用于景观环境真三维实时显示的图像处理技术

童月恒

摘要：真三维立体显示不同于二维平面显示，能够以三维的方式显示立体图像。真三维显示技术可显示具有真实感的数字景观场景，能够真实的展示物体，达到模拟观察真实世界的效果。为了获得快速高效的真三维显示，实现对景观环境模型进行分解、组合、展开、投影等功能，更加直观准确的展示景观环境的空间信息，需要采用特定的图像处理技术对景观环境进行真三维实时显示。基于此，文章研究分析了可用于景观环境真三维实时显示的图像处理技术。

关键词：景观环境；真三维；实时显示；图像处理

检索：www.artdesign，org，cn

中国分类号：TP3

文献标志码：A

文章编号：1008-2832（2016）05—0082-03

一、前言

显示技术用来描述客观实体，通常采用影像来进行描述。该技术源于人们对世界的认识与探索，在不断的生产、生活实践中总结而来。不仅丰富了人们的日常娱乐活动，同时也提供了一种新的表现方式，使人们在模拟的环境中就可以达到身临其境的感觉。在不断地探索改进中，图像的质量逐渐提高，从模拟显示单一的个体逐渐发展到能够较全面的展示复杂的场景环境，最终达到模拟人们观察世界的效果。

现有景观环境的渲染或演示技术，一般采用平面显示或者视差立体显示系统作为观察平台。在显示影像的过程中，除了需要获取平面信息，同样也需要获取深度信息。如果缺乏深度信息或者深度信息不完整，则难以表现出整个组织的三维立体结构。目前，需要获得深度信息的领域有空中交通管制、医学成像、大气环境、军事等领域。这些领域的成像过程中需要以大量的跟读信息作为成像的支撑依据，通常以三维的形式进行显示。通过采集获取三维信息，模拟三维结构从而进行三维显示。相比较常规的缺乏深度信息的现实手段，该方法不易丢失三维信息，显示效果要优于常规的伪三维显示技术。目前，一种新型显示技术——真三维显示则满足了获取深度信息数据，且能够显示具有真实空间感的三维立体图形的需求，成为可视化新需求的最佳解决方法。

现有的真三维立体显示技术可分为分光立体（G[asses-basedStereoscopic）、自动分光立体显（Autostereoscoplc Oisplays）、全息术（Hologram）和体三维显示（Vo[umetric3D Oisplay）4大类。在该4类显示技术中，分光立体和自动分光立体显示较为成熟，是本领域的常规的数字化手段。这两类技术采用视差的方式最终来进行3D显示。但该方法的缺点在于3D景象是人工构成，在自然度上存在着偏差，长时间的观察会对观察者的脑力造成负担，从而使观察者的身体产生不适。

目前，主流的全息技术通常利用干涉和衍射的原理，但是通常只能模拟显示静态的环境。人们在进行观察时，必须按照一定的角度进行，并且不具备完善的人机交互。如果想体验到科幻电影中的3D显示效果，则需要采用体三维显示。

二、真三维显示技术概述

按显示原理，真三维显示可以分为主要用来对静态物体进行显示和动态物体进行扫描显示。当显示静态物体时，在一个固定的空间中进行像素显示。该显示技术主要利用红外转换技术。但红外技术在较高功率下会对眼睛有害。当显示动态物体时，主要靠能够做往返机械运动的装置来进行扫描显示。体扫描显示利用可见光成像，对人身体无伤害，同时在结构尺寸上也无过多限制因素。因此，结合以上特点，体扫描可以实现无害的，小型化的3D动态显示，最终模拟出如同科幻电影般的三维透视图像。扫描体显示（Swept-Volume Display）和固态体显示（so[id-VolumeDisplay）是目前体三维显示技术的两大分支。扫描体显示（Swept-VolumeDisplay）技术的代表作是Felix3D（图1）和Perspecta（图2）；固态体显示（solid-Volume Display）的代表作是DepthCube。

