云杉八齿小蠹Ips typographus L. 虚拟模型构建方法研究
作者:王选遥 王志明等时间:2015-11-20 14:15:42 来源:www.ksfbw.com 阅读次数:1227次 ]
【文章摘要】
本文以云杉八齿小蠹Ips typographus Linnaeus 为例，经标本选取，观察虫体整体形态，绘制整体结构草图，电子显微镜观察局部、得到局部数字图像，分别建立虫体每一部分的高精度细节。把模型每部分拼装在一起组成整体模型，构建出了云杉八齿小蠹三维虚拟昆虫数字化模型。
【关键词】三维虚拟数字模型；高精度可动画昆虫模型
0 引言
虚拟昆虫数据模型的构建可以全面获取昆虫的三维数据，保存昆虫的形态特征和结构信息。获取的数据信息有利于人类研究昆虫成果的积累，促进昆虫学科的发展。建立昆虫的高仿真的动画模型，不但在昆虫分类学上具有重大意义，尚可在害虫防治、昆虫生态学、昆虫行为学等领域发挥重要作用。它还具有为影视、虚拟现实等领域服务的巨大商业价值。目前， 国际上以基于二维图像的三维模型构建技术、数字三维扫描技术、互动式人工建模三种建模方法为主要模型生成方式。
昆虫数字化模型在确保高还原度的同时，还需要让整个模型结构可用于动画、调整整体结构布局及最大优化计算机资源配给。这些是昆虫建模的难点。它要求建模人员应构建出昆虫身体的每一部分, 在于后期手工调整到适于动画的高仿真模型。
1 材料与方法
1.1 材料与工具
标本来源于2013 年5 月吉林省长白朝鲜族自治县衡山林场。在现地采集到云杉八齿小蠹活体成虫后，置于75% 乙醇内保存。用OLYMPUS SZX16 体视显微镜和JSM-6510 扫描电子显微镜观察、摄像。用Autodesk Maya2014、Pixologic Zbrush4 建模。
1.2 方法
云杉八齿小蠹的体积较小（体长＜ 0.5 mm），用肉眼很难观察形态特征。所以，在建立虫体数据模型时，采用前期显微照像和三维扫描并用的方法，先产生低面数网格模型，中期手动对模型修改，后期绘制贴图材质，并手动生成与动画用的模型网格拓扑。
前期观察标本时，抓住云杉八齿小蠹的整体形态特征，拍照并配合手绘草图。在观察中，手动调整体视显微镜焦距，用不同放大倍率观察标本同一部位，拍照， 得到数张不同倍率的图像。用电脑模糊计算方式将每张图像的模糊部分去掉，把每张图像中清晰的部分结合在一起，得到一张清晰的标本图像。应用这种方法可以得到所需的外部形态细节，为后期建立数字虚拟模型做好准备。
上述方法适合观察虫体上的“中等” 部位细节。对于虫体上更细小不易观察的部位，可再分解为小部分，之后在电镜下扫描观察。如分割后观察上颚、下唇、下颚、鞘翅、膜翅与背板连接部、前胸背板和1~8 腹板等。通过“IMAGE 数字成像系统” 把所得到的数据，按需要合成电子图像。
2 结果与分析
用于构建云杉八齿小蠹数字模型的显微照片共计50 张，前期绘制草图共20 张。从模型最终完成的情况来看，这些材料可以满足云杉八齿小蠹三维虚拟模型建模。
目前，构建数字模型的方法有管线生产和非线性制作两种。
笔者在构建云杉八齿小蠹模型生产管线时，注意到以上两种制作模式中的缺点，予以修正。采取的制作管线基于非线性模型制作基础上，略有改动。
2.1 云杉八齿小蠹高模构建
结合资料图片，用Autodesk 的123DCatch 构建模型。在Autodesk 123DCatch 中生成的模型为三角化镶嵌式模型。对其进行补洞、网格重构等自动计算就可以得到均匀的、可用于增加模型细节的多边形构建小蠹模型草图。在本研究中，笔者把草图模型分割成触角，复眼， 头，胸，腹，鞘翅和足。
在建模过程中笔者应用了Alpha 映射技术，应用从照片中采集到的刻点和瘤区部分，分别生成和用于模型上的Alpha 灰度图。计算机会自动把灰度图转换成高度图（High-map)。灰度图像中的黑白灰表示模型向上凸起的程度，实质上就是通过资料细节映射到模型上，节省了大量时间。
