“遠(yuǎn)看山有色，近聽水無聲，春去花還在，人來鳥不驚。”這是古代詩人對(duì)于繪畫能重現(xiàn)自然發(fā)出的贊嘆?？萍硷w速發(fā)展的今天，二維世界的模擬與設(shè)計(jì)已不足為奇，人們希望利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，讓各種形體復(fù)雜的對(duì)象在計(jì)算機(jī)中以三維的方式得以重現(xiàn)，并進(jìn)行自由設(shè)計(jì)。無論數(shù)字影視娛樂產(chǎn)業(yè)，還是高精尖的汽車、飛機(jī)的制造產(chǎn)業(yè)都對(duì)此提出了重大需求。浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的鮑虎軍教授說，這是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和圖形學(xué)領(lǐng)域的基本問題之一。
三維建模技術(shù)在影視娛樂產(chǎn)業(yè)應(yīng)用之初，只能完成簡單的形體的建模和修改。而面對(duì)一個(gè)復(fù)雜的對(duì)象，傳統(tǒng)的樣條和網(wǎng)格曲面的分片拼接模式遇到了極大挑戰(zhàn)，一個(gè)微小的修改，就會(huì)帶來復(fù)雜的運(yùn)算。設(shè)計(jì)師想要在計(jì)算機(jī)上快速自由“造物”，還是會(huì)很辛苦，受到很大制約。《阿凡達(dá)》、《納尼亞傳奇》中半人半獸的奇幻形象，都需要藝術(shù)家先“手造”一個(gè)泥模，再用激光掃描技術(shù)三維數(shù)字化。而每一個(gè)動(dòng)作的形變，都需要設(shè)計(jì)師花費(fèi)大量的時(shí)間精力。
“實(shí)際上，這些模型堆積在數(shù)據(jù)庫里越來越多，怎樣來重用這些數(shù)據(jù)，高效地創(chuàng)造出新的模型，這是一個(gè)很重要的問題。三維激光掃描儀掃描出來的模型，通常表示為由一系列小三角形拼接而成的一張網(wǎng)，稱之為網(wǎng)格曲面。如何用網(wǎng)格曲面來高效地構(gòu)造出復(fù)雜的形體，是我們的課題之一。”鮑虎軍說，課題組首次提出了網(wǎng)格曲面微分域幾何計(jì)算理論和方法，克服了傳統(tǒng)幾何計(jì)算方法的缺陷，發(fā)明了一系列三維網(wǎng)格模型的交互編輯和處理技術(shù)，如此一來，數(shù)字影視娛樂產(chǎn)業(yè)的三維模型設(shè)計(jì)變得非常直觀與方便，能達(dá)到“所見即所得”的效果。
通過計(jì)算機(jī)演示，記者目睹了基于課題組發(fā)明的技術(shù)的一次“造物”歷程：截下獨(dú)角獸的角，勝利女神的翅膀、人體的上半身、馬的身體和四肢，短短幾秒鐘之內(nèi)，這些截下的三維模型經(jīng)過變形，重新完成了拼裝，形成了一個(gè)嶄新的人面飛馬。拼接天衣無縫，宛若天成。在另一段視頻中，設(shè)計(jì)師嘗試讓一只恐龍走路，只要拖動(dòng)恐龍的腳步，恐龍就會(huì)“聽話”地邁出步伐。
“對(duì)用戶來說，可以不需要很多專業(yè)的知識(shí)，就可以快速設(shè)計(jì)出復(fù)雜的形體。編輯三維模型就如同我們眼下使用Photoshop等軟件編輯圖片一樣簡單上手。”鮑虎軍說，不久的將來，隨著三維激光掃描和3D打印技術(shù)的普及，老百姓就可以在家中實(shí)現(xiàn)自由的三維模型設(shè)計(jì)與制造。
而在汽車、飛機(jī)制造等高端裝備的工業(yè)實(shí)際，“高精度”是直接決定設(shè)計(jì)和制造效率的關(guān)鍵因素。“對(duì)于有精度要求高的工業(yè)設(shè)計(jì)和模擬仿真實(shí)際，我們需要改造原來的三角形網(wǎng)格，重新采樣變成四邊形網(wǎng)格。”鮑虎軍介紹，課題組找到了一種高效的駐波函數(shù)優(yōu)化重構(gòu)方法，自動(dòng)地將三角形網(wǎng)格曲面轉(zhuǎn)化為四邊形網(wǎng)格，進(jìn)而迭代重建出光滑樣條曲面。
