導語：如何才能寫好一篇數(shù)學建模和3d建模的區(qū)別，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞： HTML5； WebGL； three.js； 三維模型； 數(shù)據(jù)驅(qū)動

中圖分類號： TN710?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）24?0083?04

Web?oriented 3D model generation and processing technology

ZHENG Hua1， SU Jingfang2

（1. Shijiazhuang Institute of Railway Technology， Shijiazhuang 050061， China； 2. Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang 050018， China）

Abstract： The introduction of WebGL standards accelerated the arrival of the Web3D era. The generation and processing of 3D model is the core in Web3D project. On the basis of the three.js engine， the data drive modeling， importing and processing of static 3D model， and importing and analysis of dynamic 3D model in the Web environment are introduced. The experimental results show that the Web3D technology based on WebGL platform and three.js engine can not only effectively achieve the data visualization and the database?oriented parametric modeling， but also has compatibleness with most of the industrial 3D models and support the whole Web3D project.

Keywords： HTML5； WebGL； three.js； 3D model； data drive

0 引 言

Web自20世紀90年代初誕生以來，經(jīng)過20多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為Internet上最重要、最普及的應用，從HTML 1.0到2.0，3.0，4.0，XHTML以及現(xiàn)在的HTML 5.0，但至今為止，主流的Web頁面仍然是二維的，隨著3D技術的日益普及，下一代Web技術正朝著3D方向發(fā)展。2013年5月，HTML 5.1正式草案公布，新增了Canvas標記，通過WebGL，允許瀏覽器直接在上面繪制矢量圖形，目前HTML 5和Canvas 2D規(guī)范的制定已經(jīng)完成。three.js是由JavaScript編寫的WebGL第三方庫，是一款運行在瀏覽器中的3D引擎，可以用它在Web中創(chuàng)建各種三維場景，比如3D對象、攝影機、光、影、紋理、材質(zhì)、動畫等。與傳統(tǒng)的Web3D技術（如Flash3D、Unity3D、Silverlight等）相比，three.js的優(yōu)勢在于它不需要在瀏覽器中安裝插件，用戶可以通過JavaScript直接控制Web頁面上的3D場景，不足之處在于它需要瀏覽器支持WebGL，到目前為止，火狐、谷歌等瀏覽器都支持WebGL，但微軟的IE瀏覽器要11.0以后的版本才支持。

現(xiàn)在，主流的Web仍然是二維的，文本、圖片、聲音、視頻仍然是Web的主要內(nèi)容。通過與傳統(tǒng)的Web技術相結(jié)合，three.js可以將二維數(shù)據(jù)以三維方式呈現(xiàn)出來，3D場景漫游將成為Web的主要內(nèi)容，這對Web的影響是革命性的，本文重點探討基于three.js引擎的各類三維模型的生成與處理技術。

1 數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維建模

3D建模是構(gòu)建三維場景的一個基本問題，一般的方法是先建模，然后渲染，最后輸出成某種特定格式的模型或動畫。當模型有變化時，必須重復執(zhí)行上述步驟，也就是說，渲染結(jié)果一旦輸出，就不可修改，無法實現(xiàn)實時變化。

Web的后臺主要是數(shù)據(jù)，3D只是一種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，通過后臺的數(shù)據(jù)驅(qū)動前臺的3D場景和動畫，即是數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維建模，其意義在于通過修改后臺的數(shù)據(jù)，即可觸發(fā)前臺3D場景的變化。

1.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動建模的基本原理

與一般的建模不同，Web上的建模涉及帶寬問題，模型數(shù)據(jù)需要先從Web服務器傳輸?shù)娇蛻魴C上，然后才能進行渲染，因此，模型本身不能太大，否則容易引起網(wǎng)頁不響應；另外，由于Web是實時交互的，因此，模型數(shù)據(jù)要在后臺以異步方式完成傳輸，如AJAX；由于three.js是基于JavaScript的，模型數(shù)據(jù)的格式最好能與之匹配，如JSON。

綜上所述，Web3D建模過程的一種合理方式是：先通過Web服務器端的技術（如Asp，Java等）將后臺數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化成JSON格式，再以AJAX的方式將數(shù)據(jù)送往客戶端，然后利用JavaScript調(diào)用three.js中相應的API，將數(shù)據(jù)以三維的方式顯示出來，其原理如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維建模原理圖

1.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動建模案例

下面的例子展示了一個基于Access數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)（見圖2）驅(qū)動的三維動畫，描繪了太陽及其鄰近的六大行星的運轉(zhuǎn)情況，通過修改后臺數(shù)據(jù)，可觸發(fā)前臺頁面3D場景的實時變化，如圖3所示。

圖2 簡單三維模型數(shù)據(jù)

如圖2所示數(shù)據(jù)定義了模型（各星球）的形狀（球形）、大?。ò霃剑⒆鴺耍ň嚯x太陽的距離）、外觀（貼圖文件）、運動方式（自傳和公轉(zhuǎn)的速度及方向）等基本屬性，是一種很普通的關系數(shù)據(jù)。

在向瀏覽器端傳輸這些數(shù)據(jù)時，為減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作，一般采用JSON格式（和JavaScript天然適應）。另外，由于瀏覽器在渲染三維動畫時比較消耗資源，一般采用AJAX異步通信方式（幾乎所有的瀏覽器都支持）。

接下來調(diào)用three.js中的SphereGeometry（球體）函數(shù)顯示這些星球即可。最后，為提高Web的交互性，可以加上3D聲音和場景控制（如第一人稱視角）。

圖3 數(shù)據(jù)驅(qū)動的Web3D動畫效果圖

幾個關鍵步驟的代碼如下：

（1） 將模型數(shù)據(jù)格式化成JSON格式

//???Getmodels.asp

sql="SELECT * FROM 星球 order by id"

set conn = Server.CreateObject（"ADODB.Connection"）

conn_str="DBQ="+server.mappath（"star.mdb"）+"；driver={Microsoft Access Driver （*.mdb）}；"

Conn.Open conn_str

set rs=Server.CreateObject（"ADODB.recordset"）

rs.Open sql，conn

str=" {star：["

do until rs.EOF

str=str & "{"

for each x in rs.Fields

str=str & "′" & x.name & "′：′" & x.value & "′，"

next

str= left（str，len（str）?1） +"}，"

rs.MoveNext

loop

str= left（str，len（str）?1） +"]}"

response.write（str）

%>

（2） 通過AJAX獲取模型數(shù)據(jù)

var obj；

function getstarpara（）{

var xmlhttp；

if （window.XMLHttpRequest） {xmlhttp=new XMLHttpRequest（）；}// code for IE7+， Firefox， Chrome， Opera， Safari

else {xmlhttp=new ActiveXObject（"Microsoft.XMLHTTP"）}； // code for IE6

xmlhttp.onreadystatechange=function（） {

if （xmlhttp.readyState==4 && xmlhttp.status==200）{

var txt=xmlhttp.responseText；

obj = eval （"（" + txt + "）"）；

}

}

xmlhttp.open（"GET"，"getmodels.asp？k="+Math.random（），true）；

xmlhttp.send（）；

}

（3） 通過three.js引擎生成3D模型

var sun；

var texture = new THREE.MeshPhongMaterial（{map： THREE.ImageUtils.loadTexture（′images/′+obj.star[0].tietuwenjian），emissive：0xffffff}）；

sun = new THREE.Mesh（new THREE.SphereGeometry（Number（obj.star[0].banjing），20，20）） ，texture）；

scene.add（sun）；

sun.position.set（Number（obj.star[0].juli），0，0）；

該方法的局限性在于他只能表示一些基本的、規(guī)則的三維模型，如立方體、球體、錐體等，模型本身所需要的數(shù)據(jù)很少，而且可以方便地通過關系數(shù)據(jù)庫存儲，因此，在實踐中有一定的局限性。

現(xiàn)實中各類工業(yè)模型一般會復雜得多，而且很難直接通過數(shù)學函數(shù)來表達，而且他們一般都使用某種專門的工具建立，具有某種特殊的格式，如Autodesk 3DS Max下的.3ds，Wavefront下的.obj等。

2 復雜靜態(tài)三維模型的導入及處理

一個典型的靜態(tài)三維模型中包含了幾何體頂點、貼圖坐標點、頂點法線、線、面、曲線、曲面等信息，將這些數(shù)據(jù)以關系數(shù)據(jù)庫的方式存儲是不太現(xiàn)實的，因為數(shù)據(jù)量太大且難以控制。更好的處理方式是直接在建模工具中將模型建立好，然后輸出成特定格式的模型文件，直接在Web3d中加以利用。這就涉及到三維模型的導入及處理問題。

由于沒有一個統(tǒng)一標準，過去用于工業(yè)建模設計上的交換格式，例如Autodesk 3DS Max下的.3ds和Wavefront軟件下的.obj，現(xiàn)在成為了最具代表性的兩種主流靜態(tài)模型格式。其中.obj格式由于沒有專利限制，使用文本存儲，而被大家廣泛采納。

Three.js中的OBJLoader（）和OBJMTLLoader（）類專門用于導入和處理obj格式的模型，下面的代碼導入了一個挖掘機的靜態(tài)模型，如圖4所示。首先在建模工具中建立好模型，然后輸出成.obj格式，假設模型文件命名為“wjj.obj”，導入模型的關鍵代碼如下：

var obj=′model_obj/wjj.obj′； //模型文件

var mtl=′model_obj/wjj.mtl′； //貼圖文件

var loader = new THREE.OBJMTLLoader（）；

loader.load（obj，mtl，function（object）{

object.position.set（0，0，0）；

scene.add（ object ）；

} ）；

圖4 靜態(tài)模型的導入

靜態(tài)模型本身是靜止的，程序能做的事情只能是改變他的坐標位置、旋轉(zhuǎn)角度和顯示比例，通過改變這些參數(shù)，也可以實現(xiàn)三維動畫效果（參考第一個例子）。

3 復雜動態(tài)三維模型的導入及處理

一個典型的動態(tài)三維模型中包含了頂點、紋理、骨骼、蒙皮、動畫等信息，與靜態(tài)模型相比，動態(tài)模型需要存儲的信息更多，控制也更復雜，因此也更加適合用導入的方式來處理和使用。

隨著硬件和技術的發(fā)展，三維建模逐漸從靜態(tài)模型向“幀動畫”和“骨骼動畫”發(fā)展，ID Tech下的.md，Autodesk下的.fbx，以及非盈利性組織Khronos負責維護的.dae格式成為了主流的動態(tài)模型格式。各種模型格式之間可以通過插件互相轉(zhuǎn)換，因此對于Web開發(fā)者來說，并不需要完全弄清每種模型的詳細格式，選擇當前最為流行的一種格式即可。

