外場(chǎng)景的全景圖漫游，用戶可以點(diǎn)擊視圖下面的按鈕加快、減慢視點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的速度，也可拉近、調(diào)遠(yuǎn)視點(diǎn)離目標(biāo)的距離。當(dāng)窗口視圖出現(xiàn)黃色邊框時(shí)，表明此處是熱區(qū)，可用鼠標(biāo)點(diǎn)擊熱區(qū)進(jìn)入其他頁(yè)面，進(jìn)一步瀏覽其詳細(xì)信息。

虛擬裝配

虛擬裝配是虛擬制造技術(shù)中的重要一環(huán)，在整個(gè)虛擬制造的過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。在數(shù)字航空館中，虛擬裝配有助于用戶了解飛機(jī)裝配過(guò)程。我們制作了基于Web的“鷂”式飛機(jī)虛擬裝配系統(tǒng)，用戶可以親自體會(huì)到飛機(jī)的拆卸組裝的過(guò)程，以便對(duì)這架珍貴的藏品有更深刻的了解，如圖6所示。虛擬裝配體現(xiàn)在用戶對(duì)飛機(jī)部件模型的任意選取及拖放，提供裝配圖紙及裝配動(dòng)畫演示來(lái)提示用戶，各部件在一定范圍誤差內(nèi)就自動(dòng)拼接，以減少用戶操作上的困難。

數(shù)字版權(quán)保護(hù)技術(shù)

在數(shù)字博物館中，數(shù)字版權(quán)保護(hù)具有十分重要的意義。我們主要開(kāi)展了數(shù)字水印和遠(yuǎn)程繪制兩方面的技術(shù)研究。

數(shù)字水印技術(shù)

我們針對(duì)圖像和三維模型開(kāi)展了數(shù)字水印技術(shù)研究。

在圖像數(shù)字水印方面，我們提出了一種針對(duì)彩色圖像的魯棒性盲水印算法，可以根據(jù)二值圖水印信號(hào)位流，結(jié)合宿主圖像DCT系數(shù)相關(guān)性自適應(yīng)地嵌入水印信號(hào)。提取水印時(shí)不需要原始宿主圖像，可以批量處理，適于在Internet上檢測(cè)侵權(quán)數(shù)字作品，對(duì)JPEG有損壓縮、疊加噪聲等處理操作具有較好的魯棒性。

在三維數(shù)字水印方面，提出一種針對(duì)三維網(wǎng)格模型的盲水印算法。首先通過(guò)主成分分析對(duì)模型進(jìn)行預(yù)處理，然后對(duì)三維模型進(jìn)行Octree剖分，選擇特定Octree層次和節(jié)點(diǎn)的編碼嵌入有意義的大容量水印信息。該算法提取水印時(shí)不需要原始模型數(shù)據(jù)，算法與模型的拓?fù)錈o(wú)關(guān)，可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行水印嵌入，特點(diǎn)是嵌入容量大，可抵抗旋轉(zhuǎn)、平移、縮放和頂點(diǎn)重排序攻擊，根據(jù)結(jié)合Octree高層編碼構(gòu)造的零水印，還可以在一定程度上抵抗均勻化簡(jiǎn)、噪聲等攻擊，具有較強(qiáng)的魯棒性和普適性。三維模型的水印嵌入和提取結(jié)果如圖7所示。遠(yuǎn)程繪制技術(shù)

三維數(shù)字水印技術(shù)只能在數(shù)據(jù)失竊之后證明盜版行為，而無(wú)法事先防止對(duì)三維數(shù)據(jù)的攻擊。我們實(shí)現(xiàn)了一種基于遠(yuǎn)程繪制的三維模型發(fā)布系統(tǒng)，可以更有效保護(hù)三維模型的版權(quán)。我們的系統(tǒng)采用服務(wù)器／客戶端模式。用戶瀏覽三維模型時(shí)，客戶端先下載粗模型供用戶使用，并將用戶視點(diǎn)信息實(shí)時(shí)傳至服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)用戶視點(diǎn)對(duì)精細(xì)三維進(jìn)行繪制，然后將繪制的圖像經(jīng)過(guò)壓縮發(fā)給客戶端，客戶端將這個(gè)圖像解壓并映射到三維粗模型上，供用戶瀏覽，如圖8所示。與目前流行的“先下載，再顯示”的3D模型發(fā)布系統(tǒng)相比，我們的遠(yuǎn)程繪制系統(tǒng)具有先天的安全性優(yōu)勢(shì)——需要保護(hù)的原始模型數(shù)據(jù)保存在服務(wù)器端，而客戶端接收到的只是服務(wù)器端繪制的當(dāng)前視點(diǎn)圖像數(shù)據(jù)。為了防止?jié)撛诘墓粽呤褂梅?wù)器提供的2D圖像重構(gòu)初始的三維模型，我們?cè)诜?wù)器還采取了日志分析、對(duì)繪制請(qǐng)求設(shè)置限制和噪聲干擾等防范重構(gòu)的措施。

成果及總結(jié)

數(shù)字博物館建設(shè)已經(jīng)越來(lái)越受到各國(guó)政府和組織的重視，因此開(kāi)展數(shù)字博物館關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。中國(guó)數(shù)字科技館一航空館的建成對(duì)普及全民航空科學(xué)知識(shí)，推動(dòng)我國(guó)廣大青少年的素質(zhì)教育，培養(yǎng)、造就我國(guó)航空航天高技術(shù)人才具有重要意義。圖9是數(shù)字航空館中戰(zhàn)機(jī)梟龍和飛豹的三維飛機(jī)模型展示，感興趣的讀者可訪問(wèn)中國(guó)數(shù)字科技館—航空館。