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关岭三叠纪海百合化石三维复原方法研究 　　摘要：三叠纪时期海百合化石的三维复原建模是地质学研究还没有涉及的一个新课题。本文运用虚拟现实技术， 把表面特征建模和实体结构建模相结合， 从技术特点与实践应用两方面着手， 介绍了海百合化石三维建模的思想和方法。关岭三叠纪是从来没有采用三维技术呈现过的环境，为得到逼真的效果，我们将根据大量同类不同化石的尺寸，比例，形态，创新性地设计该生态环境的光线跟踪算法和多边形建模相结合的建模方法。对三维地质体模型的光线跟踪算法的思路与实现过程进行了详细的描述。并以遗迹化石的三维建模为实例， 利用VRML （虚拟现实建模语言） 提供的造型shape节点把理论和实践相结合，建立了它们的三维模型。为三叠纪时期生物的三维建模研究提供了一种新的技术手段。 　　关键词：三维建模 VRML 遗迹化石 三叠纪 海百合 　　1、引言 　　关岭三叠纪生物群遗迹（heritage of Guanling Triassic Biota）是产于贵州省关岭县新铺一带的晚三叠地层中的生物群。由多个门类的脊椎动物和无脊椎动物组成，以海相爬行动物为特色，如鱼龙、幻龙、海龙和盾齿龙类等。与之共生的化石类别有：海百合、鱼、菊石、双壳类、植物等，化石种类丰富，保存完整精美。其中海百合是这一时期具有代表性的生物，海百合动物大约生活在二亿四千万年前。海百合系动物名， 又名五角百合， 亦名鸡足，属棘皮动物。体之中央有口，周围有五腕，腕各分歧而为枝，各枝更分小枝。体之下面具有节之五角形长柄， 树立于海底。其长有达二尺以上者，全体状如百合开花，故名。种类颇多， 亦间有无柄者。 　　古生物建模主要从遗迹相、遗迹化石、沉积环境等几个方面进行三维可视化模拟，且需抓住每个建模对象的特征属性并表现于模型中。建模方法主要有网格建模、多边形建模和NURBS建模等建模方式， 不同的建模方式具有各自的优缺点，所以可根据场景和模型的需要选择合适的建模方式以达到最好的效果。 　　本文在地质研究的基础上，运用三维建模的方法，对关岭三叠纪时期的海百合进行了三维复原，并为该时期古生物群化石提出了一套三维复原的参考模型。 　　2、海百合化石三维复原的思路 　　考虑遗迹相模式以及多数遗迹化石形态主轴为较光滑的曲线，可试验较多地选择使用样条线作为路径和相应图形进行放样的方法来进行建模，然后通过轮廓拟合、指定位置缩放、变形等参数设置，再转换为可编辑多边形，便于使用移动、选择、缩放等功能对点、边、边界、多边形等不同操作级别进行细部调节，直至得到较满意的模型。另外，还可考虑使用可编辑多边形的挤出与轮廓参数的反复操作以及镜像功能等来建立模型，如海百合模型的建立，还利用间隔工具来建立按一定路径一定距离或数量排列的对象，如海百合模型中小叶片状构造的创建等。 　　关岭三叠纪是从来没有采用三维技术呈现过的环境，为得到逼真的效果，我们将根据大量同类不同化石的尺寸，比例，形态，创新性地设计该生态环境的光线跟踪算法。所有的反射折射都应该使用光线跟踪算法计算，尽量模拟出真实的材质纹理，避免使用贴图。 　　2.1 光线跟踪的基本原理 　　使用光线跟踪算法进行模拟的原理：从观看视角向化石场景投射光线，重点观测投射到场景后的光线特征。当光线碰到一个物体表面的时候，可能产生三种新的类型的光线：反射、折射与阴影。投射后产生的不同类型光线代表了被投射物体具有的不同特性的材质。光滑的物体表面，例如海百合的茎，将光线按照镜像反射的方向反射出去，然后这个光线与场景中的物体相交，最近的相交物体就是反射中看到的物体。 　　考虑到海百合化石中的茎和冠往往叠加在一起，近似是一幅平面图像。为了避免跟踪场景中的所有光线，我们使用阴影光线来测试光线是否可以照射到物体表面。光线照射到物体表面上的某些点上，如果这些点面向光线，那么就跟踪这段交点与光源之间的光线。如果在表面与光源之间是不透明的物体，那么这个表面就位于阴影之中，光线无法照射。关岭化石群的化石层表现为平面叠层，这种多层次的光线计算使得光线跟踪后复原的图像更具有投影立体感。光线跟踪的优点来源于它比其它渲染方法如扫描线渲染或者光线投射更加能够现实地模拟光线，象反射和阴影这样的效果，对于其它的算法来说很难实现，却是光线跟踪算法的一种自然结果。 　　2.2 NURBS曲面建模和光线跟踪算法相结合的建模方式 　　关岭海百合的茎和腕部分比较圆滑（见右图）。根据这一特点，我们选用了NURBS曲面建模方法，以确保最终建成圆滑曲面模型。根据化石遗迹像，海百合的茎和冠交织在一起，我们通过在视窗中交互地调整构成曲面的点来完成整片花的复杂曲面造型的构建。理论上对象面数越多，得到的曲面越平滑。但在建模过程中，我们尽量减少采用增加面数、段数的方法使构建对象的表面平滑。因为在渲染时可以看到面的边界，面数越