三维建模技术及实现方法对比研究

第３２卷第１６期

２０１０年８月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＷＵＨＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ武汉理工大学学报Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．１６Ａｕｇ．２０１０ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－４４３１．２０１０．１６．００７

三维建模技术及实现方法对比研究

毕硕本，张国建，侯荣涛，梁静涛

（南京信息工程大学计算机与软件学院，南京２１００４４）

摘要：基于三维建模技术丰富的内涵展开论述，详细探讨了三维空间模型及其构模方法，并对比分析了目前常用的１０种三维构模方法（或建模技术）的优缺点及适用场合。然后通过对基于ＯｐｅｎＧＬ、ＤｉｒｅｃｔＸ、Ｊａｖａ３Ｄ和ＩＤＬ４种三维建模实现方法性能的比较，论证了三维应用中采用基于ＯｐｅｎＧＬ的三维建模技术具有很大的优越性和适用性，并进一步分析了目前常用的２种典型的基于ＯｐｅｎＧＬ的三维编程方法的优劣。

关键词：三维建模技术；三维空间模型；三维构模方法；ＯｐｅｎＧＬ中图分类号：ＴＰ３９１．４１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－４４３１（２０１０）１６－００２６－０５ＣｏｍｐａｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈｏｎ３ＤＭｏｄｅｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＩｔｓＩｍｐｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄｓ

ＢＩＳｈｕｏ－ｂｅｎ，ＺＨＡＮＧＧｕｏ－ｊｉａｎ，ＨＯＵＲｏｎｇ－ｔａｏ，ＬＩＡＮＧＪｉｎｇ－ｔａｏ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４４，Ｃｈｉｎａ）

ｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｉｎｄｅｔａｉｌｓ．Ａｎｄａｉｍｅｄａｔｔｈｅｔｅｎｋｉｎｄｓｏｆｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｒｍｏｄｅｌｉｎｇｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｒ－ｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｆｏｕｒｋｉｎｄｓｏｆ３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆＯｐｅｎＧＬ，ＤｉｒｅｃｔＸ，Ｊａ－ｉｔｙｉｎ３Ｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｍａｋｅｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｍｅｒｉｔｓａｎｄｄｅｍｅｒｉｔｓｏｆｔｈｅｔｗｏｔｙｐｉｃａｌｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄ３Ｄｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｍｅｔｈ－ｒｉｅｓｏｎａｃｏｎｔｒａｓｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄａｌｓｏｔｈｅｉｒａｐｐｌｉ

ｃａｂｌｅｏｃｃａｓｉｏｎｓ．Ｔｈｅｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｏｍ－Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｉｃｈｃｏｎｎｏｔａｔｉｏｎｓｏｆ３ＤＭｏｄｅｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓ３Ｄｓｐａｔｉａｌｍｏｄｅｌｓａｎｄｔｈｅｉｒｍｏｄ－ｖａ３Ｄ，ａｎｄＩＤＬ，ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅ３ＤｍｏｄｅｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎＯｐｅｎＧＬｈａｓｇｒｅａｔｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｂｉｌ－ｏｄｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；３Ｄｓｐａｔｉａｌｍｏｄｅｌ；３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ；ＯｐｅｎＧＬ

１三维建模技术

为了能够在计算机环境下更逼真地模拟现实世界的人和物及其运动形态，必须在三维空间系统中利用已有的三维建模技术，精确地描绘这些事物以实现三维物体的真实再现，进而为用户创造一个身临其境、形象逼真的环境。对现实世界的事物进行建模和模拟，就是根据研究的目标和重点，在三维空间中对其形状、色彩、材质、光照、运动等属性进行研究，以达到３Ｄ再现的过程。因而，对三维实体的图形图像处理及其模收稿日期：２０１０－０４－２３．基金项目：江苏省教育厅青蓝工程项目（０７０２）和江苏省人事厅“六大人才高峰”高层次人才培养对象资助项目（２００８０２４９）．作者简介：毕硕本（１９６５－），男，教授．Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｉｓｈｕｏｂｅｎ＠１６３．ｃｏｍ

