3.3　三維環境建模方法

要在計算機中表示一個三維物體，首先要有它的幾何模型表達。因此，三維模型的建模是計算機圖形學的基礎，是學習其他內容的前提。表達一個幾何物體，可以用數學上的樣條函數或隱式函數來表達，也可以用光滑曲面上的采樣點及其連接關系上的三角網格來表達（即連續曲面的分片線性逼近）。三維建模方法主要包含如下一些方法。

計算機輔助設計（CAD）中的主流方法是采用NURBS（非均勻有理樣條）方法（已成為CAD工業領域的標準），這也是計算機輔助幾何設計（CAGD）所研究的主要內容。此類表達方法有一些難點問題仍未解決，如非正規情況下的曲面光滑拼合、復雜曲面表達等。

細分曲面（Subdivision Surface）造型方法，作為一種離散迭代的曲面構造方法，由于其構造過程樸素簡單及實現容易，是一個研究熱點。經過十多年的研究發展，細分曲面造型方法取得了較大的進展，包括奇異點處的連續性構造方法及與GPU圖形硬件相結合的曲面處理方法。

利用軟件的直接手工建模方法。現在，主流的商業化的三維建模軟件有Autodesk 3ds Max和Maya。其他還有面向特定領域的商業化軟件，如面向建筑模型造型的SketchUp、面向CAD/CAM/CAE的CATIA和AutoCAD、面向機械設計的SolidWorks、面向造船行業的Rhino等。這些軟件需要建模人員有較強的專業知識，而且需要一定時期的培訓才能掌握，建模效率低且學習門檻高，不易于普及和讓非專業用戶使用。

基于草圖交互方式的三維建模方法。草圖交互方式由于其符合人類原有日常生活中的思考習慣，交互方式直觀、簡單，是近幾年研究的熱點建模方法。其難點是根據具體的應用場合，如何正確地理解和識別用戶的交互所表達的語義，構造出用戶所希望的模型。

基于語法及規則的過程式建模方法。這種方法特別適合具有重復特征和結構化的幾何物體與場景，如建筑、樹木等。

基于圖像或視頻的建模方法。這是傳統的計算機視覺所要解決的基本問題。在計算機圖形學領域，這方面的發展也很迅速。有一些商業化軟件或云服務（如Autodesk 123D），已經能根據若干張照片重建出所拍攝物體的三維模型。該方法的問題是需要物體本身已經存在，而且重建的三維模型的精度有限。

基于掃描點云（深度圖像如Kinect、結構光掃描、激光掃描、LiDAR掃描等）的建模方法。隨著深度相機的出現及掃描儀價格的迅速下降，人們采集三維數據變得容易，從采集到的三維點云來重建三維模型的工作在最近幾年的亞洲計算機圖形和交互技術會議暨展覽會上常能見到。但是，單純的重建方式存在精度低、穩定性差和運算量大等不足，遠未能滿足實際需求。

基于現有模型來合成建模的方法。隨著三維模型的逐漸增多，可以利用現有的三維模型通過簡單的操作，如剪貼或分析及變形等手段來拼接或合成新的三維模型。這種通過“學習”模型數據庫的知識來進行建模的手段在近3～5年里成為熱門研究領域。從某方面來講，這就是“大數據時代”背景下計算機圖形學領域中的一個具體表現。

在對三維幾何模型的構建過程中，還會涉及很多需要處理的幾何問題，如數據去噪（Denoising or Smoothing）、補洞（Repairing）、簡化（Simplification）、層次細節（Level of Detail）、參數化（Parameterization）、變形（Deformation）、分割（Segmentation）、形狀分析及檢索（Shape Analysis and Retrieval）等。即便有了如此之多的三維建模方法，但仍然未出現一種完全適用于自動駕駛仿真環境的建模工具。大多數情況下，仿真環境的搭建會綜合若干種方式展開，結合自動化生成和精細化建模，主要區分路網層、植被層、建筑層等，虛擬仿真環境的層次化建模如圖3-2所示。

圖3-2　虛擬仿真環境的層次化建模