此外，課題組還解決了質(zhì)量可控的參數(shù)化難題，提出了網(wǎng)格曲面之間盡可能剛性的參數(shù)化映射的優(yōu)化構(gòu)造方法，讓三維模型在轉(zhuǎn)換為二維的“拼圖”過程中的誤差控制在最小范圍，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜景物的流形網(wǎng)格曲面的自由可控二維展開，為上述樣條曲面的重構(gòu)和景物表面的紋理裝飾提供了所需的參數(shù)坐標(biāo)。
據(jù)了解，這項(xiàng)更快、更精、更準(zhǔn)的“造物術(shù)”得到了18個(gè)國家地區(qū)學(xué)者的廣泛引用，引領(lǐng)了國際網(wǎng)格曲面的微分域計(jì)算和逼近重構(gòu)的研究熱潮，形成了新的研究方向。8篇代表性論文共被他引 918 次 (SCI他引369次)，20 篇核心論文共被他引 1656 次 (SCI他引638次) 。課題組應(yīng)邀在ACM SIGGRAPH、PG、CAD等著名會(huì)議上作特邀報(bào)告,得到了國內(nèi)外學(xué)者的高度評(píng)價(jià)，被認(rèn)為創(chuàng)新解決了由微分坐標(biāo)變化來保細(xì)節(jié)優(yōu)化重建形變網(wǎng)格的難題，開辟了非多項(xiàng)式樣條函數(shù)構(gòu)造和局部可控迭代逼近的新范式，聰明、獨(dú)特的優(yōu)化方法，有效解決了參數(shù)映射誤差的可控性問題。
有關(guān)成果共 7 次在ACM SIGGRAPH、EG、ICCV等頂尖圖形學(xué)、視覺學(xué)術(shù)會(huì)議上作為前沿報(bào)告和課程講授，被近十所國際著名大學(xué)的圖形學(xué)課程和討論班指定為閱讀和討論文獻(xiàn)。
研究成果在數(shù)學(xué)理論與設(shè)計(jì)模擬等應(yīng)用間架起了橋梁，豐富了幾何計(jì)算理論，部分成果得到了成功應(yīng)用。
（文 周煒/攝影 盧紹慶）
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三維建模技術(shù)在影視娛樂產(chǎn)業(yè)應(yīng)用之初，只能完成簡單的形體的建模和修改。而面對(duì)一個(gè)復(fù)雜的對(duì)象，傳統(tǒng)的樣條和網(wǎng)格曲面的分片拼接模式遇到了極大挑戰(zhàn)，一個(gè)微小的修改，就會(huì)帶來復(fù)雜的運(yùn)算。設(shè)計(jì)師想要在計(jì)算機(jī)上快速自由“造物”，還是會(huì)很辛苦，受到很大制約。《阿凡達(dá)》、《納尼亞傳奇》中半人半獸的奇幻形象，都需要藝術(shù)家先“手造”一個(gè)泥模，再用激光掃描技術(shù)三維數(shù)字化。而每一個(gè)動(dòng)作的形變，都需要設(shè)計(jì)師花費(fèi)大量的時(shí)間精力。
“實(shí)際上，這些模型堆積在數(shù)據(jù)庫里越來越多，怎樣來重用這些數(shù)據(jù)，高效地創(chuàng)造出新的模型，這是一個(gè)很重要的問題。三維激光掃描儀掃描出來的模型，通常表示為由一系列小三角形拼接而成的一張網(wǎng)，稱之為網(wǎng)格曲面。如何用網(wǎng)格曲面來高效地構(gòu)造出復(fù)雜的形體，是我們的課題之一。”鮑虎軍說，課題組首次提出了網(wǎng)格曲面微分域幾何計(jì)算理論和方法，克服了傳統(tǒng)幾何計(jì)算方法的缺陷，發(fā)明了一系列三維網(wǎng)格模型的交互編輯和處理技術(shù)，如此一來，數(shù)字影視娛樂產(chǎn)業(yè)的三維模型設(shè)計(jì)變得非常直觀與方便，能達(dá)到“所見即所得”的效果。