Dae格式由于其開放性而成為目前應用最普遍的一種動態(tài)三維模型格式，他使用XML格式存儲，結(jié)構(gòu)靈活，運用自由度很高，圖5展示了一個典型的dae文件結(jié)構(gòu)。

圖5 一個典型的dae文件

對于動態(tài)模型來說，將其導入到三維場景的方法和靜態(tài)模型是基本相同的，但動畫部分需要程序員通過JavaScript來控制，這是難點所在。

Three.js中的ColladaLoader（）類專門用于導入和處理dae格式的模型，下面的代碼展示了一個頂點變形動畫模型在導入和處理過程中的關鍵代碼：

var md="model_dae/wjj.dae"；

var loader = new THREE.ColladaLoader（）；

loader.load（md， function （ collada ） {

dae = collada.scene；

skin = collada.skins[ 0 ]；

dae.position.set（0，0，0）；

animate（）；

} ）；

function animate（） {

var delta = clock.getDelta（）；

if （ t > 1 ） t = 0；

if （ skin ） {

for （ var i = 0； i < skin.morphTargetInfluences.length； i++ ） {

skin.morphTargetInfluences[i]=0；

}

skin.morphTargetInfluences[Math.floor（t*30）]=1；

t += delta；

}

requestAnimationFrame（ animate ）；

}

在Web3D中，動態(tài)模型一般是循環(huán)播放的，three.js通過requestAnimationFrame函數(shù)實現(xiàn)動畫效果，它很類似于setTimeOut函數(shù)，但又略有區(qū)別，一是當標簽頁失去焦點時，它就不再運行了，二是該函數(shù)目前還是依賴于瀏覽器的，以后可能還有變化。

4 其他三維模型的導入及處理

其他常見的3D模型格式還有：vtk，wrl，utf8，stl，ply，JSON等，這些模型中的大多數(shù)three.js都提供了相應的接口，如：CTMLoader，PLYLoade，BinaryLoader，VTKLoader，STLLoader，UTF8Loader，VRMLLoader等，在處理方法上與obj或dae格式大同小異。

5 結(jié) 語

至此，完成了數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維模型、復雜的靜態(tài)三維模型和復雜的動態(tài)三維模型的處理工作，大多數(shù)情況下，這三種模型能夠支持一個完整的3D場景了。與普通的視頻不同，在Web3D中，由于所有的動畫都是實時渲染的，對CPU和GPU資源的消耗很嚴重，對于大型的3D場景，要有一定的優(yōu)化措施。

（1） 渲染效率問題

筆者曾做過實驗，在3D場景中加入一個半徑為2 000的球體，如果加上燈光和陰影，在一臺普通PC機上需要近2 min的時間才能渲染出來（FireFox瀏覽器），如果再加上動畫，網(wǎng)頁基本處于“未響應”狀態(tài)。造成這種情況的根源在于three.js是以三角形為基礎來構(gòu)建3D模型的，在一個半徑為2 000的球體平面上會有大量的三角形，他們都需要獨立渲染。因此，在進行Web3D開發(fā)時，應盡量減少使用弧面模型，如果必須使用，則應盡量縮小其尺寸。

（2） 碰撞檢測問題

Three.js沒有提供碰撞檢測機制，即在改變模型的坐標時，會出現(xiàn)一個模型進入另一個模型內(nèi)部的問題，這部分工作需要開發(fā)者自己編程解決，一種簡單的算法是AABB算法，即沿坐標軸方向的包圍盒算法。

參考文獻

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篇2

一、前言

目前，我國各大專院校至中專學校在工程類專業(yè)均開設了CAD、CAM類型的軟件學習課程，我校在數(shù)控、模具、汽修幾個專業(yè)開設了AutoCAD與ProE軟件學習課程。在AutoCAD與ProE軟件的教學實踐中，特別是在學習的初級階段，我們老師經(jīng)常見到少數(shù)學生在同一臺計算機上同時打開AutoCAD與ProE軟件，欲比較同一幅圖在兩種軟件中畫法上的差異性、規(guī)范性和繪圖效率，同時，學生們也會向老師提出一些相關問題，如：兩種軟件繪制的平面圖有什么差別？哪款軟件繪圖方便？它們的應用場合？等等。面對有關問題，我們教師應當從理性和感性兩方面著手，才能予以全面和正確的解答。在理性方面，我們可以簡要說明矢量化軟件與參數(shù)化軟件的特點與區(qū)別，我們還應當花一點時間，有針對性的講解《畫法幾何》、《機械制圖》相關知識；在感性方面，在上計算機操作課的時候，我們偶爾用同一幅圖在兩種軟件中做示范性練習和講解。這樣一來，既可以減少學生們學習的困惑、課堂的躁動，又可以順利實施各軟件后續(xù)的相關教學活動。（說明：一般情況下，每堂計算機課只允許學生打開和學習一種軟件。AutoCAD軟件后續(xù)教學內(nèi)容是完整的工程圖繪制及實體圖繪制，均為DWG格式文件；ProE軟件后續(xù)教學內(nèi)容是零件、組件、制造等模塊，ProE3.0文件格式有10種，在此述略。）

二、AutoCAD平面圖特點

1、AutoCAD軟件簡介：AutoCAD是Autodesk公司發(fā)明的一款矢量繪圖軟件，采用笛卡爾直角坐標系為參照，支持直角坐標、球面坐標、柱面坐標、極坐標輸入法。對于一般平面圖形還是以相對坐標法、距離法為主要的數(shù)據(jù)輸入方式。其在三維造型功能上，曲線基本未超過圓的方程，簡單易學，尚不能廣泛應用于模具制造行業(yè)，況且，該軟件在數(shù)控仿真方面才剛剛起步。AutoCAD軟件目前主要應用于機械制造、建筑、礦山等行業(yè)的二維工程圖的繪制（俗稱三視圖及軸測圖），由于簡單易學，界面簡潔，文字、標注、打印等樣式靈活可調(diào)，因此，AutoCAD軟件在工程行業(yè)廣受歡迎。

2、AutoCAD繪圖過程：一般來說，工程圖須采用正投影、單線條構(gòu)圖，工程圖在投影關系、畫法、文本格式等居多方面各個國家都有嚴格的要求。AutoCAD正是由此應運而生的一款軟件。我總結(jié)該軟件繪圖過程是：啟動命令單擊起點（或稱前點）命令選項單擊透明命令輸入數(shù)據(jù)單擊終點結(jié)束，反復重復上述操作步驟。上述繪圖過程中，對于一些簡單的操作命令，命令選項、單擊透明命令兩步驟可省略，輸入數(shù)據(jù)步驟有時可用自動捕捉、鼠標點擊代替。顯然，上述基本繪圖過程簡單易記，容易讓操作者形成一定的習慣，也便于學習掌握，但是， AutoCAD軟件包含太多的命令、 步驟，幾乎每條線需要由一個命令來構(gòu)圖，在較多采用圓弧連接的圖例中，有時還需要繪制輔助線找出定位點，加之，后期的編輯修改類似于上述繪圖操作步驟也有較大的工作量，這就使得其繪圖過程較ProE軟件慢一些。

3、AutoCAD平面圖特點：其一，盡管AutoCAD支持位圖輸入、輸出（2004版本以后），其主要構(gòu)圖元素仍然是點、直線、圓類曲線，且為矢量線性，保真度很高，可滿足于工程界的測繪、打印的需要；其二，AutoCAD平面圖形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，各圖元之間的相對位置關系不易產(chǎn)生滑變，便于編輯修改和分析研究；其三，在不使用內(nèi)置模塊時，也能制作出符合各個國家標準的工程圖樣來；其四，在需要出圖的其他學科，可以作為輔助教學手段使用，如：《機械制圖》、《機械基礎》、《平面幾何》等多媒體教學和試題制作；其五，AutoCAD平面圖繪圖過程有時比ProE草繪圖繁復一些。

三、ProE草繪圖特點

1、ProE軟件簡介：ProE軟件由美國PTC公司開發(fā)，1988年推出。該軟件集CAD（設計）、CAM（制造）、CAE（仿真）三大功能于一體，可謂是一款全方位的工業(yè)設計軟件。我們可以用它進行零件設計、零件裝配、模具制造等工作，但是，不同的功能必須在不同的模塊下進行操作。ProE草繪圖既是一個單獨的模塊，也融匯于3D建模過程中經(jīng)常被使用。ProE草繪圖可作為SEC格式文件單獨保存。

2、ProE草繪圖繪制過程簡述：我總結(jié)ProE草繪圖繪圖過程是：啟動命令單擊起點單擊終點結(jié)束反復重復上述步驟修改參數(shù)約束、編輯、修剪。其中，修改參數(shù)、約束、編輯、修剪這幾個步驟比AutoCAD的繪圖、編輯過程快捷很多。

3、ProE草繪圖特點：其一，其主要構(gòu)圖元素為點、直線、二次曲線，且為矢量線性，保真度亦很高；其二，ProE草繪圖的線型、顏色單調(diào)，不能滿足于工程圖的各種格式要求；其三，由于是參數(shù)化構(gòu)圖，各圖元除了保持各自的方程特性和約束特性外，各圖元之間在鼠標碰觸時會產(chǎn)生滑變，即，定位尺寸和定形尺寸容易發(fā)生變化，因為定位尺寸和定形尺寸都屬于可調(diào)參數(shù)；其四，ProE草繪圖盡管可作為獨立的SEC格式文件保存，一般不能被工程上單獨使用，它通常被用作3D建模的過程圖；其五，總體上看，ProE草繪圖繪圖過程比AutoCAD平面圖繪圖過程快捷些。

四、比較法教學實例

1、分別在ProE草繪圖和AutoCAD平面圖中繪制下列五角星（圖1）。

[操作過程簡述] 在AutoCAD平面圖中，單擊line命令，單擊起點，用相對極坐標輸入法輸入數(shù)值（略），至結(jié)束。在ProE草繪圖中，單擊“兩點線”按鈕，連續(xù)畫出五條直線，結(jié)束，附加五條直線“相等”約束，修改參數(shù)（長度、角度）。

[比較結(jié)果] AutoCAD平面圖用相對極坐標法輸入數(shù)值過程需較長時間，不如ProE草繪圖繪制過程快捷、易掌握。

2、分別在ProE草繪圖和AutoCAD平面圖中繪制下列三視圖（圖2），無需標注尺寸。

[操作過程] 述略。

[比較結(jié)果] 由于不必標注尺寸，AutoCAD平面圖通過使用極軸追蹤、對象捕捉手法，繪圖速度比ProE草繪圖快捷。ProE草繪圖必須通過修改參數(shù)完成繪圖，速度慢一些，并且，系統(tǒng)自動生成許多弱尺寸，使得圖面不夠簡潔。

