云杉八齒小蠹Ips typographus L. 虛擬模型構(gòu)建方法研究

【文章摘要】
本文以云杉八齒小蠹Ips typographus Linnaeus 為例，經(jīng)標(biāo)本選取，觀察蟲(chóng)體整體形態(tài)，繪制整體結(jié)構(gòu)草圖，電子顯微鏡觀察局部、得到局部數(shù)字圖像，分別建立蟲(chóng)體每一部分的高精度細(xì)節(jié)。把模型每部分拼裝在一起組成整體模型，構(gòu)建出了云杉八齒小蠹三維虛擬昆蟲(chóng)數(shù)字化模型。
【關(guān)鍵詞】三維虛擬數(shù)字模型；高精度可動(dòng)畫(huà)昆蟲(chóng)模型
 
0 引言
虛擬昆蟲(chóng)數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建可以全面獲取昆蟲(chóng)的三維數(shù)據(jù)，保存昆蟲(chóng)的形態(tài)特征和結(jié)構(gòu)信息。獲取的數(shù)據(jù)信息有利于人類(lèi)研究昆蟲(chóng)成果的積累，促進(jìn)昆蟲(chóng)學(xué)科的發(fā)展。建立昆蟲(chóng)的高仿真的動(dòng)畫(huà)模型，不但在昆蟲(chóng)分類(lèi)學(xué)上具有重大意義，尚可在害蟲(chóng)防治、昆蟲(chóng)生態(tài)學(xué)、昆蟲(chóng)行為學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。它還具有為影視、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域服務(wù)的巨大商業(yè)價(jià)值。目前， 國(guó)際上以基于二維圖像的三維模型構(gòu)建技術(shù)、數(shù)字三維掃描技術(shù)、互動(dòng)式人工建模三種建模方法為主要模型生成方式。
昆蟲(chóng)數(shù)字化模型在確保高還原度的同時(shí)，還需要讓整個(gè)模型結(jié)構(gòu)可用于動(dòng)畫(huà)、調(diào)整整體結(jié)構(gòu)布局及最大優(yōu)化計(jì)算機(jī)資源配給。這些是昆蟲(chóng)建模的難點(diǎn)。它要求建模人員應(yīng)構(gòu)建出昆蟲(chóng)身體的每一部分, 在于后期手工調(diào)整到適于動(dòng)畫(huà)的高仿真模型。
1 材料與方法
1.1 材料與工具
標(biāo)本來(lái)源于2013 年5 月吉林省長(zhǎng)白朝鮮族自治縣衡山林場(chǎng)。在現(xiàn)地采集到云杉八齒小蠹活體成蟲(chóng)后，置于75% 乙醇內(nèi)保存。用OLYMPUS SZX16 體視顯微鏡和JSM-6510 掃描電子顯微鏡觀察、攝像。用Autodesk Maya2014、Pixologic Zbrush4 建模。
1.2 方法
云杉八齒小蠹的體積較小（體長(zhǎng)＜ 0.5 mm），用肉眼很難觀察形態(tài)特征。所以，在建立蟲(chóng)體數(shù)據(jù)模型時(shí)，采用前期顯微照像和三維掃描并用的方法，先產(chǎn)生低面數(shù)網(wǎng)格模型，中期手動(dòng)對(duì)模型修改，后期繪制貼圖材質(zhì)，并手動(dòng)生成與動(dòng)畫(huà)用的模型網(wǎng)格拓?fù)洹?br /> 前期觀察標(biāo)本時(shí)，抓住云杉八齒小蠹的整體形態(tài)特征，拍照并配合手繪草圖。在觀察中，手動(dòng)調(diào)整體視顯微鏡焦距，用不同放大倍率觀察標(biāo)本同一部位，拍照， 得到數(shù)張不同倍率的圖像。用電腦模糊計(jì)算方式將每張圖像的模糊部分去掉，把每張圖像中清晰的部分結(jié)合在一起，得到一張清晰的標(biāo)本圖像。應(yīng)用這種方法可以得到所需的外部形態(tài)細(xì)節(jié)，為后期建立數(shù)字虛擬模型做好準(zhǔn)備。
上述方法適合觀察蟲(chóng)體上的“中等” 部位細(xì)節(jié)。對(duì)于蟲(chóng)體上更細(xì)小不易觀察的部位，可再分解為小部分，之后在電鏡下掃描觀察。如分割后觀察上顎、下唇、下顎、鞘翅、膜翅與背板連接部、前胸背板和1~8 腹板等。通過(guò)“IMAGE 數(shù)字成像系統(tǒng)” 把所得到的數(shù)據(jù)，按需要合成電子圖像。
2 結(jié)果與分析
用于構(gòu)建云杉八齒小蠹數(shù)字模型的顯微照片共計(jì)50 張，前期繪制草圖共20 張。從模型最終完成的情況來(lái)看，這些材料可以滿足云杉八齒小蠹三維虛擬模型建模。
目前，構(gòu)建數(shù)字模型的方法有管線生產(chǎn)和非線性制作兩種。
筆者在構(gòu)建云杉八齒小蠹模型生產(chǎn)管線時(shí)，注意到以上兩種制作模式中的缺點(diǎn)，予以修正。采取的制作管線基于非線性模型制作基礎(chǔ)上，略有改動(dòng)。
2.1 云杉八齒小蠹高模構(gòu)建
