宋田茹 童立靖 李思哲 高思琨

摘要

該文為設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于視頻數(shù)據(jù)與三維模型的虛擬場(chǎng)景生成系統(tǒng)。先構(gòu)建一個(gè)基于OpenGL的三維模型開發(fā)平臺(tái)，在此平臺(tái)上完成三維模型的載入、幾何變換、人機(jī)交互等功能。然后用攝像機(jī)采集某一特定場(chǎng)景的視頻數(shù)據(jù)，并對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻解碼，提取其各幀的圖像數(shù)據(jù)。在開發(fā)平臺(tái)上基于解析的圖像數(shù)據(jù)完成三維場(chǎng)景的背景構(gòu)建，同時(shí)構(gòu)建三維人體的靜態(tài)模型，通過程序?qū)θS人體靜態(tài)模型各部分進(jìn)行空間幾何變化，完成三維人體的運(yùn)動(dòng)模擬，并與背景圖像進(jìn)行合成，從而完成基于特定場(chǎng)景的人物運(yùn)動(dòng)的虛擬場(chǎng)景生成。

【關(guān)鍵詞】三維模型 人體運(yùn)動(dòng) OpenGL 視頻解碼

1 引言

OpenGL是由SGI公司推出的一種圖形與硬件的接口，包括120個(gè)圖形函數(shù)，開發(fā)者可以用這些函數(shù)來建立三維模型和進(jìn)行三維實(shí)時(shí)交互。由于其強(qiáng)大的圖形可視化功能且易于使用，已被認(rèn)為是高性能圖形和交互式視景處理的標(biāo)準(zhǔn)。

目前基于OpenGL的三維圖形開發(fā)正快速涌現(xiàn)，尤其是一些游戲制作中，虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建、運(yùn)動(dòng)仿真、科學(xué)計(jì)算可視化等更是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文基于Windows下的OpenGL開發(fā)技術(shù)和方法，借助Visual Studio實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的三維模型及虛擬場(chǎng)景，有一定的參考價(jià)值。

2 三維模型的導(dǎo)入

通過3dsMax將人物模型以O(shè)penGL可處理的格式（OBJ文件格式）導(dǎo)出，然后基于該文件進(jìn)行模型的導(dǎo)入。

2.1 OBJ文件格式簡(jiǎn)介

OBJ模型文件為文本類型，定義了對(duì)象的幾何和其它的一些特性，其文件結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，保存的是一些多邊形的信息，如頂點(diǎn)的幾何坐標(biāo)、紋理坐標(biāo)等，適合在應(yīng)用程序中讀取或進(jìn)行3D文件格式轉(zhuǎn)換。這里的OBJ文件是一種定義物體幾何模型的3D文件。OBJ文件可以是二進(jìn)制文件，也可以是ASCⅡ文件，其中二進(jìn)制格式文件的擴(kuò)展名是.mod，ASCⅡ格式文件的擴(kuò)展名是.obj。

OBJ文件不需要任何種文件頭，整個(gè)文件由一行行文本組成，每一行以關(guān)鍵字開頭，關(guān)鍵字可以說明該行數(shù)據(jù)的屬性。常用的關(guān)鍵字如下：

v：幾何體頂點(diǎn)（Geometric vertices）。表示本行指定一個(gè)頂點(diǎn)。此前綴后面跟著3個(gè)單精度浮點(diǎn)數(shù)，分別表示該定點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)值。

Vt：紋理坐標(biāo)點(diǎn)（Texture vertices）。表示本行指定一個(gè)紋理坐標(biāo)。此前綴后跟著兩個(gè)單精度浮點(diǎn)數(shù)，分別表示此紋理坐標(biāo)的U、V值。

Vn：頂點(diǎn)法線（Vertex normals）。表示本行指定一個(gè)法線向量。此前綴后跟著3個(gè)單精度浮點(diǎn)數(shù)，分別表示該法向量的X、Y、Z坐標(biāo)值。

usemtl：材質(zhì)名稱（Material name）

mtllib：材質(zhì)庫（Material library）。

2.2 分析OBJ文件并導(dǎo)入三維模型

在OBJ文件的基礎(chǔ)上建立對(duì)應(yīng)的模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)頂點(diǎn)信息、紋理信息等。通過編寫針對(duì)于OBJ文件的有效數(shù)據(jù)提取函數(shù)，對(duì)每行數(shù)據(jù)進(jìn)行切割分析，提取出該行中具體的點(diǎn)的坐標(biāo)并進(jìn)行繪制。