五、結(jié)論

1、AutoCAD軟件界面簡潔明了，具備中學數(shù)理水平的學習者可以較快掌握AutoCAD平面圖繪制方法。ProE草繪圖也是如此。但ProE其他模塊的學習則需要較高的知識準備，在此不贅述。

篇3

中圖分類號：TP391.41文獻標識碼：A文章編號：1003-2738（2011）12-0288-01

摘要：我們在這篇論文當中描述了一個可以自動生成卡通風格動畫角色著色技術，我們的方法需要我們制定shader，并使其根據(jù)模型形體自動辨別邊界并進行著色處理。我們解決了具體的問題包括 卡通模型技術，法線貼圖技術以及動態(tài)光影生成技術，結(jié)果直觀而簡單。

關鍵詞：日式動畫風格；非真實感渲染；賽璐珞著色法

一、概述

由于傳統(tǒng)的手工上色耗費大量的時間以及成本，數(shù)字化的無紙動畫上色也僅僅是將制作過程變成手工計算機上色，仍然需要耗費大量的人工時間以及成本。對于這種情況我們希望能夠出現(xiàn)一種技術可以減少這種勞動密集型的上色修型作業(yè)，提高效率，同時進一步改善并統(tǒng)一動畫圖形品質(zhì)，減少項目的運作風險。

文介紹了一種卡通動畫渲染技術，使得上色過程自動化，如圖1左邊我們對角色進行數(shù)字化建模的過程，運用我們的算法使得三維角色擁有和二維角色近乎一樣的視覺特征。

圖1：從我們使用數(shù)字動畫軟件對二維角色進行數(shù)字模型化，我們運用抽象的渲染風格技術進行渲染，會讓人聯(lián)想到是卡通手繪的角色

在該技術研究中我們采用較為成熟的日式卡通風格，來作為衡量我們技術實用性，通過我們制定shader以及數(shù)字模型來生成日式卡通二維效果，同時我們還可以訪問以及修改shader的參數(shù)，例如顏色，高光特性，對比關系，等參數(shù)控制最終的渲染結(jié)果。同時我們改進相關的流程使得流程高效易用，并能很好的適用于實際的商業(yè)動畫項目中。

二、相關工作

1.建立角色模型。

我們通過建立三維幾何體描述需要生成圖形的造型形象。對我們來說具體使用哪一種建模方法并不重要，因為渲染算法本身是通用的，運用不同的算法我們可以計算真實感圖形以及非真實感圖形的計算。我們知道我們一般所制作的數(shù)字模型都是依據(jù)真實的光照標準來制作的。這種數(shù)學模型稱為光照模型，這種模型可以用描述物體表面光強度的物理公式推導出來。給予計算機生成的圖形最基本的真實性。但是三維數(shù)字卡通形象都是以非真實效果存在的，這就需要我們按照卡通渲染算法對光照模型的進行適當修改，已滿足最終渲染效果的需要。所謂卡通渲染的基本元素，就是“輪廓線和較統(tǒng)一的著色”。依據(jù)卡通圖形的基本特征我們將從著色以和勾線這兩方面來解決問題。

2.著色處理

給三維角色著色處理，需要我們考慮兩個方面。一個是物體本身的顏色紋理，二是環(huán)境光照情況。而且對于日式卡通渲染圖形來說，重點是在顏色光與影的變化，對紋理的要求比較少見。因此，對于我們卡通角色著色的討論主要集在光照顏色和陰影顏色上。通常情況，當光線照在物體上的時候，物體的顏色會依據(jù)光照強度的衰減出現(xiàn)平滑的明暗變化，這會讓物體看起來更為真實，而我們卡通渲染則需要離散這種光照，使得光與影能夠明顯的區(qū)分出來，且參數(shù)可以隨意控制光和影的色值，簡單的做法就是給光照強度限制范圍 也就是我們常說的非線性光照（如圖3 B），非線性光照是卡通渲染的重要特征。

圖3

A真實光照中平滑的光影過度層次

B卡通渲染當中離散光照過度層次

非線性光照使圖像區(qū)別于真實感圖像所存在平滑過渡效果，這會讓我們很容易想到的一種解決方法是直接采用紋理貼圖，但是這種靜紋理貼圖局限性比較多，如不能夠根據(jù)光照變化而產(chǎn)生變化，在很多地方會限制效果的發(fā)揮，大部分時候需要光影動態(tài)計算方式，使得整體畫面視覺效果統(tǒng)一。

3.勾線

運用3D技術來為三維角色生成理想的輪廓線，是我們研究的重點，基本的要求是用黑色像素沿著物體的輪廓和邊緣進行填色

當視角點改變時，輪廓線也跟隨改變正確的渲染和計算。

下面是我提出的模擬手繪渲染邊線的解決辦法。

我們處理的思路是：采用取樣像素級法線信息，將顏色信息和法線信息分別輸出到兩個渲染目標紋理。再獲得了法線和顏色的渲染目標紋理后，利用這2個紋理做處理：判斷臨近的像素的法線的方向是否差別很多，如果很大，就是具有輪廓的地方，用黑色填充，否則作為顏色處理，對于顏色信息，就是正常渲染模型，法線信息就是計算三維物體在攝像機下空間坐標XYZ，并使用三元屬性RGB顏色值表示，由于法線信息是三元浮點信息，而圖形渲染格式則可擁有4個通道，所以多出來的一個通道可以記錄其他信息，如模型id號，根據(jù)id號不一致情況 這樣可以檢測是否處是外輪廓。

等然后在這個物體上進行輪廓描邊，渲染出較為理想的輪廓線。用這種方法渲染的最終效果是只有邊線的模型圖，獨立的渲染邊緣線好處就是可以獨立的處理這些邊緣線效果，我們可以按照自己預期的藝術效果，對渲染出的輪廓線進行手工二次修改或修正。

運用這種方法的優(yōu)點在于：一是運用計算機批量生成動畫線稿的基礎上進行修改，這比用傳統(tǒng)手繪動畫的方法效率高得多，不需要太多的勾線人員，省時省力，節(jié)約成本和大量的制作時間；二是與全3D動畫相比，技術要求門檻比較低，即使在渲染中出現(xiàn)錯誤也可以快速修正過來。三是這種方法易于修改 可以更具需求制作如水墨線， 水彩 ，油畫等勾邊效果。

4.其他處理。

所研究的這種渲染方法還可以做進一步延伸：通過限制制作normal map貼圖來提升角色細節(jié)，使得模型面數(shù)大大降低，

通過用最少的點、線、面建模提高運行效率。渲染出明確、清晰的輪廓線和陰影線，以便于進行2D 手繪填色，或?qū)吘壿喞€添加手繪貼圖材質(zhì)，直接渲染出有手繪效果的線條。與手繪相比，由渲染貼圖生成的線條或用繪圖板在圖形軟件中繪制的線條缺少了個性化的特點。運用后期來處理來勾線提藝術家自由發(fā)揮的空間。

三、結(jié)論

我們已提出了二維風格渲染方法，這些都源運用不同的算法控制技術，使得模型能夠產(chǎn)生色彩邊界，強調(diào)形狀以及邊界，使得能夠表現(xiàn)各類非真實效果 。 我們通過這種方法模擬，使用程序化的三維渲染技術與傳統(tǒng)手工動畫角色視覺表現(xiàn)幾乎一致，與傳統(tǒng)手繪角色同樣具有表現(xiàn)力。我們的方法的主要優(yōu)點是：該技術易于使用并可很好的整合在動畫制作流程當中，成本相對于傳統(tǒng)動畫方法低廉很多，即使剛成立的小型動畫工作室也可以利用這種方法快速的制作出高品質(zhì)二維動畫出來。運用這種方法和技術，充分利用計算機的資源，減少勞動密集型的傳統(tǒng)動畫作業(yè)方式，提升效率降低動畫項目的風險和運營成本。雖然該技術仍然還有一定的局限性，需要制作人員針對不同鏡頭和不同情況做細致的參數(shù)調(diào)整，雖然這些參數(shù)需要被手動設定，但也意味著為制作人員提供了更多的控制。盡管有些限制，我們的方法和流程會產(chǎn)生人信服程二維卡通角色。

本課題系南昌大學科學技術學院科研立項項目。

參考文獻:

[1] David S, Texturing and Modeling [j],Morgan Hofmann; (2003年1月4日).

[2] Kelly Dempski ,Advanced Lighting and Materials with Shaders [j].

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創(chuàng)客課程方向分析

創(chuàng)客類的課程應該涵蓋哪些方向？目前并沒有很明確的定義。雖然創(chuàng)客們的作品種類復雜，包羅萬象。但是，我們從創(chuàng)客們研究的方向還是大致可以看出一些特征。

1.跨學科

創(chuàng)客的研究方向，基本上都打破了學科的界限，如生物藝術的作品，不僅和生物、藝術相關，更是結(jié)合了電子、控制、網(wǎng)絡等。其實，學科本來就是人為劃定的，在生活應用中，往往都需要用綜合的學科知識去解決一些具體問題。這也是最近STEM、STEAM、STEM+教育思潮如此受人關注的原因。

2.智能化

創(chuàng)客們喜歡玩新技術，智能控制技術當然是最受歡迎的?；用襟w、機器人、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備，無論哪一種，看起來都挺酷。Arduino把單片機開發(fā)技術降到了最低，因而成為了創(chuàng)客們的神器。

3.軟硬結(jié)合

很少看到哪位創(chuàng)客的作品是純粹的軟件，或者純粹的硬件。智能化的特點，幾乎體現(xiàn)了創(chuàng)客們軟硬兼施的技術高度。在他們的眼里，電子技術和編程技術本來就是密不可分的基本技術。

創(chuàng)客課程校本化可能

因為在當前的國家課程設置中，并沒有劃出綜合類的課程，綜合實踐活動僅僅定位在活動，而難以實施創(chuàng)客類課程。更為遺憾的是，高中技術課程標準中，把信息技術和通用技術分為不同的課程，導致了智能化、軟硬結(jié)合的課程找不到對應的位置。因此，要開展創(chuàng)客類課程，只能通過校本課程的形式開展了。