整体修改和在不同材质上的效果比对。在模型建立完成后需进行局部修改， 以确保模型的正确性。此时模型的多边形数量很多（约2400000 个面），要查看细节必须应用多种材质观察模型的高光形体。因为笔者在制作前期考虑了影响模型形体的因素，所以云杉八齿小蠹的模型到后期并没有太多的形态变化，达到了预想效果。
2.2 关于小蠹行走运动方式的可动画性分析
为今后模型可用在影视动画制作，笔者在制作模型时，对云杉八齿小蠹行走运动方式的可动画性进行了研究。小蠹的行走方式是6 足分成两组，每向前爬行一步， 身体就用两组中的一组支撑着。另外一组稍举起脱离地面向前迈进。这样，身体始终被一个三角形支撑着，但一组三角形支架中所有的足同时提起时，另一组三角形支架的三只足原地不动，支撑身体，同时重心落在另一组三角形支架上。
3 结论与讨论
从长远计，云杉八齿小蠹数据模型应具有可动画功能，可以简要地对标本进行动力学分析。勒• 柯布西耶和居维叶认为“动物的所有器官形成一个系统，系统内部各个器官紧密一致、相互作用；任何一个器官发生变化，其他所有器官都会发生类似的变化。”相同的结构源自相同环境下的使用目的。
为了更好的收集有关信息，把个体标本分离为各部分观察。尽管分离标本后部分材料观察较为细致，但却分割了与整体的关系。电镜扫描需要把标本用金粉全部覆盖，可观察到标本上的毛与毛窝之间的空间位置关系，但颜色和材质细节就会完全丢失。为避免这些缺陷，应在前期尽量收集个体各个角度的信息。后期制作模型时，依据其特征，逐一对比，满足三维模型制作上的正确性。
另一个难点是切割分离观察材料的准确性。笔者在切割时，只把标本分离到头、前胸背板、鞘翅、三对足、腹部。对口器部分的切割很难进行，所以从形态上，我们借鉴了韩国人的制作经验。
研究得知，多边形拓扑结构必须符合模型运动关节。在模型可运动关节处的多边形需要发生形变，必须手工构建大量的多边形用以增加运动细节。原理是，在模型上大多数可运动的部分由四边形构成， 通过对四边形每条边和四个顶点的变形拉扯产生形变，导致网格密度改变。在不需要运动的地方网格相对较少，用以节省计算机资源。
【参考文献】
[1] 王欣懂、崔军. 电脑在电影动画和特效中的应用历程回顾[J]. 电影评介,2010,14:69-71．
[2]Chia-Ming Cheng,Shu-Fan Wang, Chin-Hung Teng,Shang-Hang Lai. Image-based three-dimensional model reconstruction for Chinese treasure- Jadeite Cabbage with Insects[J]. Comput er&Graphics,2008,32.682-694．
[3] 徐正则. 从《魔比斯环》看全CG 动画电影及其制作流程[J]. 现代电影技术.2007，2 ：48-50.
[4] 陶思宇，张喜光.three dimensional 复原应用于古生物学的初探[J]. 古生物学报, 2010，49(3):413 -424
[5] W C o l e m a n . G e o r g e s C u v i e r [ M ] . Zoologist,Harvard,1964:68
[6]Myung-Jin Moon,Jong-Gu Park, S a n g - H y u n K o h , W o n - I l C h o i . Microstructure of the tarsal adhesive o r g a n s i n t h e b a r k b e e t l e I p s acuminatus,and their implication as external carriers of pathogens[J]. Journal of Asia-Pacific Entomology, 2013,16:181-187.
