云帆VR元宇宙创新中心：三维场景应用三维技术方法解析

传统行业对于三维场景的应用存在相当大的局限性，需要培训人员长期学习如3Dmax等专业三维软件，且操作复杂，需要花费大量时间进行设计建模渲染计算等工作。作为虚拟现实行业第一批创业者，云帆VR元宇宙创新中心的专家们通过对计算三维算法的研究，能够使三维信息的应用更加具有一般性。

在当前5G通信及网络技术的发展背景下，三维信息的应用将越来越广泛，如空间立体地图、医疗设备成像等。当前三维物体的计算三维方法受限于计算机的运算速度和存储容量，主要用于记录形状简单的小体积三维物体，且在实际光路中容易受到自然光等外界干扰因素影响，使得再现效果不够理想。然而三维技术具有真三维成像的效果是其他三维立体成像技术和伪三维技术等无法比拟的，它不仅能为人眼提供最真实的空间三维视觉效果，还摆脱了现有的3D眼镜、立体显示头盔等特殊的观看设备的依赖，不会引起视觉不适。

相信随着科学技术和硬件设备的进步发展，能够利用三维方法对形状复杂的大体积三维场景信息进行快速记录，在将来以三维为三维信息载体的信息传输将涉及到许多重要领域，基于三维的加密必定会成为信息安全领域的一大研究方向。

三维的主要原理是基于光波的衍射和干涉理论，通过引入参考光波与物光波进行干涉，从而以二维图像的形式来对物光波的全部信息进行记录，包括振幅与相位信息。随着高相干性激光光源的出现，以及计算机技术和相关硬件设备的迅速发展，光学三维、数字三维和计算三维等方法相继诞生，三维技术逐渐朝数字化方向发展。

计算三维是将光波的振幅和相位信息以数字化的形式用计算机记录，而后进行编码得到计算三维图。该方法摆脱了光学三维对光路及实验设备的高度依赖，能够在计算机上进行数字记录，并且进一步地能够与数字图像处理等算法相结合，降低实验结果中由于干扰项、背景噪声等因素造成的影响，记录过程不受实验环境限制，具有操作灵活、存储传输方便、可重复性高等诸多优势。

编码时将三维图上各个采样点得到的复振幅转化为二维非负的三维图透过率，并通过物理介质进行记录或生成灰度计算三维图。常用的编码方法有迂回位相编码、相息图编码、修正离轴参考光编码等。

迂回位相编码将物光波的复振幅分布以振幅和相位方式分别编码。通过将待编码的三维图视为一系列由透光孔和不透光两部分组成的抽样单元，如图1所示。通过改变透光孔径的面积来对复振幅的振幅进行编码，改变透光孔径中心到采样单元中心的位置来编码复振幅的相位，从而将物光波的振幅和相位信息编码成非负实数函数。

图1迂回相位编码原理示意图

第二类是基于相位恢复算法的相息图编码，该方法将三维面的物光波复振幅分布视为由一个纯相位分布的二维空间衍射形成，利用迭代运算将物光波的复振幅分布转换为纯相位的物光波，从而单独编码物光波的位相信息来记录物体信息。

第三类是修正离轴参考光编码的干涉型编码方法，该方法借鉴光学三维和数字三维的干涉条纹记录方法，引入参考光或者偏置分量，将物光波的复振幅分布以干涉条纹的强度分布的方式记录下来。常用的修正离轴参考光编码方法有博奇型编码、黄氏型编码、李威汉型编码等。

三维场景不仅包含了物体的信息，还包含了物体在深度方向及相对位置等空间信息，因此对三维场景生成计算三维图时需要处理大量的数据，目前对于三维场景的计算三维图生成方法有点源法、层析法、多视角投影法等。

1、  点源法：点源法将三维物体视为多个离散点组成。在三维图生成过程中，逐点计算三维物体各离散点到达三维面上的复振幅分布，然后根据光波的叠加原理将各离散点在记录面的复振幅分布进行叠加，得到包含所有三维物体点的复振幅分布，之后选用适当编码方法生成三维图。

2、  层析法：层析法是将三维物体信息沿深度方向切割为一系列平行的二维图像信息，然后以每层图像信息为单位，引入快速傅里叶变换等数字处理等方法，计算各平面图像光波到三维面的复振幅分布，然后复振幅叠加并编码生成三维图，如图 2所示：

3、平面波角谱法：基于衍射的角谱理论，可以认为任意平面光波场是由无数组沿不同方向传播、且不同振幅大小的平面波叠加而成，叠加时，角谱的模和幅角为每个平面波不同的振幅和相位的值。

上述的三维场景三维图生成方法中，每种方法都有各自的优缺点，需要根据实际情况选择。点源法算法简单灵活，应用最为广泛，但通常三维场景数据量都较大，需要大量时间进行计算。层析法将三维信息切割为二维图像信息，能够在计算时引入快速傅里叶变换等方法，提高运算速度，但层析法难以记录较为复杂的三维场景信息，只适用于形状简单的三维物体。

平面波角谱分析法理论上可以对由任意平面组合而成的物体进行三维图的计算，而且通过一些有效的优化算法，可以提高计算速度。但来自阻挡面或部分重叠面的光将相互干涉，一些区域就会更亮或更暗，对三维图的再现效果产生一定的影响。除此之外，三维物体的计算三维还有基于双目立体视觉的多视角投影法、三角面片法等方法。

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云帆VR元宇宙创新中心，计划在以下范畴拓展对数字世界的应用研究：

1：三维计算应用：AR、VR、数字孪生、3D可视化、三维全息、智慧园区、虚拟仿真、BIM可视化、智慧楼宇、智慧交通、智慧水务、智慧城市、AR商城、VR商城、3D商城、线上云展、VR看房。

2：三维云应用：5G云计算、轻量化云计算、多媒体云传输、GPU云渲染集群。

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