校本課程是與國家課程、地方課程相對應的，以學校為本位的，由學校自行確定開發(fā)的課程。作為國家課程的補充，信息技術校本課程開發(fā)大致可以分為兩種思路：①在技術廣度方面進行拓展。這類課程主要培養(yǎng)學生的學科興趣和學科素養(yǎng)，了解和體驗學科知識在生產(chǎn)生活中的應用以及國內(nèi)外前沿性的最新應用，樹立推動信息技術未來發(fā)展的共同愿景。②在技術深度方面進行挖掘。這類課程主要通過項目或者專題的形式，引導學生對某一領域開展深入探究與實踐，體驗運用信息技術解決實際問題的方法和過程，培養(yǎng)學生的技術素養(yǎng)和綜合能力。

創(chuàng)客類課程一般以第二種方式開發(fā)，但是考慮到2004年出臺的高中信息技術課標已經(jīng)嚴重滯后，與當前的技術發(fā)展脫節(jié)。所以很多課程會結(jié)合兩種開發(fā)思路的特點，既有廣度的拓展，又有深度的挖掘，如物聯(lián)網(wǎng)技術、互動媒體技術、智能家居技術、手機編程和3D打印等。那么，創(chuàng)客類校本課程的開發(fā)可以選擇哪些技術平臺？下面對一些技術平臺進行介紹，通過這些技術平臺，我們能夠看到開源軟件和開源硬件推動下的信息技術教學，正在從邏輯世界（程序語言）走向電子世界（可編程集成電路），最終通過3D打印等原型或產(chǎn)品的設計構(gòu)建工具，走向改變世界的原子世界。

1.邏輯世界：圖形化語言到代碼語言

（1）Scratch類

Scratch是一款由麻省理工學院 （MIT） 設計開發(fā)的面向兒童的簡易編程工具。Scratch雖然采用積木堆砌的形式編寫程序，但是功能十分強大，支持數(shù)組、事件驅(qū)動、多線程編程，具備了面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言的基本特點。難得的是，Scratch提供了外部傳感器和樂高WEDO系列馬達、傳感器的接口，只要拖拽指令塊圖標，就可以制作出各種有趣的互動作品。Scratch2.0加入了攝像頭識別和自定義模塊功能，還支持第三方的插件，功能更加強大。對青少年來說，用Scratch開發(fā)各種創(chuàng)客作品，是非常好的選擇。

Scratch是一款開源軟件，在推廣過程中衍生了好多款修改版本，如S4A、Labplus等。S4A是Scratch for Arduino的縮寫，主要提供對Arduino和Andriod的支持：采用Arduino作為傳感器和執(zhí)行器的控制平臺，提供了6組模擬輸入和2組數(shù)字輸入接口，以及舵機輸出和數(shù)字輸出接口；提供了基于HTTP協(xié)議的遠程傳感器功能和安卓手機的配套程序，可以組網(wǎng)互動，也可以和智能手機進行互動。Labplus則是國內(nèi)教育企業(yè)盛思使用的Scratch的修改版，可以支持直流馬達輸出，能以更低的成本和技術門檻讓學生體驗軟硬件互動。

（2）App Inventor

App Inventor的中文意思是“應用程序發(fā)明家”，是谷歌公司Google Lab項目中的一部分，稱為“Google AppInventor”。Google App Inventor是谷歌公司致力于完全在線的可視化編程而打造的一項Arduino手機應用程序開發(fā)工具。當時，該項目的負責人Hal Abelson是麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的一位計算機科學教授。2012年，麻省理工學院（MIT）正式接手谷歌公司的App Inventor項目，將其更名為“MIT App Inventor”，并繼續(xù)進行研發(fā)且對公眾開放使用。目前，MIT App Inventor的第二版本支持應用程序在手機和平板上的開發(fā)。因為編程門檻低，世界各地有很多教師開發(fā)了基于App Inventor的手機編程課程。

（3）Processing

Processing是由美國麻省理工學院媒體實驗室（MIT Media Lab）美學與運算小組（Aesthetics Computation Group）的Casey Reas與Ben Fry創(chuàng)立的一款專為設計師和藝術家使用的編程語言。Processing在電子藝術的環(huán)境下介紹程序語言，并將電子藝術的概念介紹給程序設計師。通過它無需太高深的編程技術，便可以實現(xiàn)夢幻般的視覺展示及媒體交互作品。同時，Processing也可結(jié)合Arduino等相關硬件，制作出令人驚艷的互動作品。

2.電子世界：軟硬件聯(lián)合編程

當創(chuàng)客類課程進入電子世界之后，軟件環(huán)境和可編程硬件被完美結(jié)合起來，如Arduino既是一個開源硬件的名字，也是這款開源硬件編程的語言的名字，軟件和硬件的界限通過編程語言變得模糊起來，軟硬件聯(lián)合編程教學成為了創(chuàng)客類校本課程開發(fā)的新方向。

（1）Arduino

Arduino是一個基于開放源碼的軟硬體平臺，具有類似Java、C語言的開發(fā)環(huán)境。因源碼開放和價格低廉，Arduino目前廣泛地應用于歐美等國家和地區(qū)的電子設計及互動藝術設計領域，得到了Make magazine等出版物和Instructable等網(wǎng)站的認可和推薦。Arduino被稱為“科技藝術”，作為一種新“玩具”，甚至新的藝術載體，吸引了各個領域的人們加入到Arduino的神奇世界里來。國內(nèi)外已經(jīng)有人開發(fā)了多款基于圖形化界面的Arduino編程環(huán)境或者插件，如Modkit、Ardublock等，為Arduino的推廣普及作出了積極的貢獻。

（2）pcDuino

pcDuino是PC和Arduino的結(jié)合體。pcDuino使用A20處理器，運行速度達到1GHz，自帶1G的BDRAM和2GB的Flash，支持Ubuntu和Android，接上鼠標鍵盤和顯示器就是一臺迷你PC，尺寸有手掌大小，重量相當于半個雞蛋。pcDuino最大的優(yōu)勢是兼容Arduino，借助Arduino豐富的擴展板卡和傳感器資源，pcDuino就成了一臺能直接控制各類電子元件的計算機，在互動媒體方面，應用空間很大。pcDuino還能運行修改版的Scratch，學生通過Scratch就能控制傳感器、馬達等外部設備。利用pcDuino做一個基于WiFi的遠程控制機器人是很輕松的事情。pcDuino上面可以支持Scratch依據(jù)測控板的信息輸入做出馬達、LED輸出，因此使用pcDuino可以和Scratch測控板整合起來，構(gòu)成一個完整的、可移動的機器人控制環(huán)境。

（3）Microduino

Microduino的尺寸比Arduino更小，相當于一個大的方形紐扣，由北京的一位大學實驗室教師最先開發(fā)。和Arduino的故事類似，迅速集結(jié)了一批開發(fā)者，幫助其添加功能。其尺寸上的優(yōu)勢使得它堆疊的效果和產(chǎn)品級別的電路板的功能及尺寸毫無區(qū)別，加之成本優(yōu)勢，使得很多產(chǎn)品沒有必要生產(chǎn)定制的電路板。依據(jù)其設計的校本課程可以直接稱為電子產(chǎn)品制造而不是電子產(chǎn)品原型設計。

3.原子世界：從掃描、設計到打印

（1）Kinect和Leap Motion

Kinect是微軟開發(fā)的3D體感攝影機，具備即時動態(tài)捕捉、影像辨識、麥克風輸入和語音辨識等功能。微軟的宣傳標語說：“你的身體就是控制器”。Kinect的出現(xiàn)不僅帶來了一種新的游戲操控體驗，由之引發(fā)的讓機器“讀懂人”的交互方式，也正引領人機交互技術的新一輪變革。Leap Motion是一款體積僅一包口香糖大小的體感控制器。通過USB連接計算機后，它會創(chuàng)造出一個4立方英尺的工作空間。在這個空間里，10根手指的動作都會被即時追蹤，誤差在0.01毫米以內(nèi)，最大頻率是每秒鐘290幀，精確度相當于Kinect的200倍。這樣的精準程度足夠保證用戶順利完成如pinch-to-zoom或控制3D渲染物體等操作。當Leap Motion首次亮相之時，外界認為它承載了一個新穎而獨特的計算機用戶體驗――通過揮舞手指或拳頭來和計算機進行交互。和Kinect一樣，Leap Motion也提供了SDK，可以二次開發(fā)。

利用Kinect和Leap Motion，可以開發(fā)手勢識別、體感控制之類的課程，但是不用擔心其開發(fā)語言是否過于復雜。早有人寫好了Kinect for Scratch和Leap Motion for Scratch的第三方插件。用Scratch就能研究手勢識別、體感控制之類的課程了。使用Kinect可以制作3D掃描儀，直接輸出物品的3D模型，可以用SketchUp做進一步的加工，最后用3D打印機輸出出來。

（2）SketchUp

SketchUp是一款三維建筑設計方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具，但是因為其支持導出STL文件，成為3D設計的最好選擇之一。比起Solidworks、UG等專業(yè)級工具來說，數(shù)十兆大小的SketchUp在普通配置的計算機中可以流暢運行。目前，SketchUp常常用于通用技術課的三視圖繪制。而如果要求不高，小學生用SketchUp畫出一些小零件并用3D打印機打印出來，并不是一件難度很高的事。

（3）3D打印機

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關鍵詞：非物質(zhì)文化遺產(chǎn)；非遺視覺資源；大數(shù)據(jù)；數(shù)字圖書館

中圖分類號： G254.9 文獻標識碼： A DOI：10.11968/tsyqb.1003-6938.2016092

Abstract Visual resources of intangible cultural heritage， such as text， images， audio and video， and 3D models of digitization system have become an important carrier of information. Research on digitalization technologies of visual intangible cultural heritage resources contributes to the promotion of intangible cultural heritage protection. Based on an analysis of present situation in the protection of intangible cultural heritage， methods are put forward for the acquisition， organization， understanding and description of the visual resources of intangible cultural heritage and visual search and interaction patterns are analyzed from the perspective of case analysis.