本文以云杉八齿小蠹Ips typographus Linnaeus 为例，经标本选取，观察虫体整体形态，绘制整体结构草图，电子显微镜观察局部、得到局部数字图像，分别建立虫体每一部分的高精度细节。把模型每部分拼装在一起组成整体模型，构建出了云杉八齿小蠹三维虚拟昆虫数字化模型。
【关键词】三维虚拟数字模型；高精度可动画昆虫模型
0 引言
虚拟昆虫数据模型的构建可以全面获取昆虫的三维数据，保存昆虫的形态特征和结构信息。获取的数据信息有利于人类研究昆虫成果的积累，促进昆虫学科的发展。建立昆虫的高仿真的动画模型，不但在昆虫分类学上具有重大意义，尚可在害虫防治、昆虫生态学、昆虫行为学等领域发挥重要作用。它还具有为影视、虚拟现实等领域服务的巨大商业价值。目前， 国际上以基于二维图像的三维模型构建技术、数字三维扫描技术、互动式人工建模三种建模方法为主要模型生成方式。
昆虫数字化模型在确保高还原度的同时，还需要让整个模型结构可用于动画、调整整体结构布局及最大优化计算机资源配给。这些是昆虫建模的难点。它要求建模人员应构建出昆虫身体的每一部分, 在于后期手工调整到适于动画的高仿真模型。
1 材料与方法
1.1 材料与工具
标本来源于2013 年5 月吉林省长白朝鲜族自治县衡山林场。在现地采集到云杉八齿小蠹活体成虫后，置于75% 乙醇内保存。用OLYMPUS SZX16 体视显微镜和JSM-6510 扫描电子显微镜观察、摄像。用Autodesk Maya2014、Pixologic Zbrush4 建模。
1.2 方法
云杉八齿小蠹的体积较小（体长＜ 0.5 mm），用肉眼很难观察形态特征。所以，在建立虫体数据模型时，采用前期显微照像和三维扫描并用的方法，先产生低面数网格模型，中期手动对模型修改，后期绘制贴图材质，并手动生成与动画用的模型网格拓扑。
前期观察标本时，抓住云杉八齿小蠹的整体形态特征，拍照并配合手绘草图。在观察中，手动调整体视显微镜焦距，用不同放大倍率观察标本同一部位，拍照， 得到数张不同倍率的图像。用电脑模糊计算方式将每张图像的模糊部分去掉，把每张图像中清晰的部分结合在一起，得到一张清晰的标本图像。应用这种方法可以得到所需的外部形态细节，为后期建立数字虚拟模型做好准备。
上述方法适合观察虫体上的“中等” 部位细节。对于虫体上更细小不易观察的部位，可再分解为小部分，之后在电镜下扫描观察。如分割后观察上颚、下唇、下颚、鞘翅、膜翅与背板连接部、前胸背板和1~8 腹板等。通过“IMAGE 数字成像系统” 把所得到的数据，按需要合成电子图像。
2 结果与分析
用于构建云杉八齿小蠹数字模型的显微照片共计50 张，前期绘制草图共20 张。从模型最终完成的情况来看，这些材料可以满足云杉八齿小蠹三维虚拟模型建模。
目前，构建数字模型的方法有管线生产和非线性制作两种。
笔者在构建云杉八齿小蠹模型生产管线时，注意到以上两种制作模式中的缺点，予以修正。采取的制作管线基于非线性模型制作基础上，略有改动。
2.1 云杉八齿小蠹高模构建
结合资料图片，用Autodesk 的123DCatch 构建模型。在Autodesk 123DCatch 中生成的模型为三角化镶嵌式模型。对其进行补洞、网格重构等自动计算就可以得到均匀的、可用于增加模型细节的多边形构建小蠹模型草图。在本研究中，笔者把草图模型分割成触角，复眼， 头，胸，腹，鞘翅和足。
在建模过程中笔者应用了Alpha 映射技术，应用从照片中采集到的刻点和瘤区部分，分别生成和用于模型上的Alpha 灰度图。计算机会自动把灰度图转换成高度图（High-map)。灰度图像中的黑白灰表示模型向上凸起的程度，实质上就是通过资料细节映射到模型上，节省了大量时间。
整体修改和在不同材质上的效果比对。在模型建立完成后需进行局部修改， 以确保模型的正确性。此时模型的多边形数量很多（约2400000 个面），要查看细节必须应用多种材质观察模型的高光形体。因为笔者在制作前期考虑了影响模型形体的因素，所以云杉八齿小蠹的模型到后期并没有太多的形态变化，达到了预想效果。