通過計(jì)算機(jī)演示，記者目睹了基于課題組發(fā)明的技術(shù)的一次“造物”歷程：截下獨(dú)角獸的角，勝利女神的翅膀、人體的上半身、馬的身體和四肢，短短幾秒鐘之內(nèi)，這些截下的三維模型經(jīng)過變形，重新完成了拼裝，形成了一個(gè)嶄新的人面飛馬。拼接天衣無縫，宛若天成。在另一段視頻中，設(shè)計(jì)師嘗試讓一只恐龍走路，只要拖動(dòng)恐龍的腳步，恐龍就會(huì)“聽話”地邁出步伐。
“對(duì)用戶來說，可以不需要很多專業(yè)的知識(shí)，就可以快速設(shè)計(jì)出復(fù)雜的形體。編輯三維模型就如同我們眼下使用Photoshop等軟件編輯圖片一樣簡單上手。”鮑虎軍說，不久的將來，隨著三維激光掃描和3D打印技術(shù)的普及，老百姓就可以在家中實(shí)現(xiàn)自由的三維模型設(shè)計(jì)與制造。
而在汽車、飛機(jī)制造等高端裝備的工業(yè)實(shí)際，“高精度”是直接決定設(shè)計(jì)和制造效率的關(guān)鍵因素。“對(duì)于有精度要求高的工業(yè)設(shè)計(jì)和模擬仿真實(shí)際，我們需要改造原來的三角形網(wǎng)格，重新采樣變成四邊形網(wǎng)格。”鮑虎軍介紹，課題組找到了一種高效的駐波函數(shù)優(yōu)化重構(gòu)方法，自動(dòng)地將三角形網(wǎng)格曲面轉(zhuǎn)化為四邊形網(wǎng)格，進(jìn)而迭代重建出光滑樣條曲面。
此外，課題組還解決了質(zhì)量可控的參數(shù)化難題，提出了網(wǎng)格曲面之間盡可能剛性的參數(shù)化映射的優(yōu)化構(gòu)造方法，讓三維模型在轉(zhuǎn)換為二維的“拼圖”過程中的誤差控制在最小范圍，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜景物的流形網(wǎng)格曲面的自由可控二維展開，為上述樣條曲面的重構(gòu)和景物表面的紋理裝飾提供了所需的參數(shù)坐標(biāo)。
據(jù)了解，這項(xiàng)更快、更精、更準(zhǔn)的“造物術(shù)”得到了18個(gè)國家地區(qū)學(xué)者的廣泛引用，引領(lǐng)了國際網(wǎng)格曲面的微分域計(jì)算和逼近重構(gòu)的研究熱潮，形成了新的研究方向。8篇代表性論文共被他引 918 次 (SCI他引369次)，20 篇核心論文共被他引 1656 次 (SCI他引638次) 。課題組應(yīng)邀在ACM SIGGRAPH、PG、CAD等著名會(huì)議上作特邀報(bào)告,得到了國內(nèi)外學(xué)者的高度評(píng)價(jià)，被認(rèn)為創(chuàng)新解決了由微分坐標(biāo)變化來保細(xì)節(jié)優(yōu)化重建形變網(wǎng)格的難題，開辟了非多項(xiàng)式樣條函數(shù)構(gòu)造和局部可控迭代逼近的新范式，聰明、獨(dú)特的優(yōu)化方法，有效解決了參數(shù)映射誤差的可控性問題。
有關(guān)成果共 7 次在ACM SIGGRAPH、EG、ICCV等頂尖圖形學(xué)、視覺學(xué)術(shù)會(huì)議上作為前沿報(bào)告和課程講授，被近十所國際著名大學(xué)的圖形學(xué)課程和討論班指定為閱讀和討論文獻(xiàn)。
研究成果在數(shù)學(xué)理論與設(shè)計(jì)模擬等應(yīng)用間架起了橋梁，豐富了幾何計(jì)算理論，部分成果得到了成功應(yīng)用。
（文 周煒/攝影 盧紹慶）
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