Key words intangible cultural heritage（ICH）； ICH visual resources； big data； digital library

1 引言

人類所接受的信息源中超過80%的信息來自于視覺通道（主要包含文本、圖像、視頻與幾何模型等），作為承載視覺通道的信息資源類型稱之為視覺資源。隨著互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的逐步完善和大數(shù)據(jù)技術的飛速發(fā)展，以文本、圖像、音視頻和3D模型等為代表的視覺資源逐漸成為數(shù)字圖書館最為重要的信息載體，在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)（Intangible Cultural Heritage，ICH，以下簡稱“非遺”）數(shù)字化保護與開發(fā)利用體系中也不例外。

非遺作為人類世代相傳、與人類生存生活密切相關的文化表現(xiàn)形式、傳承方式和文化空間，由于其自身所帶的系統(tǒng)性、無形性、復雜性和漸變性等特殊屬性[1]，使非遺數(shù)字化保護與開發(fā)利用難度較大。而非遺視覺資源除了擁有上述自然屬性之外，在大數(shù)據(jù)環(huán)境下更是增添了數(shù)據(jù)量大、非結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化、縱深緯度高、語義關聯(lián)性不強和語義時空性等附屬特征，使得非遺視覺資源的高效處理、內(nèi)容理解和交互反饋就成為需要解決的難點問題，而非遺視覺資源的有效獲取、系統(tǒng)組織與結(jié)構(gòu)化描述就成為亟待解決的首要問題。因此，本文從優(yōu)化非遺視覺資源的獲取、組織與描述方式的角度出發(fā)，致力于研究大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺視覺資源的獲取、組織和描述過程，建立相應的模型，針對知識類和實體類非遺視覺資源提出相應的獲取、組織和描述方法。

2 非遺視覺資源數(shù)字化保護研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外關于非遺保護的研究成果非常多，從非遺的社會經(jīng)濟屬性分析，到非遺的綜合管理，也都出現(xiàn)了許多系統(tǒng)研究的專著。但專門針對非遺數(shù)字化保護與開發(fā)利用方面的研究并不多，尤其是關于大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺數(shù)字化保護、非遺視覺資源開發(fā)利用等方面研究更少。

數(shù)字化保護與開發(fā)利用是非遺保護非常重要的研究領域。自20世紀90年代以來，國際社會和世界各國開始將數(shù)字化項目作為發(fā)展非遺數(shù)字化保護與開發(fā)利用的主要策略。如聯(lián)合國教科文組織推行的“世界的記憶”計劃、日本奧茲大學的“獅子舞”數(shù)字化保護工程、芝加哥大學與西安大略湖大學的“Sulman 木乃伊工程”等。我國非遺數(shù)字化保護研究現(xiàn)已進入到飛速發(fā)展階段，各種數(shù)字化保護平臺、技術與工具層出不窮、琳瑯滿目[2]。如 “中國非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字博物館”、 “中國非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護與研究網(wǎng)”[3]、“湖南紙影戲藝術數(shù)字化博物館”、“山西地方戲劇文物文獻資源數(shù)據(jù)庫”等[4]。為了解和掌握非遺資源，我國會定期開展全國性非遺普查，采用田野調(diào)查、非遺傳承人與專家訪談、掃描、拍攝等多種手段相結(jié)合的方式，獲取了大量極具文化、歷史和科研價值，以文本、圖像與音視頻等視覺資源為主的非遺大數(shù)據(jù)資源[5]，這一過程使得視覺資源逐漸成為非遺數(shù)字化保護體系的主要信息載體[6]，因此，國內(nèi)外已有相關技術研究主要是圍繞非遺視覺資源的獲取、組織和描述等方面展開，主要集中在以下三個方面：

（1）非遺視覺資源數(shù)字化技術工具的選擇與評價研究。如何選擇恰當?shù)囊曈X資源數(shù)字化技術、方法對非遺視覺資源進行獲取、組織、描述和整理，是非遺數(shù)字化保護與開發(fā)利用研究必須要解決的關鍵技術問題。Cheng[7]、余日季[8]等分析了虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等先進技術在非遺數(shù)字化保護與開發(fā)利用研究中的應用，并提出通過三維重建、恢復與模擬等方式來推進非遺數(shù)字化保護、傳承與傳播；Massimiliano等[9]認為3D技術應該在非遺數(shù)字化保護領域得到廣泛的發(fā)展和充分的應用；夏立新等[10]從關聯(lián)標簽的角度對非遺圖片資源之間的標簽關聯(lián)關系進行了研究，并采用可視化方法對非遺圖片資源的主題特征進行了多元化展示；程秀峰等[11]則對舞蹈類非遺視覺資源的存在形式與類型進行了調(diào)研，提出采用社會化網(wǎng)絡標簽（SNA）形式來揭示非遺視覺資源之間的隱性知識關聯(lián)。此外，宋麗華[4]、劉勐[12]、林毅紅[13]、彭冬梅[14]等均探討了不同的數(shù)字化保護方法、工具在非遺視覺資源數(shù)字化保護中的應用，對黎族傳統(tǒng)紡染織工藝、甘肅“花兒”藝術、剪紙藝術等非遺數(shù)字化保護平臺建設進行了研究和評價。

（2）非遺視覺資源數(shù)字化保存機制研究。國內(nèi)外非遺視覺資源收藏機構(gòu)都在充分利用信息技術來整理、獲取、組織、處理和展示其豐富的非遺資源，從而確保了非遺視覺資源數(shù)字化長期保存和多元化展示成為其重要的研究主題。從非遺視覺資源數(shù)字化保存研究現(xiàn)狀來看，當前主要研究重心集中在非遺視覺資源數(shù)字化保存的元數(shù)據(jù)技術和方法方面。如Athanasios等[15]就非遺視覺資源數(shù)學建模與元數(shù)據(jù)集成問題進行了研究；Noriko等[16]分析了異構(gòu)非遺視覺資源（如戲曲、舞蹈、建筑、繪畫等）在線獲取的元數(shù)據(jù)方法；Regina等[17]對非遺視覺資源元數(shù)據(jù)格式、標準與技術問題進行了分析。

（3）非遺視覺資源數(shù)字化服務研究。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)字影像掃描與傳感、三維數(shù)字建模、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實、可視化等技術的發(fā)展，非遺視覺資源數(shù)字化建設項目逐漸具備了多元化、嵌入式、協(xié)作化的知識服務與可視化共享功能，尤其是與視覺資源整合、開放式文化教育、自主交互式工具有機結(jié)合起來后，極大地推動了非遺視覺資源的數(shù)字化服務模式和服務內(nèi)容。

3 大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺視覺資源的獲取、組織與描述方法研究

3.1 大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺視覺資源數(shù)字化保護的新問題

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，海量、異構(gòu)的非遺視覺資源內(nèi)容中，包含了對復雜、多元化的客觀物理類非遺資源的多角度、全方位的映射與表達，可以讓人們體驗到更加客觀、真實、全面的非遺視覺資源展示與感知，從而為非遺視覺資源數(shù)字化保護與服務提供更加有效的支撐，有效推動非遺的全面保護與活態(tài)傳承，促進非遺客觀物理空間與虛擬服務世界的有機融合。這些非遺視覺資源是來源于現(xiàn)實世界中客觀事物，彼此之間蘊含著密切的、復雜的時空關聯(lián)關系，通過對非遺視覺資源的這些時空關聯(lián)信息的分析、處理和整合，就可以清晰地組織、描述和可視化展示非遺保護、傳承與服務的時空變遷。通過對非遺視覺大數(shù)據(jù)資源的動態(tài)挖掘、深度學習和實時分析，使得許多與人類認知相契合的非遺數(shù)字化保護與服務的工具、技術和平臺也層出不窮，如王蒙等[18]基于主題圖理論和方法，以京劇與昆曲為例，建立了非遺信息資源主題圖模型；陳路遙等[19]以“歌仔戲”為例，提出了一種基于關鍵事件技術的非遺信息資源的組織方法與可視化展示技術。

一方面，由于視覺大數(shù)據(jù)資源因其自身特性，對大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺視覺資源數(shù)字化保護的有序化傳播、系統(tǒng)化整合、集約化管理、有效組織與描述提出了巨大的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)非遺資源相比，非遺視覺大數(shù)據(jù)資源除了具有時空信息復雜、語義關聯(lián)多樣化、非結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化等特點之外，還具有數(shù)據(jù)規(guī)模龐大、動態(tài)變化性、無序性、實時性等特征，使得大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺視覺資源的分析和處理具有一定的難度和復雜性。

另一方面，由于非遺視覺資源的來源具有不確定性、異構(gòu)性和時空關聯(lián)性，視覺資源本身也不易組織和整合，因此，如何進行視覺資源的高效獲取、組織和描述也是大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺視覺資源數(shù)字化保護與開發(fā)利用的基礎性問題。同時，隨著非遺規(guī)模與類型的逐漸發(fā)展和壯大，非遺視覺資源的規(guī)模和種類也在不斷增長，尤其在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，三元空間融合下的非遺數(shù)字化保護體系在不斷產(chǎn)生著無數(shù)的非遺視覺資源，只有對其所蘊含的內(nèi)容進行有效獲取與組織、深度理解與結(jié)構(gòu)化描述，才有可能實現(xiàn)對大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺視覺資源的深度分析和有效利用。

因此，大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺數(shù)字化保護與開發(fā)利用研究，需要從非遺視覺資源的獲取、組織、理解和結(jié)構(gòu)化描述等方面進行研究與分析。

3.2 非遺視覺資源的獲取與組織方法

非遺資源由于其生存環(huán)境、分類方法與傳承方式的不同，使得非遺視覺資源的類型特征、處理手段、處理技術與保存方法等也會有一定區(qū)別，這些差異使其在大數(shù)據(jù)環(huán)境下的存在形式是異構(gòu)無序、動態(tài)變化、時空關聯(lián)的，且與之相關的視覺資源的生成與也是動態(tài)無序的。每一項非遺數(shù)字化過程都需要對相關主題信息、繁雜異構(gòu)信息與隱含關聯(lián)關系等進行處理。此外，現(xiàn)有非遺視覺資源分析與處理都是基于文本標注的，且以人工標注為主，但傳統(tǒng)的人工標注方法在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，存在著標注精確性低、時間和人力成本高、分析和處理效率低等問題。因此，如何方便快捷地獲取與組織非遺視覺資源，是大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺數(shù)字化保護與開發(fā)利用的關鍵問題，而對大規(guī)模無關非遺視覺資源的分析、過濾、清洗以及對海量非遺視覺資源的高效組織也是非遺數(shù)字化保護與開發(fā)利用的核心問題。