第３２卷第１６期毕硕本，张国建，侯荣涛，等：三维建模技术及实现方法对比研究２７型建模研究显得尤为必要。三维建模技术的核心是根据研究对象的三维空间信息构造其立体模型尤其是几何模型，并利用相关建模软件或编程语言生成该模型的图形显示，然后对其进行各种操作和处理。为得到研究对象的三维空间信息，采用适当的算法，并通过计算机程序建立三维空间特征点（或某一空间域的所有点）

［１］的空间位置与二维图像对应点的坐标间的定量关系，最后确定出研究对象表面任意点的坐标值。研究人

员根据获得的三维物体的形状、尺寸、坐标等几何属性信息进行构模操作，构造研究对象的三维几何模型。目前，物体的三维几何模型就其复杂度来说分为３类：线模型、面模型、体模型。对三维建模技术的研究基本上都是针对三维面元模型和体元模型来展开的。１．１三维空间构模方法

近年来，国内外许多专家学者对三维空间对象模型及构模方法进行了研究，归纳起来为以下１０种单一构模方法应用最为普遍。

１）边界表示法物体的边界是物体内外部点的分界面，一般用体表、面表、环表、边表和顶点表５层描述。该方法强调物体表面的细节，详细记录构成物体形

体的所有几何元素的几何信息及其相互间的联接关系即拓扑信息，几何信息与拓扑信息分开存储，完整清晰，并能唯一定义物体的三维模型。但缺点是对于不规则三维物体的描述不太方便。主要适用于三维空间操作和分析。

２）实体几何构造法一种由简单的、形状规则的几何形体（称为体素）通过正则布尔运算来构造复杂三维实体的表示方法。基本几何体素经过平移、旋转、缩放某种（或组合）变换后，使其从基本状态变换到组合的状态，然后通过正则布尔集合运算建立中间体，进而把中间体看作基本体素，进行更高层次的组合。优点是简单，适合对复杂目标采用“分治”算法；无冗余的几何信息，记录了构成几何实体的原始特征和定义参数；还可以在实体和体素上附加属性。缺点是不具备实体的拓扑信息；表示不具有唯一性。

３）线框表示法一种利用约束线来建立一系列解释图形以表达三维实体边界和轮廓的方法。实质是把目标空间轮廓上两两相邻的采样点或特征点用直线连接起来，形成一系列多边形；然后拼接形成一个多边形网格来模拟三维实体边界。当采样点或特征点沿环型线分布时，所形成的线框模型称之为相连切片模型。该方法数据结构比较简单，数据存储量小；表达能力取决于线表示所能允许的复杂程度。缺点是形体对象表示不唯一，与此相关的是不能生成高效的显示，不能计算物体的几何特征以及不能唯一定义空间。

４）块体表示法规则块体模型把建模空间分割成规则的三维网格，称为Ｂｌｏｃｋ（块段）。每个块体被看作为均质体，在计算机中其存储地址与其在自然矿床中的位置相对应，可根据克里格法、距离加权平均法或其他方法确定其品位或岩性参数值［２］。为了用Ｂｌｏｃｋ模型描述不规则实体的几何形态和减少存储空间，提出了许多建模技术，如细分块段、可变尺寸块段、边界细分块段等，逐渐形成了不规则块体模型。不规则块体模型不仅能较好地模拟研究对象的几何边界，而且还可以描述品位或质量的细微变化。规则块体模型为了节省存储空间和运算时间，可以在编制程序时采用隐含的定位技术，但对于有边界约束的实体建模效果不是太有效。不规则块体模型则可以根据地层空间界面的实际变化来模拟，从而提高了空间建模的精度，有利于基于地质体的查询和分析，但对基于体元的空间检索和查询不太方便。

５）空间位置枚举法把物体所占据的整个三维空间分割成形状相似、大小相同的单元，各单元在三维空间中以固定的规则网格连接起来，互不叠压，根据物体是否占据网格位置来定义物体的形状和大小。采用三维数组来存储每个单元的信息，很容易建立几何体素的空间索引，提高了空间搜索的速度和运算效率；三维数组可明确地体现几何单元间的拓扑关系，因而方便进行正则布尔运算等操作；可清晰判读某一空间位置与物体的位置关系，使得对ＣＡＤ／ＣＡＭ系统中的干涉检查变得简单易行。其缺点是该方法通常不能单独使用，而要作为中间体与其