三、真三维显示在建筑与环境设计领域应用研究的重要性

真三维显示技术是当今国际信息电子产业的热点研究方向之一，20世纪90年代初，随着光电子技术、计算机技术的发展，越来越多的国家投入到真三维显示技术的发展中来，增加了越来越多的相关研究。其中，以美国和德国的研究成果最为突出。在我国，进行相关研究的单位也越来越多，以浙江大学、中科院的研究较为突出。目前，随着该技术研究的不断成熟，有关成果已开始用于医学诊断、军事战场环境等少数领域。然而，该技术在建筑与环境设计领域尚未得到应有的重视，主要原因可能是该技术主要属于光电领域，使得有关建筑与环境设计领域研究人员对接受它心存恐惧，以为高不可攀。其实不然，建筑与环境设计领域技术人员如果对现有三维图像处理技术熟悉，想将该技术应用于建筑与环境设计领域还是较容易的，推动该技术在建筑与环境设计领域应用对提高该领域的设计与眼务水平具有重要的现实意义。

四、真三维显示技术在景观环境中的图像处理方法

（一）应用BIM技术进行参数化三维图像设计

常规的景观环境设计软件是AutoCAD，但随着该领域的不断发展，更高级的软件技术也不断地涌现，其中最为代表性的是BlM（BuiWingInformation Mode（建筑信息模型）技术。BlM是基于存储信息的方式进行三维模型的设计。例如，当设计三维墙体模型时，需要获得墙和开窗的信息，以及所需材料、颜色、类型、表面处理方式等一系列的信息。这些信息属于几何信息和建筑属性信息，并且在BIM软件中以参数的形式进行存储，简化了设计过程，提高了设计效率。

景观环境有许多不具有参数化条件，例如设计风格；有的已经具有参数化条件，例如某项设计模型的营造方法，完全具有参数化条件。因此，通过BIM软件，设计师在进行创作时，直接以参数的形式进行设计，大大简化了设计过程。

目前主流的BIM软件有：ArchiCAD、MicrostationTriFoma、Rerit。ArchiCAD是由Graphisoft公司研发；MicrostationTriFoma是由Bentley公司研发；Rerit是由Autodesk公司研发。GDL语言是常用的环境设计语言，设计师采用GDL语言进行设计时，采用加工参数和几何参数属性的构件子程序，对所需要设计的具体构件进行参数重构，即修改子程序的参数来进行构件，从而建立所需的构建库。利用C+设计构件组装系统，最终建立所需的用来辅助景观设计的三维系统。

（二）VC环境下利用OpenGL进行图像处理

开放陛图形库（Open Graphic Library）即OpenGL，起源于美国高级图形和图像计算机系统公司。该公司开发了基于三维图形的标准库。该标准库可以用来绘制三维图形，支持实现可视化。OpenGL独立于窗口系统和操作系统，具有可移植、兼容不同的平台的优点。

通过采用基于高速嵌入式软、硬件处理的解决方案，对图像信息进行高速数据的采集、算法处理、还原，表现形式多样、内容丰富。通过人机交互平台，将采集到的二维信息经过计算机辅助设计得到三维图像，通过真三维图形处理器的应用和算法，转变为可投射的真三维图像传送给投影机系统。真三维数据转换器工作原理如下：原始的图形数据在图形工作站经过采样以后，在转换器中进行图像的分个、三维建模和真三维采样。嵌入式硬件算法器（Embedded Hardware Algorithm）在响应空间光学触控器的指令信息后对图像进行重分隔、模型变换和采样。最后把校正后的位置信息传给真三维数据转换器，通过OpenGL与图像数据接口处理立体图像数据信息，并经过编译器优化和代码优化和开发，成为具有相应功能的应用软件，设计软件结构，开发流程与界面，并实现不同类型模型的读取，图像技术处理容易方便，可实现多人、全角、裸眼立体观看，实现与真三维显示器中的三维虚拟物体进行^机交互，初步实现了真三维立体图像的实时显示。