3 紋理映射

在三維圖形中，紋理映射（TextureMapping）的方法運(yùn)用廣泛，對(duì)模型進(jìn)行紋理貼圖可以增強(qiáng)三維場(chǎng)景繪制的真實(shí)感，并能提高三維場(chǎng)景的渲染速度。紋理映射的本質(zhì)是對(duì)三維物體進(jìn)行二維參數(shù)化，即先求得三維物體表面上任一點(diǎn)的二維（x，y）參數(shù)值，進(jìn)而得到該點(diǎn)的紋理值。

在程序中，一個(gè)紋理圖像就是一個(gè)一維或二維數(shù)組，存儲(chǔ)每一個(gè)像素的顏色值（包括R、G、B、A分值）。紋理貼圖，就是把紋理圖像根據(jù)紋理坐標(biāo)對(duì)應(yīng)到圖元上。

OpenGL支持4種基本的紋理圖：1D紋理、2D紋理、3D紋理和立體紋理。在光柵化期間，OpenGL通過插值計(jì)算紋理坐標(biāo)，并將其賦給每個(gè)生成的片元。OpenGL將這些坐標(biāo)作為索引，以獲取紋理圖像中的紋素。然后根據(jù)紋理狀態(tài)參數(shù)修改片元的主顏色。

紋理映射的基本步驟如下：

（1）生成紋理。使用glGenTextureso獲得未用的紋理對(duì)象標(biāo)識(shí)符;

（2）控制紋理使用glTexParameter（）設(shè)置紋理對(duì)象的狀態(tài)參數(shù);

（3）定義紋理。使用glTexImage2D（）指定紋理圖像;

（4）綁定紋理。使用glBindTexture（）綁定紋理對(duì)象;

（5）使用glEnable（）啟用紋理映射;

（6）繪制場(chǎng)景，給出頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)和幾何坐標(biāo)。

紋理貼圖的主要流程如圖1所示。

4 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的生成

OpenGL能夠提供高效的實(shí)時(shí)動(dòng)畫響應(yīng)。由于具有能對(duì)動(dòng)畫顏色、深度、模板和累積進(jìn)行雙緩存的操作函數(shù)，OpenGL能對(duì)動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)連續(xù)顯示，不但大幅簡(jiǎn)便了程序算法，還可以提升畫面動(dòng)態(tài)顯示的速度。

繪制動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，首先要收集足夠多的與人物模型相適應(yīng)的紋理圖片。紋理圖片的收集主要依靠單反相機(jī)，由于三維建模對(duì)素材圖片的要求比較高，在相機(jī)的設(shè)置和拍攝時(shí)間選擇上應(yīng)注意拍攝前應(yīng)把相機(jī)的拍攝質(zhì)量設(shè)置高些，一般要求在3MB以上;拍攝時(shí)間應(yīng)盡量選擇陽光能夠照射到建筑物大部分表面的時(shí)候，這樣拍攝的圖片便于后期的紋理處理。

然后基于OpenCV庫來實(shí)現(xiàn)的視頻分割，將獲取到的視頻轉(zhuǎn)換為一幀幀的圖像。在轉(zhuǎn)換過程中，用到了OpenCV提供的VideoWriter、VideoCapture類，最終完成分割任務(wù)。

最后在將得到的紋理圖作為人物的背景圖，設(shè)置定時(shí)器，定時(shí)更換圖片，結(jié)合人物的運(yùn)動(dòng)，形成人物在某空間行走的感覺。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述描述方法及過程，將三維人物模型導(dǎo)入到了搭建好的OpenGL平臺(tái)上，如圖2，并進(jìn)行紋理映射，如圖3所示

給人物模型加上背景圖，如圖4所示。

6 結(jié)語

本文提供一種基于特點(diǎn)場(chǎng)景的人物運(yùn)動(dòng)的虛擬場(chǎng)景生成方法，首先將三維模型載入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后對(duì)該模型進(jìn)行紋理映射。通過攝像機(jī)采集某一特點(diǎn)場(chǎng)景的視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行視頻解碼，提取其各幀的圖像數(shù)據(jù)，然后將圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到開發(fā)平臺(tái)上，從而完成三維場(chǎng)景的背景構(gòu)建。最后將背景與人物動(dòng)態(tài)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)基于特點(diǎn)場(chǎng)景的人物運(yùn)動(dòng)的虛擬場(chǎng)景生成。

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