中国数字科技馆——航空馆

简介

航空技术是二十一世纪最为活跃的高新技术之一，也是衡量一个国家综合国力的重要标志，对保证国家安全、带动国民经济其他部门的发展具有重大意义。北京航空航天大学是我国著名的培养航空航天高级技术人才、从事相关技术研究的高等学府，经过近五十年的建设，北京航空航天大学形成了一批具有航空航天特色的、门类齐全的学科，取得了一大批具有国际水平的重要科技成果，建有北京航空馆、航空发动机陈列馆、导弹陈列馆等展馆，展览内容覆盖航空航天主要专业领域，馆藏资源十分丰富，是面向全社会的重要科普教育基地。

北航航空博物馆充分发挥优势和特色，最大限度地发挥社会经济效益，利用当前以网络技术为代表的最新信息技术手段建设博物馆，使展示形式由平面、静态变为立体、动态；由单一呆板变为形象、交互；使分散的资源集中共享；使单元、区域教育变成全面的远程教育。

2006年，中国科协承担了科技部国家科技基础条件平台建设项目“中国数字科技馆”，北京航空航天大学作为参与单位承担了“数字航空馆”建设。本文介绍“数字航空馆”建设中采用的一些关键技术，包括三维物体建模技术、三维模型编码和传输技术、全景图、虚拟装配以及数字版权保护技术。

三维物体建模技术

目前，三维物体建模主要有三种方法：第一种，手工建模，建模人员利用三维建模软件(如Maya)构造三维模型；第二种，基于深度图像建模，利用三维扫描设备采集物体表面深度信息，经过深度图像拼接等处理过程，构造出高精度的三维模型；第三种，基于图像建模，用数码相机拍摄整个物体图像，利用计算机视觉方法计算出图像深度信息，最终构造出逼真的三维模型。我们主要开展了基于深度图像三维物体建模和基于图像建模的研究。图1(a)是三维扫描仪美能达VIVID 910，图1(b)为研究人员使用该三维扫描仪采集“北京航空馆”中“黑寡妇”飞机三维数据的现场。

基于深度图像的三维建模

三维物体的几何形状往往比较复杂，而三维扫描设备的扫描视角有限，为了全方位地获得三维物体表面的几何信息，需要在多个不同的视点位置进行扫描。每次扫描采集到的点云数据具有深度信息，称之为深度图像(range image)。利用深度图像配准技术将这些深度图像拼接起来，就可以构造出完整的三维几何模型。然后用纹理重构技术将数码相机拍摄的高分辨率纹理图像无缝地粘贴到三维几何模型上，就可构造出逼真的三维模型。

传统的深度图像配准方法需要用户手动选取待配准的两幅深度图像间三对或三对以上的对应点。我们提出了一种自动深度配准方法，主要分三步：第一步，两两粗略配准。用曲面的微分特性作为特征描述符，首先对待配准的两幅深度图像进行基于Octree的特征点提取。然后结合特征值以及特征点之间的角度、距离等约束条件，找出尽可能可靠的特征对应点，并得到相应的两两粗略配准的可能结果。最后结合精确配准的结果，对配准结果进行一致性检测，从而得出最可靠的配准结果。第二步，两两精确配准。基于ICP(Iterative Closest Point)迭代最近点算法，对粗略配准的结果做进一步优化。第三步，全局配准。两两配准后存在累积误差，因此两两配准后，需要优化全局误差，消除累积误差。全局优化是一个复杂的优化问题，计算复杂度较高。我们基于均匀分布检验的方法剔除孤立点、噪声点和边界点；为了加速对应点搜索速度，采用建立对应点缓冲区方法，节省了存储空间，提高了搜索对应点效率；为了优化对应点之间的误差，采用基于伪逆矩阵优化误差的方法，具有较高的稳定性和效率。

点云表示的深度图像配准后，需要重建表面，即网格化。我们使用基于Delaunay三角剖分的方法重建模型表面。先对点云进行三维Delaunay三角剖分，然后求每点的法向量，滤掉过大三角面片并且将三角面片从小到大排序，根据对三角面之间投影的遮挡关系，使用贪心法抽取物体表面，最后调整法向一致性，实现表面重建。

物体表面属性一般用纹理图像表示。首先用数码相机拍摄物体表面纹理图像，然后利用纹理重构技术把纹理图像无缝地粘贴到三维模型上。纹理重构要解决两个问题：纹理图像与几何模型配准，以及将纹理图像无缝地粘贴到三维模型表面上。我们采用基于侧影轮廓线方法配准其中一幅纹理图像，其余图像用基于特征点的方法配准，从而实现纹理图像与几何模型的配准。

三维模型编码和传输技术

利用三维扫描仪采集数据构造的三维模型精度高，逼真度高，三维模型数据量也很大。一方面，庞大的三维数据对现有的计算机存储和处理能力提出了巨大的挑战；另一方面，在现有的网络带宽下传输和绘制三维模型也十分困难，不利于三维模型在Internet上的广泛传播和利用。为此需要研究三维模型的压缩编码、传输和绘制技术。

