云杉八齒小蠹Ips typographus L. 虛擬模型構建方法研究

【文章摘要】
本文以云杉八齒小蠹Ips typographus Linnaeus 為例，經標本選取，觀察蟲體整體形態，繪制整體結構草圖，電子顯微鏡觀察局部、得到局部數字圖像，分別建立蟲體每一部分的高精度細節。把模型每部分拼裝在一起組成整體模型，構建出了云杉八齒小蠹三維虛擬昆蟲數字化模型。
【關鍵詞】三維虛擬數字模型；高精度可動畫昆蟲模型
 
0 引言
虛擬昆蟲數據模型的構建可以全面獲取昆蟲的三維數據，保存昆蟲的形態特征和結構信息。獲取的數據信息有利于人類研究昆蟲成果的積累，促進昆蟲學科的發展。建立昆蟲的高仿真的動畫模型，不但在昆蟲分類學上具有重大意義，尚可在害蟲防治、昆蟲生態學、昆蟲行為學等領域發揮重要作用。它還具有為影視、虛擬現實等領域服務的巨大商業價值。目前， 國際上以基于二維圖像的三維模型構建技術、數字三維掃描技術、互動式人工建模三種建模方法為主要模型生成方式。
昆蟲數字化模型在確保高還原度的同時，還需要讓整個模型結構可用于動畫、調整整體結構布局及最大優化計算機資源配給。這些是昆蟲建模的難點。它要求建模人員應構建出昆蟲身體的每一部分, 在于后期手工調整到適于動畫的高仿真模型。
1 材料與方法
1.1 材料與工具
標本來源于2013 年5 月吉林省長白朝鮮族自治縣衡山林場。在現地采集到云杉八齒小蠹活體成蟲后，置于75% 乙醇內保存。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＜ 0.5 mm），用肉眼很難觀察形態特征。所以，在建立蟲體數據模型時，采用前期顯微照像和三維掃描并用的方法，先產生低面數網格模型，中期手動對模型修改，后期繪制貼圖材質，并手動生成與動畫用的模型網格拓撲。
前期觀察標本時，抓住云杉八齒小蠹的整體形態特征，拍照并配合手繪草圖。在觀察中，手動調整體視顯微鏡焦距，用不同放大倍率觀察標本同一部位，拍照， 得到數張不同倍率的圖像。用電腦模糊計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合在一起，得到一張清晰的標本圖像。應用這種方法可以得到所需的外部形態細節，為后期建立數字虛擬模型做好準備。
上述方法適合觀察蟲體上的“中等” 部位細節。對于蟲體上更細小不易觀察的部位，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“IMAGE 數字成像系統” 把所得到的數據，按需要合成電子圖像。
2 結果與分析
用于構建云杉八齒小蠹數字模型的顯微照片共計50 張，前期繪制草圖共20 張。從模型最終完成的情況來看，這些材料可以滿足云杉八齒小蠹三維虛擬模型建模。
目前，構建數字模型的方法有管線生產和非線性制作兩種。
筆者在構建云杉八齒小蠹模型生產管線時，注意到以上兩種制作模式中的缺點，予以修正。采取的制作管線基于非線性模型制作基礎上，略有改動。
2.1 云杉八齒小蠹高模構建
結合資料圖片，用Autodesk 的123DCatch 構建模型。在Autodesk 123DCatch 中生成的模型為三角化鑲嵌式模型。對其進行補洞、網格重構等自動計算就可以得到均勻的、可用于增加模型細節的多邊形構建小蠹模型草圖。在本研究中，筆者把草圖模型分割成觸角，復眼， 頭，胸，腹，鞘翅和足。
在建模過程中筆者應用了Alpha 映射技術，應用從照片中采集到的刻點和瘤區部分，分別生成和用于模型上的Alpha 灰度圖。計算機會自動把灰度圖轉換成高度圖（High-map)。灰度圖像中的黑白灰表示模型向上凸起的程度，實質上就是通過資料細節映射到模型上，節省了大量時間。
整體修改和在不同材質上的效果比對。在模型建立完成后需進行局部修改， 以確保模型的正確性。此時模型的多邊形數量很多（約2400000 個面），要查看細節必須應用多種材質觀察模型的高光形體。因為筆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有太多的形態變化，達到了預想效果。
2.2 關于小蠹行走運動方式的可動畫性分析
為今后模型可用在影視動畫制作，筆者在制作模型時，對云杉八齒小蠹行走運動方式的可動畫性進行了研究。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。這樣，身體始終被一個三角形支撐著，但一組三角形支架中所有的足同時提起時，另一組三角形支架的三只足原地不動，支撐身體，同時重心落在另一組三角形支架上。
3 結論與討論
從長遠計，云杉八齒小蠹數據模型應具有可動畫功能，可以簡要地對標本進行動力學分析。勒• 柯布西耶和居維葉認為“動物的所有器官形成一個系統，系統內部各個器官緊密一致、相互作用；任何一個器官發生變化，其他所有器官都會發生類似的變化。”相同的結構源自相同環境下的使用目的。
為了更好的收集有關信息，把個體標本分離為各部分觀察。盡管分離標本后部分材料觀察較為細致，但卻分割了與整體的關系。電鏡掃描需要把標本用金粉全部覆蓋，可觀察到標本上的毛與毛窩之間的空間位置關系，但顏色和材質細節就會完全丟失。為避免這些缺陷，應在前期盡量收集個體各個角度的信息。后期制作模型時，依據其特征，逐一對比，滿足三維模型制作上的正確性。
另一個難點是切割分離觀察材料的準確性。筆者在切割時，只把標本分離到頭、前胸背板、鞘翅、三對足、腹部。對口器部分的切割很難進行，所以從形態上，我們借鑒了韓國人的制作經驗。
研究得知，多邊形拓撲結構必須符合模型運動關節。在模型可運動關節處的多邊形需要發生形變，必須手工構建大量的多邊形用以增加運動細節。原理是，在模型上大多數可運動的部分由四邊形構成， 通過對四邊形每條邊和四個頂點的變形拉扯產生形變，導致網格密度改變。在不需要運動的地方網格相對較少，用以節省計算機資源。
【參考文獻】
[1] 王欣懂、崔軍. 電腦在電影動畫和特效中的應用歷程回顧[J]. 電影評介,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] 徐正則. 從《魔比斯環》看全CG 動畫電影及其制作流程[J]. 現代電影技術.2007，2 ：48-50.
[4] 陶思宇，張喜光.three dimensional 復原應用于古生物學的初探[J]. 古生物學報, 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.