（三）应用3D—DOCTOR软件进行图像交互处理

3D—DOCTOR是由Able软件公司研发。该软件主要用于图像的三维建模、渲染和图像处理等方面。目前主要应用于需要可视化的医学三维领域，如x光透视成像、MRI、CT。除此以外，还可以适用于需要3D图像处理的工业领域和计算机科学领域。3D-DOCTOR所支持的图片格式有：TIFF、DICOM、BM P、JPEG，可以对图片的灰度和色彩进行控制。该软件原理如下：2D图像输入以后进行量化采样，对采样的数据进行实时切片，将切片的数据进行3D渲染，最终输出STL.DXF、OBJ、3DS等格式文件。同时其所支持的程序扩展功能可以提供基于Basic的脚本语言，满足设计人员进行二次开发。在医学图像、计算机科学、工业控制等领域，3D-DOCTOR已被广泛的应用。设计师通过该软件建立设计对象的物体模型，对设计模型进行进一步的细化，在原有设计的基础上进一步的保留细节，最大限度的还原真实场景。但是该方法的缺点也十分明显，在建立运动的模型时不可交互控制，只能利用该软件预先设定，所以不适用于需要设计运动物体、建立运动物体模型的情况。

（四）应用3DStudioMax软件进行3D图像建模处理

Discreet公司开发了应用于3D模拟显示的软件3DStudioMax，简称MAX或者3dsMax。该软件是基于Pc系统，应用于三维渲染和制造。该软件初期应用于DOS环境，随着WindowsNT出现后，兼容了Windows的操作系统，同时也降低了3D图形制作的门槛。该软件的强大之处在于内置了多种设计工具，其中Polygon Modeting Toots（多边形工具）能够提高工作的流程和效率；Regdoll与MCloth模块能够使设计师更专注于创作，减少因技术难题所带来的精力分散；自定义选项十分灵活，按设计师个人的工作方式优化接口间切换。该软件最新版本支持HDR影像合成工具，能提供色彩校正、点阵或向量式的绘图变形、景深、动态模糊等渲染效果。同时，迅银硬体算图（Quicksitver）和板岩材质编辑器（Statemateria[Editor）能够以视觉化的方式编辑景观材质，节点式的编辑方式能够极大的提高工作效率，改善工作流程。在拥有GPu和cPu的硬件平台上，能够以极短的时间产生高品质影像。材质绘制和建模进行了改良，能够加速材质的绘制和建模工作。设计师在进行渲染的工作室可以简单快速的从单个档切换至多个档设置，并目可以对整个过程进行修改而无需对整个场景进行渲染。暂时完成的设计可以转存至Adobe Effects、Adobe Photoshop软件进行进一步处理，提高了工作效率。3DStudioMax主要应用于3D建筑漫游、室内设计，定位于中端软件。如果需要一些较高级的要求（如动态学模拟），3DStudioMax远不如AutodeskMaya强大。

（五）应用AutodeskMaya软件进行3D建模渲染处理

AutodeskMaya是由Autodesk研发的著名的应用于三维建模的软件。AutodeskMaya的出现大大简化了了3D建模领域的工作流程，提高了工作效率。同时，通过新的的算法极大的提高了设计性能，改善了多边形建模问题，其多线程的工作方式可以充分发挥出多核处理器的优势，模型的外观可依靠新的HLsL着色工具来大大增强，制作出更具弹陛的渲染效果。Maya2015是该软件的最新版本，该版本极大的提高了视窗的功能。对于运动模糊（Motionb[ur）的显示进行了极大的增强。在提高性能的视窗中可显示环境隔绝效果和景深通道。设计师无需打开图形编辑器即可对轨迹运动进行编辑。流体的飞溅、沸腾和浇注效果可以利用新的流体功能来模拟。AutodeskMaya在动力学解算方面拥有强大的功能，可在较短的时间内进行计算，产生强大的动态视觉效果。

AutodeskMaya的3D渲染功能比3DStudioMax更加全面，特别是在斑纹、毛发、粒子等建模上，显示出了其强大的优势。

五、结束语

随着景观环境真三维实时显示技术由概念转变为现实刑用通过图像显示处理二维信息，将采集的二维信息进行连接，利用智能处理和信息融合技术对采样的图像进行处理，最终采用真三维显示技术将处理的图像信息以3D的形式进行显示。设计者在更加高效便捷的平台下进行创作，增加景观环境的三维感知力。

本文从景观环境真三维实时显示的图像处理技术入手，介绍了目前景观环境中真三维实时显示图像处理的重要手段，希望为读者和景观环境设计者带来一些启示，在实际应用中得到参考。