在几何驱动编码中，频域编码有很高的编码效率，但只适合于流形网格，计算开销很大，在压缩比大时失真严重，而且是有损压缩。在空间域方法中，Kdtree和Octree等空间划分的方法逐渐成为压缩编码领域的研究热点，一方面这种树形结构能很好地重新组织几何数据，另一方面只要划分足够精细就能够做到无损压缩。我们提出一种基于Octree的三维网格模型压缩编／解码方法，对几何、拓扑和属性都进行了压缩编码，压缩比高且适合网络递进传输，满足了当前大数据量三维模型存储及网络传输的需求。首先对三维网格模型的顶点信息重新进行Octree空间划分，统计分析其中各种不同类型的节点，找出占总节点数目比例最多的一类或几类节点，单独对其使用较少的比特位进行几何信息编码；然后根据几何信息的传输顺序，重新排列拓扑信息和属性信息并编码；最后设置单独的递进文件控制几何信息传输、显示以及解码时拓扑、属性信息的同步映射。我们的方法有以下特点：第一，使用Octree子分过程能产生丰富的信息，而且空间划分效率较高，收敛速度快，能更有效地进行几何和拓扑编码。第二，可以有效地控制压缩程度，一般能达到无损压缩程度，如果设置较小的Octree深度值，也能得到更大压缩比率的有损压缩。第三，设计了优化的递进显示策略，完全根据用户视点信息“按需传送”，使客户端不仅很快就能显示图形，并且所展示的图形绘制过程也比较合乎人眼的视觉习惯。第四，不需要针对网络带宽估计传输时间，客户端响应时间短，真正充分地利用网络带宽。图2为航空馆中的飞机模型在网络上传输的解码过程。

全景图

全景图是一种利用IBR(Image—

Based Rendering)技术构造的具有一定漫游能力的虚拟环境。它具有三大优点：(1)以照相机采集的实景图像或摄像机采集的视频为基础构造虚拟场景，无需三维建模；(2)根据时间空间的联系组织视景图像，把时间、空间相关的各种媒体信息集成在一起，用户可以在虚拟空间中漫游，操纵虚拟物体；(3)既可以呈现真实环境，还可以做到虚实结合。

我们开发一个类似于QuickTimeVR的全景图构造工具，如图3所示，可以方便地构造出全景图，如图4所示。

在客户端我们使用Java技术开发一个Applet嵌入浏览器中，实现跨平台的虚拟场景浏览。图5是北京航空馆室外场景的全景图漫游，用户可以点击视图下面的按钮加快、减慢视点旋转的速度，也可拉近、调远视点离目标的距离。当窗口视图出现黄色边框时，表明此处是热区，可用鼠标点击热区进入其他页面，进一步浏览其详细信息。

虚拟装配

虚拟装配是虚拟制造技术中的重要一环，在整个虚拟制造的过程中起到至关重要的作用。在数字航空馆中，虚拟装配有助于用户了解飞机装配过程。我们制作了基于Web的“鹞”式飞机虚拟装配系统，用户可以亲自体会到飞机的拆卸组装的过程，以便对这架珍贵的藏品有更深刻的了解，如图6所示。虚拟装配体现在用户对飞机部件模型的任意选取及拖放，提供装配图纸及装配动画演示来提示用户，各部件在一定范围误差内就自动拼接，以减少用户操作上的困难。

数字版权保护技术

在数字博物馆中，数字版权保护具有十分重要的意义。我们主要开展了数字水印和远程绘制两方面的技术研究。

数字水印技术

我们针对图像和三维模型开展了数字水印技术研究。

在图像数字水印方面，我们提出了一种针对彩色图像的鲁棒性盲水印算法，可以根据二值图水印信号位流，结合宿主图像DCT系数相关性自适应地嵌入水印信号。提取水印时不需要原始宿主图像，可以批量处理，适于在Internet上检测侵权数字作品，对JPEG有损压缩、叠加噪声等处理操作具有较好的鲁棒性。

在三维数字水印方面，提出一种针对三维网格模型的盲水印算法。首先通过主成分分析对模型进行预处理，然后对三维模型进行Octree剖分，选择特定Octree层次和节点的编码嵌入有意义的大容量水印信息。该算法提取水印时不需要原始模型数据，算法与模型的拓扑无关，可以对点云数据进行水印嵌入，特点是嵌入容量大，可抵抗旋转、平移、缩放和顶点重排序攻击，根据结合Octree高层编码构造的零水印，还可以在一定程度上抵抗均匀化简、噪声等攻击，具有较强的鲁棒性和普适性。三维模型的水印嵌入和提取结果如图7所示。远程绘制技术

三维数字水印技术只能在数据失窃之后证明盗版行为，而无法事先防止对三维数据的攻击。我们实现了一种基于远程绘制的三维模型发布系统，可以更有效保护三维模型的版权。我们的系统采用服务器／客户端模式。用户浏览三维模型时，客户端先下载粗模型供用户使用，并将用户视点信息实时传至服务器，服务器根据用户视点对精细三维进行绘制，然后将绘制的图像经过压缩发给客户端，客户端将这个图像解压并映射到三维粗模型上，供用户浏览，如图8所示。与目前流行的“先下载，再显示”的3D模型发布系统相比，我们的远程绘制系统具有先天的安全性优势——需要保护的原始模型数据保存在服务器端，而客户端接收到的只是服务器端绘制的当前视点图像数据。为了防止潜在的攻击者使用服务器提供的2D图像重构初始的三维模型，我们在服务器还采取了日志分析、对绘制请求设置限制和噪声干扰等防范重构的措施。

成果及总结

数字博物馆建设已经越来越受到各国政府和组织的重视，因此开展数字博物馆关键技术研究和应用有着十分重要的现实意义。中国数字科技馆一航空馆的建成对普及全民航空科学知识，推动我国广大青少年的素质教育，培养、造就我国航空航天高技术人才具有重要意义。图9是数字航空馆中战机枭龙和飞豹的三维飞机模型展示，感兴趣的读者可访问中国数字科技馆—航空馆。

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