在整個非遺視覺資源獲取與組織流程（見圖1）中，視覺資源過濾是大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺視覺資源獲取與分析的關鍵環(huán)節(jié)。本文提出了一種基于輪廓特征點的非遺視覺資源整合體系，采用不同的方法從不同層面對獲取到的海量非遺視覺資源進行層次過濾、清洗，其中主要的過濾與清洗方法有三種：一是基于顯著特征點的非遺視覺資源復雜性過濾，主要用于過濾、清洗掉高度復雜的非遺主體的背景視覺信息。該方法首先檢測出非遺視覺對象的顯著性區(qū)域，通過標識非遺主體的顯著性區(qū)域，對所有非遺視覺對象進行區(qū)域分割，并對區(qū)域劃分出的高顯著區(qū)域附近一定閥值區(qū)域范圍內(nèi)的所有劃分區(qū)域數(shù)量進行計算，選擇其中劃分區(qū)域數(shù)低于設定閥值的區(qū)域作為非遺主體的背景區(qū)域，并保留下來[20]；二是基于輪廓特征點的非遺視覺資源相似性過濾，主要用于甄選出與特定幾何輪廓一致的非遺視覺資源。在經(jīng)過第一種過濾清洗方法之后，獲取到帶有簡單背景區(qū)域的非遺視覺資源，得到符合下一操作要求的過濾清洗效果，在此基礎上，對預先設定的分割邊界與待識別非遺視覺資源輪廓特征點所構(gòu)成的幾何區(qū)域進行一致性檢測和評估，并計算得出一致性值，取其中一致性值最高的作為輪廓相似性視覺對象；三是基于內(nèi)容的非遺視覺資源過濾，主要利用設定的多種標注信息進行非遺視覺資源內(nèi)容過濾，在前面兩輪過濾清洗后獲得的非遺視覺資源集合中，將無法提供普適性表象特性的視覺信息過濾清洗掉。如以廣西瑤族長鼓為例，經(jīng)過以上三種過濾方法的反復執(zhí)行，就能從海量、動態(tài)變化、異構(gòu)無序的“視覺資源海洋”中獲取到符合要求的非遺視覺資源。

在現(xiàn)實生活中，并非人人都擁有繪畫技能而能手繪出自己希望搜索到的非遺，但幾乎人人都能夠手繪出自己希望搜索到的非遺輪廓的幾何模型（如三角形、圓形、線條等）。簡單幾何模型是客觀物理世界信息化的基礎組成元素，現(xiàn)實世界中所有客觀物質(zhì)在轉(zhuǎn)化成視覺效果（如繪畫、設計圖等）時，都能通過無數(shù)簡單幾何模型有機組合后，展示在人們視覺中，非遺亦不例外。因此，手繪簡單幾何模型的有機組合是人們展示靈感和構(gòu)思創(chuàng)意最有效、最自然的手段和方法，并被廣泛應用于建筑規(guī)劃、工業(yè)設計、美術等領域。通過簡單的手繪幾何模型就能夠幫助人們將心中正在想、或轉(zhuǎn)載構(gòu)思的非遺主體轉(zhuǎn)化成具有真實感的粗放型視覺效果，這種粗粒度非遺主體輪廓可成為人們與非遺視覺資源整合平臺之間實時交互的一種橋梁。事實上，借助于大數(shù)據(jù)環(huán)境下視覺資源的分析、獲取、組織和描述方法而形成的非遺視覺資源數(shù)據(jù)集，基于粗粒度非遺主體輪廓的視覺搜索模式正逐漸走入人們生活中。

以廣西鄉(xiāng)村彩調(diào)為例（見圖3），大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺視覺資源整合平臺提供的視覺搜索有兩個功能是非常重要的。一是非遺視覺資源的交互與融合搜索。人們只需在非遺視覺資源整合平臺中選擇所需要檢索的非遺類別，并勾畫出待檢索非遺的大致輪廓，平臺就可直接根據(jù)待檢索非遺主體輪廓，自動對非遺主體輪廓執(zhí)行輪廓匹配算法，在設定的非遺類別中檢索符合要求的非遺視覺資源，并根據(jù)非遺主體輪廓在檢索區(qū)域的相對位置、相對大小和組合關系將輪廓組合在一起。然后，平臺根據(jù)視覺融合技術將檢索出來的視覺資源進行完美融合，形成一幅全新的非遺視覺資源；二是非遺視覺資源的內(nèi)容搜索。人們在非遺視覺資源整合平臺中選擇待檢索非遺的類別，并勾畫出待檢索非遺幾何輪廓，平臺自動對非遺主體輪廓執(zhí)行輪廓匹配算法，檢索得出與該輪廓相似的非遺視覺資源列表。

4.2 大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺視覺資源的交互模式

從國內(nèi)外已有研究來看，傳統(tǒng)基于文本標注的視覺搜索模式盡管存在著諸多問題，但仍有不少研究者對其進行研究。而對于視覺資源的深度交互與實時編輯問題卻極少有研究者涉及，尤其是對非遺視覺資源的交互編輯問題的研究幾乎為零。

伴隨著大數(shù)據(jù)、人工智能與深度計算等信息技術的飛速發(fā)展和相關算法的逐步完善，視覺資源的深度交互與實時編輯問題已成為熱點課題。非遺的數(shù)字化保護與開發(fā)利用過程，可采取基于視覺資源融合的方法來實現(xiàn)非遺視覺資源的交互編輯相關功能。具體過程為：給出一個待編輯的非遺視覺資源以及預設定的目標尺寸，在非遺視覺資源知識庫中，檢索得出一幅設定符合條件的新的非遺視覺資源，將二者有機融合形成一幅更大的視覺資源。這個算法執(zhí)行的難點在于：一是如何找到符合條件的視覺資源；二是如何保證檢索得到的視覺資源與原視覺資源進行有機融合。

本文曾提出基于局部區(qū)域特征和非遺主體輪廓結(jié)構(gòu)的視覺描述網(wǎng)絡這一方法，借助于該描述方法可實現(xiàn)相應的關聯(lián)視覺資源的有機融合。首先，設定一個非遺視覺資源為待檢索對象，同時，設定其交互編輯的目標尺寸與待融合方法；然后，非遺視覺資源整合平臺可根據(jù)所提供的視覺搜索功能與相關算法，在非遺視覺資源數(shù)據(jù)集中檢索得到最為合適的視覺資源列表，作為候選內(nèi)容；接著，對候選資源與待處理非遺視覺資源的輪廓結(jié)構(gòu)、局部特征和主體內(nèi)容進行一致性、相似性評估，選出待融合的視覺資源；最后，采取局部區(qū)域特征融合和邊界區(qū)域平滑過渡方法，對候選視覺資源進行局部融合和全局變換，使其與待處理非遺視覺資源邊界部分進行曲線平滑過渡，并采取視覺融合技術和區(qū)域分割方法對二者進行處理[28]。

5 結(jié)論與展望

在我國文化發(fā)展大繁榮的社會背景下，非遺數(shù)字化保護事業(yè)如何貫徹國民經(jīng)濟與社會發(fā)展“十三五”規(guī)劃綱要、國家“十三五”文化發(fā)展規(guī)劃綱要和國務院辦公廳關于加強我國非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護工作的意見等重大指導性文件精神，在社會公共文化服務體系中獲得戰(zhàn)略地位和重要作用，成為非遺保護與傳承理論、實踐研究共同關注的重大問題。非遺數(shù)字化作為非遺保護與傳承的重要工具和手段，在大數(shù)據(jù)、視覺搜索與虛擬現(xiàn)實等技術手段的沖擊下，勢必會給非遺原來賴以生存的原生態(tài)空間帶來巨大的威脅，導致非遺保護工作受到巨大挑戰(zhàn)，但同時也帶來了前所未有的機遇。毫無疑問，合理運用大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實和視覺搜索等現(xiàn)代科技手段進行非遺數(shù)字化保護已成為一種必然趨勢。

文本、圖像、音視頻和3D模型等視覺資源逐漸成為非遺數(shù)字資源最重要的信息載體，如何高效地分析和利用已有的和即將獲取到的非遺視覺大數(shù)據(jù)資源，將非遺視覺大數(shù)據(jù)資源轉(zhuǎn)化成知識是當前面臨的主要技術瓶頸。尤其是未來十年，在大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實等信息技術的積極推動下，我國非遺視覺資源的數(shù)據(jù)規(guī)模和類型將快速增長，非遺數(shù)字化保護研究的深度和廣度快速發(fā)展，開展大數(shù)據(jù)環(huán)境下非遺視覺資源的獲取、組織和描述方法的研究，以為突破這一技術瓶頸提供有效的方法。因此，重視非遺視覺資源分析與利用的研究不僅具有非常重要的理論價值，還具有重要的現(xiàn)實意義。

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篇6

【關鍵詞】DEM精度；評估方法；研究

一、前言

DEM就是將高過程模型進行數(shù)字化處理，它是GIS里面最為重要的有關于空間的數(shù)據(jù)資料，它也是進行地形等各方面地質(zhì)勘探等分析處理需要的核心數(shù)據(jù)。就現(xiàn)在看來，我國的DEM發(fā)展情況主要是1∶6萬和1∶26萬的DEM處理方式，并且可以在多個方面進行分析和利用，例如可以在測繪、資源勘探、污染環(huán)境方面、以及防治災害方面起到了很大的作用，是當前中國有關科研單位和政府防治部門必備的一項技術。它具有簡單易操作的特點，給工作帶來很大的方便。但是，DEM現(xiàn)在存在一個很大的問題，就是現(xiàn)在社會快速發(fā)展，人們對物質(zhì)需求也隨之增加，對物質(zhì)的勘探就要求準確且快速?，F(xiàn)在的DEM數(shù)字高程模型的精度已經(jīng)完全不能滿足現(xiàn)代人的追求，國外等各類DEM已經(jīng)開始不斷的開發(fā)和提升，對DEM誤差的存在控制也獲得了一些進展。通過一系列的加強和規(guī)范標準，對DEM的數(shù)據(jù)精度采集并研究，現(xiàn)在已經(jīng)可以為GIS等用具分析各類的地形及產(chǎn)品提供可靠 帶來可用價值和理論上的意義。比如現(xiàn)在常用的就是數(shù)據(jù)離散化，從而構(gòu)建成一個T型模式，這種方式直接明了，很讓大多數(shù)用戶喜歡。但是，使用這種方式的話，就會出現(xiàn)原始的數(shù)據(jù)離散化以后就會丟失一部分，只有那些等高線圖形和數(shù)字化的等高線數(shù)據(jù)保存了下來，這就造成了二次誤差的產(chǎn)生，使最終結(jié)果不太可信。這里的等高線指的是數(shù)據(jù)離散化以后，對采樣點的插值處理，使它的曲線更加完美好看的一種方法。它最后表達的是一種非常抽象的曲線形勢，雖然有了坐標體現(xiàn)，但是它始終是一種老式制圖方式，沒有創(chuàng)新性和可視性。唯一的好處就是它對地面高程和地形變化可以直接的表達。特別是在地貌的形態(tài)表現(xiàn)上可以呈現(xiàn)出高質(zhì)量的畫面，簡稱TIN方式。這是GIS中關鍵所在。本文詳細的討論了在等高線基礎上來研究DEM的構(gòu)建和其精度的分析，如何評估和實現(xiàn)。針對TIN的DEM構(gòu)造中出現(xiàn)的“平三角形”，主張一些可以減少其存在的方法，這就包含了增加特征點和拉格朗日插值多線式的算法。

