趙正旭， 陳 蕾， 郭 陽

(石家莊鐵道大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050043)

三維模型的分類編碼研究

趙正旭， 陳 蕾， 郭 陽

(石家莊鐵道大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050043)

三維模型是深空探測(cè)三維可視化平臺(tái)中的資源基礎(chǔ)。在三維可視化程序中有成千上萬的三維模型，為了快速、精確地調(diào)用目標(biāo)模型，需要將模型規(guī)范化管理?，F(xiàn)提出一種對(duì)三維模型分類編碼的管理方法，通過研究三維模型的屬性特征，建立了一種分類編碼規(guī)范；并根據(jù)所提出的規(guī)范，設(shè)計(jì)了一個(gè)分類編碼器，對(duì)部分天體模型進(jìn)行分類編碼，驗(yàn)證了本規(guī)范的科學(xué)性和可用性。通過研究，將三維模型規(guī)范化管理，可以有效地促進(jìn)深空探測(cè)三維可視化技術(shù)的發(fā)展以及3D技術(shù)的發(fā)展。

深空探測(cè)；三維模型；分類編碼

0 引言

深空探測(cè)是人類航天活動(dòng)的重要領(lǐng)域，三維可視化技術(shù)在航天中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)越來越突出。深空探測(cè)的任務(wù)具有高風(fēng)險(xiǎn)、高難度、難操作等特點(diǎn)，將三維可視化技術(shù)應(yīng)用于深空探測(cè)任務(wù)，可以提前模擬深空的三維場(chǎng)景，預(yù)設(shè)故障和困難并找到解決辦法，可以有效地降低風(fēng)險(xiǎn)，即增大了任務(wù)的成功率，也提高了人員的安全系數(shù)。在深空探測(cè)三維可視化仿真過程中，三維模型是整個(gè)平臺(tái)的資源基礎(chǔ)，程序需要將場(chǎng)景模型文件調(diào)入內(nèi)存，并對(duì)三維場(chǎng)景模型加以組織、控制、管理、調(diào)度等[1]。通過對(duì)三維模型規(guī)范化管理，可以有效地提高目標(biāo)三維模型的調(diào)用速度和精確度，減小模型內(nèi)存占用率，縮短模型調(diào)用時(shí)間，保證三維模型使用的實(shí)時(shí)性。因此，規(guī)范化管理三維模型是整個(gè)三維可視化平臺(tái)的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵。

雖然網(wǎng)絡(luò)上提供了大量模型以供重復(fù)使用，但是面對(duì)龐大的三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，如何提高現(xiàn)存三維模型的復(fù)用率，并且能夠在可視化程序中快速精確地調(diào)用目標(biāo)模型卻成為一個(gè)迫切需要解決的問題。這些模型在定義之初都是建模者根據(jù)自己的喜好或者定義規(guī)則來命名的，因?yàn)檎Z言共識(shí)或者描述方式的不同會(huì)產(chǎn)生歧義。在查詢?cè)撃Ｐ蜁r(shí)，檢索字段和模型本身的命名會(huì)有偏差，造成時(shí)間、精力的浪費(fèi)，效率不高。如果有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范來管理三維模型，就會(huì)大大提高其檢索速度及復(fù)用率，避免造成資源的浪費(fèi)。

現(xiàn)在對(duì)三維模型的研究熱度越來越高[2-4]，但是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)三維模型的文獻(xiàn)研究主要集中在檢索技術(shù)和分類技術(shù)上[5-9]，還有部分文獻(xiàn)對(duì)模型進(jìn)行規(guī)范化管理只是建立模型檢索系統(tǒng)，對(duì)模型本身和統(tǒng)一描述模型名稱方面的研究比較少。通過研究文獻(xiàn)沒有找到對(duì)三維模型分類編碼的相關(guān)研究，因此，有必要建立一種針對(duì)于三維模型的分類編碼規(guī)范，將三維模型規(guī)范化管理。

規(guī)范化管理三維模型的途徑之一就是將其分類編碼，通過使用比較通用的阿拉伯?dāng)?shù)字加英文字母的形式對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)注，避免文本型標(biāo)注的二義性。相當(dāng)于為每個(gè)三維模型賦予一個(gè)身份證號(hào)碼，這個(gè)號(hào)碼具有唯一指定性。孫平等人在文獻(xiàn)[10]中提到三維模型的描述，主要是基于英文關(guān)鍵字，以用途或?qū)傩悦缣柲茈姵匕迕麨椤癝olarPanel”。這種描述方式雖然通俗易懂，容易根據(jù)字面意思理解所描述的是什么，但是會(huì)存在文本歧義的問題。比如命名者描述的是太陽能電池板，但是調(diào)用者并不知道模型的命名是什么。另一方面，文本型描述可能會(huì)出現(xiàn)地域性差異，如紅薯，有的地方叫做地瓜，這就缺乏一個(gè)統(tǒng)一的管理規(guī)范。