2.2 关于小蠹行走运动方式的可动画性分析
为今后模型可用在影视动画制作，笔者在制作模型时，对云杉八齿小蠹行走运动方式的可动画性进行了研究。小蠹的行走方式是6 足分成两组，每向前爬行一步， 身体就用两组中的一组支撑着。另外一组稍举起脱离地面向前迈进。这样，身体始终被一个三角形支撑着，但一组三角形支架中所有的足同时提起时，另一组三角形支架的三只足原地不动，支撑身体，同时重心落在另一组三角形支架上。
3 结论与讨论
从长远计，云杉八齿小蠹数据模型应具有可动画功能，可以简要地对标本进行动力学分析。勒• 柯布西耶和居维叶认为“动物的所有器官形成一个系统，系统内部各个器官紧密一致、相互作用；任何一个器官发生变化，其他所有器官都会发生类似的变化。”相同的结构源自相同环境下的使用目的。
为了更好的收集有关信息，把个体标本分离为各部分观察。尽管分离标本后部分材料观察较为细致，但却分割了与整体的关系。电镜扫描需要把标本用金粉全部覆盖，可观察到标本上的毛与毛窝之间的空间位置关系，但颜色和材质细节就会完全丢失。为避免这些缺陷，应在前期尽量收集个体各个角度的信息。后期制作模型时，依据其特征，逐一对比，满足三维模型制作上的正确性。
另一个难点是切割分离观察材料的准确性。笔者在切割时，只把标本分离到头、前胸背板、鞘翅、三对足、腹部。对口器部分的切割很难进行，所以从形态上，我们借鉴了韩国人的制作经验。
研究得知，多边形拓扑结构必须符合模型运动关节。在模型可运动关节处的多边形需要发生形变，必须手工构建大量的多边形用以增加运动细节。原理是，在模型上大多数可运动的部分由四边形构成， 通过对四边形每条边和四个顶点的变形拉扯产生形变，导致网格密度改变。在不需要运动的地方网格相对较少，用以节省计算机资源。
【参考文献】
[1] 王欣懂、崔军. 电脑在电影动画和特效中的应用历程回顾[J]. 电影评介,2010,14:69-71．
[2]Chia-Ming Cheng,Shu-Fan Wang, Chin-Hung Teng,Shang-Hang Lai. Image-based three-dimensional model reconstruction for Chinese treasure- Jadeite Cabbage with Insects[J]. Comput er&Graphics,2008,32.682-694．
[3] 徐正则. 从《魔比斯环》看全CG 动画电影及其制作流程[J]. 现代电影技术.2007，2 ：48-50.
[4] 陶思宇，张喜光.three dimensional 复原应用于古生物学的初探[J]. 古生物学报, 2010，49(3):413 -424
[5] W C o l e m a n . G e o r g e s C u v i e r [ M ] . Zoologist,Harvard,1964:68
[6]Myung-Jin Moon,Jong-Gu Park, S a n g - H y u n K o h , W o n - I l C h o i . Microstructure of the tarsal adhesive o r g a n s i n t h e b a r k b e e t l e I p s acuminatus,and their implication as external carriers of pathogens[J]. Journal of Asia-Pacific Entomology, 2013,16:181-187.
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