二、DEM作用及精度評估的意義

DEM雖然是數(shù)學表達式，而且其離散的特性給人們簡單的表現(xiàn)形勢，主要從事地球科學研究的人員利用DEM的次數(shù)非常之多，因為它會給研究人員清楚的表達直觀的地球的各種各樣的地貌形態(tài)，DEM數(shù)據(jù)通過相關軟件的處理和分析把這些地質(zhì)資料體現(xiàn)成圖形的形勢，就可以清楚的觀察出各種地形之間的區(qū)別和聯(lián)系。所以，DEM技術可以較為準確的把地貌體現(xiàn)出來，是普遍且受人喜歡和關注的技術形勢?，F(xiàn)在有關DEM類型的研究主要就是在地貌類型的描述上占了大多數(shù)，關于怎么樣確定不同的因子來準確的描述和刻畫不同的地形特征這方面的研究成果還有待提高，相對于其他方面的研究還是比較少。有關地貌方面的DEM我們主要選用1：5萬的比例尺進行200多個不同區(qū)域的數(shù)據(jù)測試計算，通過基于網(wǎng)格DEM進行了不同地形的因子計算，也獲取了一些因子值，比如就高程、坡度、凹凸系數(shù)都會顯現(xiàn)出來。通過以上的試驗，已經(jīng)得到了一些有價值的結(jié)論：坡度平均值最小、坡度變化率平均值最小的是丘陵地貌；相對高差平均值最小、凹凸系數(shù)平均值最小的是黃土地貌；坡度變化率平均值最大的是中山地貌；平均高程最大、相對高差平均值最大的是冰川地貌。通過分析，我們可以認為DEM在實驗中精度還是缺乏高度，可能原因就是選地的因子還是很少，不夠全面的分析結(jié)果，有待加強。再一個原因認為是地貌類型不夠客觀的描述，復雜程度過于簡單化，就靠幾個因子是不能夠全面準確描述的。

三、DEM評估精度提高的有效方法

現(xiàn)在有關于DEM評估精度提高的方法有很多，但是認為比較合適的方法就是利用等高線圖。等高線圖的產(chǎn)生是DEM地形分析的基礎和最主要部分。具體方法如下：等高線圖就是將地形點的各個值進行正射投影，處于二維化形勢的正射投影有時還不夠滿足人們的需求。這就需要我們將等高線圖和視覺效果聯(lián)系起來，隨著3D發(fā)展以及DEM中隱含的三維數(shù)據(jù)的特征所表現(xiàn)出來，我們把等高線圖還可以三維化進行處理，這樣就可以看到立體的多樣化直觀的等高線圖，大大的提高了DEM評估精度。就目前為止，三維化等高線圖主要有兩種方法：三角網(wǎng)法和格網(wǎng)法。兩者算法形勢上存在一定差異，但具有個字的特點。

四、結(jié)語

從本文可以看出研究DEM主要就是將數(shù)據(jù)離散化數(shù)字化，最后形成可視的三維圖形進行分析和研究。而模型精度的重要所在就是利用有影響的地形建模質(zhì)量等有關的因素，并且將這些影響因素進行處理，減少誤差的產(chǎn)生，最后將這些抽象的數(shù)值利用相關的數(shù)學公式進行計算加以描述。所以，尋求和完善算法及數(shù)學模型的建立是檢測DEM精度的有效方法，同時也必須將DEM的標準進行很好的規(guī)范，使DEM模型更加的準確和逼真，只有這樣才能很好的表現(xiàn)地面特征等重要信息。我們已經(jīng)從有關DEM精度評估的方法上進行了多方面的研究，為了以后精度的評估提供了多方面的數(shù)學模型和計算方法?？梢暚F(xiàn)在的土地勘探更加的廣闊攝入，有些復雜多變的地形在之前的研究實驗中沒有經(jīng)歷過試驗，無法確定在其他地形中的準確性。這種情況我我們就必須要考慮其他的影響因素，包括：地圖用途、地圖比例尺、地面分辨率、地貌類型、地形變化的復雜度、地形坡度等等。我們需要以后在DEM的建立和精度評估方法中更多的思考，提出更加科學有效的方法。

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篇7

關鍵詞：侵蝕產(chǎn)沙平衡 研究現(xiàn)狀 未來發(fā)展

泥沙產(chǎn)生的危害是多種多樣和廣泛的，泥沙產(chǎn)生危害的形式取決于泥沙的數(shù)量和特性，而泥沙的數(shù)量和特性則受到侵蝕、輸移和沉積過程的影響。為了了解泥沙危害的根本原因，確定引起這種危害的泥沙的來源，并提出可行的控制措施，就需要對這些過程有所了解。因此，流域侵蝕產(chǎn)沙平衡計算對泥沙的控制是十分有意義的。一項完整的泥沙平衡計算應包括流域內(nèi)泥沙的輸入、移動和沉積的計算，也就是應當提出：①表土和基巖的泥沙侵蝕速率，詳細的侵蝕過程；②沉積的速率及地形地貌變化的詳細過程；③泥沙從流域中流失的速率；④泥沙來源及沉積的空間分布情況等。

1 流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究中的沙源與來沙量問題

對于一個匯流封閉的流域而言，河流泥沙的來源主要有三個方面：坡面來沙；溝道、河岸侵蝕；人類活動輸入泥沙(如棄渣等)。一般情況下，坡面和溝道來沙是河流泥沙的主要來源，由于流域內(nèi)土地利用方式等條件的不同，流域的不同位置對泥沙的貢獻也不同。另外，在人類活動相對頻繁的道路、排水溝等也是河流泥沙的重要來源和泥沙輸送的重要通道。不同的土地利用方式及土壤地質(zhì)條件等究竟對河流泥沙的貢獻有多大一直是人們關注的主要問題，這對于調(diào)整土地利用方式及流域規(guī)劃是十分有意義的。目前國內(nèi)外在該方面的研究較多，尤其是我國對黃河流域泥沙來源與來沙量的研究取得了豐碩的成果，為流域泥沙治理提供了重點區(qū)域和治理方略。蔣德麒［1］對小流域坡溝泥沙分析認為，黃河中游小流域泥沙主要來源于溝道，但分析中未考慮坡面徑流通過溝坡時增加的泥沙；一些學者［2～4］對坡面徑流下溝對溝谷的影響研究結(jié)論差異較大，石輝認為差異的原因除研究方法不同外，可能是研究流域發(fā)育階段不同所致；景可、徐建華等人［5，6］對黃河粗泥沙來源的界限、數(shù)量等進行了研究；王曉［7］采用“粒度分析法”對砒砂巖不同侵蝕類型區(qū)小流域泥沙來源的分析表明，泥沙主要來源于溝谷地；張平倉等人［8］分析了皇甫川流域各種產(chǎn)沙地層的產(chǎn)沙特征及機械組成，并與河口懸移質(zhì)泥沙對比分析，得出流域不同地層的相對產(chǎn)沙量；陳浩［9］運用成因分析法的概念分析認為，黃河中游小流域的泥沙主要來自于坡面。從泥沙理化性質(zhì)分析泥沙來源在我國黃河流域沙源分析中應用較為成熟，尤其是對黃河粗泥沙來源的研究更為深入，但黃河粗泥沙是在黃河這種特殊環(huán)境中產(chǎn)生的，并不意味著在其它流域有著同樣的運用意義；楊明義等人［10］應用137Cs研究了安塞紙坊溝流域的泥沙來源情況，表明小流域泥沙主要來源于溝谷地。利用示蹤法可望深化對泥沙運移、沉積過程的認識，在侵蝕動力學等研究中也可有廣闊的前景。

國內(nèi)外學者也較多的利用水文站泥沙資料進行沙源分析。利用觀測站資料研究時，泥沙測定只能給出輸沙量的非經(jīng)常樣本。通常利用水沙關系曲線來推算缺測日輸沙量；徑流小區(qū)資料分析也是研究泥沙來源的常用方法。小區(qū)多選擇在泥沙侵蝕與輸移的典型區(qū)，進行定點人工觀測或進行室內(nèi)外模擬試驗。小區(qū)試驗為流域內(nèi)不同地貌部位及土地利用方式產(chǎn)沙量的區(qū)別提供了有效的依據(jù)，但觀測結(jié)果多應用于小流域泥沙研究中，如何將小區(qū)和小流域研究成果應用到較大流域，是目前泥沙研究中的重點和難點之一；大面積的人工調(diào)查進行沙源和來沙量研究費時費力，目前多采用大面積人工或遙感調(diào)查與徑流小區(qū)和典型小流域資料相結(jié)合的方法進行大面積的沙源分析。我國關于流域沙源與來沙量的研究主要集中于黃河流域，這些研究對解決該區(qū)泥沙問題提供了很好的依據(jù)，也為其他河流的研究積累了經(jīng)驗。

2 侵蝕泥沙的坡面～河道耦合關系

侵蝕泥沙的坡面～河道過程是泥沙運移過程中相對復雜的一個階段。這個階段水流匯集程度較弱、規(guī)律性較差，加之環(huán)境因素多變，對泥沙運移的影響較大。在此階段中泥沙就地攔蓄的作用對流域農(nóng)業(yè)及非農(nóng)業(yè)應用都會起到很大的作用，尤其是流域內(nèi)不同泥沙攔蓄設施的引入對泥沙分布及運移的連通性影響較大。許多研究表明，只有部分坡面侵蝕泥沙直接被輸送到了河道，并且輸送泥沙量受到土地利用、地形、降雨類型等的影響。流域面積越大水流的規(guī)律性就越強，坡面向河道輸沙的耦合關系就越弱［11］。