在一個(gè)三維可視化仿真系統(tǒng)中，對(duì)于軟件和技術(shù)的優(yōu)化已經(jīng)有了相關(guān)研究[11-12]，如果將其中的所有三維模型使用一個(gè)統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范來管理，在調(diào)用目標(biāo)模型時(shí)會(huì)更快速、更精確。通過將三維模型分類編碼，可以建立一個(gè)通用、完備和可擴(kuò)充的三維模型管理系統(tǒng)，形成航天實(shí)時(shí)三維可視化中三維模型的技術(shù)規(guī)范，這對(duì)促進(jìn)深空探測(cè)三維可視化技術(shù)的發(fā)展具有很高的應(yīng)用價(jià)值。就目前來看，還沒有找到有關(guān)三維模型分類編碼的相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)，文章中會(huì)詳細(xì)描述本研究所提出的三維模型分類編碼的應(yīng)用實(shí)例。

1 三維模型的分類編碼

1.1 分類編碼簡(jiǎn)介

分類編碼系統(tǒng)就是用字符(數(shù)字、字母或符號(hào))對(duì)研究對(duì)象各有關(guān)特征進(jìn)行描述和標(biāo)識(shí)的一套特定的規(guī)則和依據(jù)；后期按照分類編碼系統(tǒng)的規(guī)則，用字符描述和標(biāo)識(shí)對(duì)象特征的過程，就是對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行編碼，這種碼也叫GT碼[13]。

分類編碼規(guī)則已經(jīng)被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，所用的分類編碼系統(tǒng)一般都是用字符形成描述和標(biāo)識(shí)的序列碼。最典型的應(yīng)用就是中圖法，對(duì)書籍的分類編碼。其它的應(yīng)用領(lǐng)域有疾病、醫(yī)療設(shè)備及耗材、中藥、血型、機(jī)械零件、石油、企業(yè)信息以及其它方面[14-20]，但是還沒有找到應(yīng)用于三維模型領(lǐng)域的相關(guān)研究。

1.2 建立三維模型分類編碼規(guī)范

本文建立的分類編碼規(guī)范主要針對(duì)于天體模型，因此部分分類特征點(diǎn)只對(duì)天體模型進(jìn)行了詳細(xì)分類；三維模型的文件格式是3ds文件。

1.2.1 編制方法

三維模型的分類和編碼應(yīng)遵循信息分類法。信息分類的方法有：線分類法、面分類法、混合分類法。本分類編碼系統(tǒng)所使用的主要是面分類法，如果后期有必要，將線分類法作為補(bǔ)充。

1.2.2 編制原則

(1)科學(xué)性。選擇3ds模型最穩(wěn)定的本質(zhì)屬性作為分類基礎(chǔ)和依據(jù)。

(2)唯一性。代碼和3ds模型一一對(duì)應(yīng)，一個(gè)代碼只代表一個(gè)模型。

(3)可擴(kuò)展性。后期可供完善和補(bǔ)充。

(4)精確性。采用數(shù)字和字母相結(jié)合的方法編制，避免文本標(biāo)注的二義性，盡可能多地包含一個(gè)模型的特征信息，使描述盡量精確。

1.2.3 編制過程

本分類編碼規(guī)范采用阿拉伯?dāng)?shù)字和大寫英文字母相結(jié)合的方式進(jìn)行編制。如果一個(gè)分類點(diǎn)的選項(xiàng)按常識(shí)不會(huì)超過26個(gè)，就采用大寫英文字母的形式賦碼，否則使用阿拉伯?dāng)?shù)字。比如，阿拉伯?dāng)?shù)字11可以用大寫英文字母K代替，這樣能保證描述同樣多模型特征時(shí)盡量縮短序列碼的位數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化。

對(duì)于自然語言的文本標(biāo)注而言，不同種類語言以及同一種語言內(nèi)部對(duì)同一對(duì)象的描述詞可能不一致，這就可能造成調(diào)用模型時(shí)的檢索字段和模型標(biāo)注存在差異，不能精確地找到目標(biāo)模型。數(shù)字和字母相結(jié)合的編碼型標(biāo)注相對(duì)而言，可以有效避免歧義。