結(jié)合資料圖片，用Autodesk 的123DCatch 構(gòu)建模型。在Autodesk 123DCatch 中生成的模型為三角化鑲嵌式模型。對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)洞、網(wǎng)格重構(gòu)等自動(dòng)計(jì)算就可以得到均勻的、可用于增加模型細(xì)節(jié)的多邊形構(gòu)建小蠹模型草圖。在本研究中，筆者把草圖模型分割成觸角，復(fù)眼， 頭，胸，腹，鞘翅和足。
在建模過(guò)程中筆者應(yīng)用了Alpha 映射技術(shù)，應(yīng)用從照片中采集到的刻點(diǎn)和瘤區(qū)部分，分別生成和用于模型上的Alpha 灰度圖。計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)把灰度圖轉(zhuǎn)換成高度圖（High-map)。灰度圖像中的黑白灰表示模型向上凸起的程度，實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)資料細(xì)節(jié)映射到模型上，節(jié)省了大量時(shí)間。
整體修改和在不同材質(zhì)上的效果比對(duì)。在模型建立完成后需進(jìn)行局部修改， 以確保模型的正確性。此時(shí)模型的多邊形數(shù)量很多（約2400000 個(gè)面），要查看細(xì)節(jié)必須應(yīng)用多種材質(zhì)觀察模型的高光形體。因?yàn)楣P者在制作前期考慮了影響模型形體的因素，所以云杉八齒小蠹的模型到后期并沒(méi)有太多的形態(tài)變化，達(dá)到了預(yù)想效果。
2.2 關(guān)于小蠹行走運(yùn)動(dòng)方式的可動(dòng)畫(huà)性分析
為今后模型可用在影視動(dòng)畫(huà)制作，筆者在制作模型時(shí)，對(duì)云杉八齒小蠹行走運(yùn)動(dòng)方式的可動(dòng)畫(huà)性進(jìn)行了研究。小蠹的行走方式是6 足分成兩組，每向前爬行一步， 身體就用兩組中的一組支撐著。另外一組稍舉起脫離地面向前邁進(jìn)。這樣，身體始終被一個(gè)三角形支撐著，但一組三角形支架中所有的足同時(shí)提起時(shí)，另一組三角形支架的三只足原地不動(dòng)，支撐身體，同時(shí)重心落在另一組三角形支架上。
3 結(jié)論與討論
從長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)，云杉八齒小蠹數(shù)據(jù)模型應(yīng)具有可動(dòng)畫(huà)功能，可以簡(jiǎn)要地對(duì)標(biāo)本進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。勒• 柯布西耶和居維葉認(rèn)為“動(dòng)物的所有器官形成一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)器官緊密一致、相互作用；任何一個(gè)器官發(fā)生變化，其他所有器官都會(huì)發(fā)生類(lèi)似的變化。”相同的結(jié)構(gòu)源自相同環(huán)境下的使用目的。
為了更好的收集有關(guān)信息，把個(gè)體標(biāo)本分離為各部分觀察。盡管分離標(biāo)本后部分材料觀察較為細(xì)致，但卻分割了與整體的關(guān)系。電鏡掃描需要把標(biāo)本用金粉全部覆蓋，可觀察到標(biāo)本上的毛與毛窩之間的空間位置關(guān)系，但顏色和材質(zhì)細(xì)節(jié)就會(huì)完全丟失。為避免這些缺陷，應(yīng)在前期盡量收集個(gè)體各個(gè)角度的信息。后期制作模型時(shí)，依據(jù)其特征，逐一對(duì)比，滿足三維模型制作上的正確性。
另一個(gè)難點(diǎn)是切割分離觀察材料的準(zhǔn)確性。筆者在切割時(shí)，只把標(biāo)本分離到頭、前胸背板、鞘翅、三對(duì)足、腹部。對(duì)口器部分的切割很難進(jìn)行，所以從形態(tài)上，我們借鑒了韓國(guó)人的制作經(jīng)驗(yàn)。
研究得知，多邊形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須符合模型運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。在模型可運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處的多邊形需要發(fā)生形變，必須手工構(gòu)建大量的多邊形用以增加運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。原理是，在模型上大多數(shù)可運(yùn)動(dòng)的部分由四邊形構(gòu)成， 通過(guò)對(duì)四邊形每條邊和四個(gè)頂點(diǎn)的變形拉扯產(chǎn)生形變，導(dǎo)致網(wǎng)格密度改變。在不需要運(yùn)動(dòng)的地方網(wǎng)格相對(duì)較少，用以節(jié)省計(jì)算機(jī)資源。
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