具體分類編碼規(guī)范如表1所示。

表1 三維模型分類編碼表

根據(jù)表1分類編碼規(guī)范中的每個(gè)分類點(diǎn)，具體特征賦碼表如表2所示。

表2 具體類別賦碼表

2 為具體模型賦碼

根據(jù)上一小節(jié)中所建立的分類編碼表，可以對(duì)具體的三維模型分類編碼。例如：從網(wǎng)絡(luò)上下載的3ds格式的天體模型，通過3dsMax導(dǎo)入打開，可以查看該模型的各個(gè)特征，并對(duì)照表2為該模型賦碼。下面舉例說明：

2.1 天宮一號(hào)

通過3dsMax導(dǎo)入打開天宮一號(hào)的3ds模型文件，如圖1所示。

圖1 天宮一號(hào)

根據(jù)表1給天宮一號(hào)模型分類編碼，其序列碼為：11411JM0005152800676980034100S。

對(duì)照表2將該序列碼進(jìn)行詳細(xì)解析，如表3所示。

表3 天宮一號(hào)編碼序列解析表

2.2 Tethys(土衛(wèi)三)

通過3dsMax導(dǎo)入打開天宮一號(hào)的3ds模型文件，如圖2所示。

根據(jù)表1給Tethys模型分類編碼，其序列碼為：10311JM0001344300265720001000S。

對(duì)照表2將該序列碼進(jìn)行詳細(xì)解析，如表4所示。

圖2 Tethys(土衛(wèi)三)

表4 Tethys編碼序列解析表

3 分類編碼系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)表1和表2所制定的分類編碼規(guī)范，設(shè)計(jì)了一個(gè)分類編碼器。

通過選擇三維模型的特征分類點(diǎn)生成代碼，為具體模型賦碼，并根據(jù)生成的模型序列碼從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出目標(biāo)模型，將代表該目標(biāo)三維模型的二維圖片顯示在分類編碼器的右側(cè)。根據(jù)上一小節(jié)中對(duì)天宮一號(hào)和Tethys三維模型的解析賦碼，通過該分類編碼器分別為其賦碼，如圖3、圖4所示。

圖3 為天宮一號(hào)分類編碼

根據(jù)圖3顯示，分類編碼器的左側(cè)是三維模型特征選項(xiàng)區(qū)，通過選擇具體三維模型的特點(diǎn)，生成相應(yīng)的代碼，根據(jù)生成的序列碼11411JM0005152800676980034100S，從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出天宮一號(hào)的模型圖片，如圖3右側(cè)所示。同樣，Tethys的分類編碼結(jié)果如圖4所示。

圖4 為Tethys(土衛(wèi)三)分類編碼

4 結(jié)語

通過建立一個(gè)三維模型的分類編碼系統(tǒng)，對(duì)三維模型進(jìn)行了規(guī)范化管理。首先，給出了本系統(tǒng)的一個(gè)分類編碼表以及具體的賦碼表，并通過兩個(gè)例子為具體的模型賦碼，來驗(yàn)證本系統(tǒng)的科學(xué)性和可用性。用編碼標(biāo)注科學(xué)地管理三維模型，避免了文本的二義性，同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化是實(shí)現(xiàn)三維模型資源共享與重用的前提條件，在資源建設(shè)中占有極其重要的地位。對(duì)模型文件、分類編碼系統(tǒng)的規(guī)范化描述，以及完善其分類編碼系統(tǒng)，是進(jìn)一步的研究目標(biāo)。

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Study of Classification and Encoding of 3D Models

Zhao Zhengxu, Chen Lei, Guo Yang

(School of Information Science and Technology, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Three dimensional models are the resource base of a 3D visualization platform for outer space missions. There are thousands of 3D models in the 3D visualization program, and it is needed to normally manage models in order to quickly and accurately call target models. This paper proposes a management method for the classification and encoding of 3D models, and a norm of classification and encoding is established by studying the properties of 3D models, and designs a tool of classification and encoding according to the proposed norm, and classifies and encodes the part of the astronomical models, verifying this norm is scientific and applicable. The purpose of this paper is to provide an effective management of 3D models to promote the development of 3D visualization technology of outer space missions and the development of 3D technology.

outer space missions;3D model;classification and encoding

2016-02-24 責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.01.20

河北省高層次人才科學(xué)研究項(xiàng)目(GCC2014010)

趙正旭(1960-)，男，教授，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)，E-mail: zhaozx@stdu.edu.cn

TP391.72

A

2095-0373(2017)01-0104-07

趙正旭，陳蕾，郭陽.三維模型的分類編碼研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(1):104-110.