2.1 坡面侵蝕研究

目前國外已經(jīng)建立起WEPP等能反映流域坡面侵蝕過程的物理模型。我國近一二十年來在坡形、氣候等對坡面侵蝕、侵蝕分布規(guī)律等都有了深入的探索。前人關于坡長、坡度等水沙影響的研究很多，但對侵蝕產(chǎn)沙過程影響的研究不多，次降雨條件下這方面的研究更不多見。孔亞平等人［12］通過室內(nèi)模擬試驗研究了坡長對侵蝕產(chǎn)沙過程的影響；靳長興［13］則從坡面流的能量理論出發(fā)對臨界坡度進行了研究；鄭粉莉［14］在坡面降雨徑流侵蝕方面探討了上方來水等坡面侵蝕的關系，等等。我國近期的研究從研究方法上來看主要是采用標準徑流小區(qū)觀測天然和人工降雨條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙。從研究方向上來看主要是研究坡形、氣候、土地利用等對泥沙侵蝕的影響，對泥沙坡面運動的過程研究較少。也有人利用“3S”技術、示蹤技術等研究坡面侵蝕產(chǎn)沙的情況。黃詩峰等人［15］利用GIS技術對嘉陵江上游西漢水流域進行了土壤侵蝕量的估算；田均良［16］利用元素示蹤法研究侵蝕泥沙在坡面沉積的分布特征及其影響因素，等等。筆者認為我國在今后一定時期內(nèi)應加強坡面流水力學、坡面侵蝕動力學的研究，進而對坡面徑流泥沙過程獲得更深入的了解，爭取研究建立能夠反映侵蝕行為過程的動態(tài)數(shù)值模型。

2.2 溝道侵蝕研究

溝蝕預報發(fā)展經(jīng)歷了70年代的隨機模型，80年代的過程模型和90年代實用化的過程，我國在溝蝕方面的研究如王治國［17］在黃土殘源區(qū)利用人工降雨對土壤溝蝕類型進行了描述；白占國［18］據(jù)洛川源區(qū)典型溝谷地質(zhì)地貌資料分析了不同歷史時期溝谷侵蝕的速率；張科利等人［19］通過試驗研究了坡面侵蝕過程中侵蝕方式發(fā)生演化的水動力學機理，對坡面侵蝕溝形成的機理進行了探討；鄭粉莉［20］對黃土區(qū)坡耕地的細溝和細溝間侵蝕也作出了許多研究；蔡強國、包為民等人［4，21］從不同的角度對侵蝕溝的發(fā)展進行了模型研究。但以上研究在溝蝕和溝間侵蝕定量化方面以及它們對土壤流失的貢獻率都還需要進一步的探索。確定溝蝕發(fā)展的速率是一個相對困難的問題，不僅流域大小會影響到溝道侵蝕，而且許多已經(jīng)發(fā)表的工作來自于短尺度的研究，這不能代表長期的趨勢。不同時期的航空像片和攝影測量方法將有助于這方面的研究。另外，關于溝道發(fā)育的年齡或階段等問題也應該在模型中加以考慮。

2.3 坡面～河道耦合關系研究

侵蝕泥沙坡面～河道耦合關系的問題，Skempton等人(1953)很早就提出并進行了一定的研究。Katerina(2002)將其簡明的定義為坡面與河道間水文和地貌過程的連通性［22］。實際上人們對坡面～河道耦合并沒有非常統(tǒng)一的認識。近年來此方面的研究使人們對侵蝕泥沙的坡面～河道運移過程有了更深入的認識。Michael C等人［23］通過實地測量對次降雨侵蝕泥沙的坡面～河道過程進行描述，但若要了解區(qū)域泥沙運移的一般規(guī)律還需要進行長期的觀測；Jolanta Swiechowicz［24］則借助137Cs研究泥沙的坡面～河道過程，這種方法在國內(nèi)外的應用也取得了較為滿意的結(jié)果，但對于較大流域的研究在精度上會存在一定的問題；Katerina等人[22］利用GIS技術對流域進行了以柵格為基礎的劃分，在此基礎上討論了侵蝕泥沙的坡面～河道耦合形式與耦合程度，并建立起描述坡面～河道相互作用的二維模型用以定量的研究流域水沙的運動。我國在該方面也有較深入的研究，石輝等人［25］通過室內(nèi)模擬試驗對坡溝侵蝕關系的研究表明：坡溝侵蝕關系隨小流域的溝道發(fā)育而變化，呈現(xiàn)出溝道侵蝕量逐漸減少，坡面侵蝕量逐漸增大的總趨勢；陳浩等人［26］根據(jù)坡面水下溝時在溝坡(道)上“凈產(chǎn)沙增量”的概念，探討了沿程含沙水流侵蝕特性和坡溝侵蝕關系及產(chǎn)沙機理；蔡強國等人［4］從泥沙輸移的物理過程出發(fā)，依據(jù)流域野外小區(qū)觀測與模擬降雨試驗建立了一個適用于黃土丘陵溝壑區(qū)小流域侵蝕產(chǎn)沙過程模型，模型分為坡面、溝坡和溝道子模型；包為民［21］提出了小流域水沙耦合概念模型，從坡面、溝道產(chǎn)匯沙等方面考慮構(gòu)成了一個具有明確物理意義的流域水沙耦合模型。蔡強國、包為民的研究都是基于一定物理過程和物理基礎的，開始向著構(gòu)建物理模型的方向靠近，但在模型中對于坡面～溝道的耦合關系仍不夠緊湊。對于流域的坡溝侵蝕耦合關系仍有不同的觀點，因為侵蝕泥沙的坡面～河道過程規(guī)律性差、干擾因素作用顯著，所以這一過程是泥沙運移過程中相對復雜的一個階段。目前，對于這一過程規(guī)律的掌握仍有許多需要進一步解決的問題。轉(zhuǎn)貼于 3 河道泥沙的輸移與存蓄變化平衡關系

關于河道泥沙輸移有三個關鍵性問題：河道泥沙存蓄量；泥沙存蓄與輸移時間；沉積泥沙的空間分布。由于侵蝕與產(chǎn)沙之間數(shù)值差異的存在，泥沙的動態(tài)存蓄將是一個不可回避的問題。河道內(nèi)存蓄泥沙動態(tài)變化的定量研究將會有助于估算河道泥沙存蓄與流域產(chǎn)沙之間的動態(tài)關系，并且可以對不同河段泥沙的存蓄特征進行比較與解釋。

河道內(nèi)泥沙的運動與區(qū)域洪水的性質(zhì)及河道的形狀關系密切，徑流的季節(jié)變化會導致河道內(nèi)泥沙的相應變化；河道特征與泥沙的輸移距離、不同粒徑泥沙的分布等也有著直接的相互作用關系。人們總結(jié)了一些方法用以研究此類問題。如Matthias Hinderer［27］利用地貌形態(tài)變化計算泥沙輸移問題；Jack Lewis[28］利用分層隨機抽樣法進行泥沙平衡研究；A.R．Orpin等人［29］利用不同泥沙粒徑分布規(guī)律進行泥沙輸移平衡的研究等。我國在此方面的許多研究也都表明了泥沙存蓄變化與區(qū)域降雨徑流的關系最為密切，如黃河中游某些支流河道具有“小水淤，大水沖”的特性，近年來由于降雨洪水較小，河道存蓄泥沙量較大。高進［30］通過對不同形狀河流沙洲發(fā)育長度的理論分析了河流泥沙淤積規(guī)律，建立起沙洲發(fā)育模型；王士強［31］應用動床阻力及灘槽水沙交換等關系與新的不平衡輸沙等初步經(jīng)驗關系建立了黃河下游河床變形數(shù)學模型，該模型的特點是能較好地反映渾水上灘淤積減沙使主槽減淤增沖等情況。

目前，采用同位素示蹤方法研究河道泥沙存蓄變化的研究較多。Simon J等人［32］通過“水庫理論”對河道泥沙的輸移與存蓄進行了研究?！八畮炖碚摗笔嵌垦芯亢拥纼?nèi)泥沙存蓄與輸移時間的一種方式，是對水庫中徑流平均存蓄與輸出時間在概念上的一種借用。通過應用，Simon J等人對河道內(nèi)不同區(qū)段泥沙輸移時間進行了較為精確的估算，對存蓄泥沙的活動等情況進行了定量研究。但以示蹤法研究通常存在這樣的問題：(1)示蹤物質(zhì)在河道內(nèi)停留的時間至少要和泥沙平均停留的時間相等，而泥沙在河道內(nèi)有可能停留上百年的時間；(2)如果不同時期輸入河道內(nèi)的泥沙充分混合，河道內(nèi)泥沙的存蓄周期與駐留時間也很難確定。以特制試驗設備輔助研究或許是解決河道泥沙的輸移與存蓄變化過程研究的有效方法之一。英國學者D．M.Lawler［33］等人研制了一種用以自動監(jiān)測河流泥沙的侵蝕、輸移與沉積情況的“光電侵蝕探針”，其最大的優(yōu)點在于它可以長期自動連續(xù)監(jiān)測河流泥沙的侵蝕、輸移與沉積，這對于沒有或較少水文測站的區(qū)域連續(xù)觀測泥沙是十分有意義的。

4 流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究中的模型問題

盡管極端降雨條件會產(chǎn)生大量的泥沙，但侵蝕模型對平均侵蝕率的測量仍然是很好的泥沙預測方式。通用土壤流失方程(USLE)可以模擬單坡面長期的泥沙侵蝕，但USLE模型預測的坡面侵蝕并未考慮坡面凹陷處的沉積問題。然而，一部分沖積物或崩積物會在其運移過程中發(fā)生沉積，而且流域的范圍越大發(fā)生沉積的機會就越多。下面提到的幾個侵蝕預測模型都是可以模擬泥沙運移過程的模型，它們分別是用來模擬單次降雨過程和長期侵蝕過程，以及模擬單坡面侵蝕和不同尺度全流域侵蝕產(chǎn)沙的。大部分的模型都是用來模擬單次降水侵蝕的，如EROSION3D［34］、EUROSEM［35］、KINEROS2［36］、ANSWERS［37］、AgNPSm［38］。應用這類模型最主要的問題是初始條件的確定，因此，這類模型通常被用來模擬不同降水的設計。在時間上具有連續(xù)性的模型如WEPP［39］和OPUS［40］，這類模型比上面提到的模型更為復雜，因為他們還可以用來模擬土壤水分運動、植物生長等兩次降水期間的過程。因此，這類模型的優(yōu)點在于初始條件可以自動提供，并且可以相對容易地對一系列降水進行計算。

大部分在時間上具有連續(xù)性的模型都是用于模擬單坡面侵蝕的，這與模擬全流域侵蝕模型具有明顯的區(qū)別［41］。模擬全流域土壤侵蝕的模型需要對流域空間進行離散化和參數(shù)化處理，一般采用兩種方式。一是基于柵格的空間離散化處理(EROSION3D、ANSWERS、AgNPSm)。但是柵格的大小會對模擬結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，因此，可研究流域的最大尺度是由柵格的最大數(shù)量所決定的。另一種方法是將流域根據(jù)一定的參數(shù)標準劃分成若干個具有代表性的坡面(KINEROS2、EUROSEM)，這些坡面通過溝道連接起來，進而通過模型模擬泥沙的輸移過程。將侵蝕模型與地理分析軟件進行不同程度的耦合是近年來泥沙平衡研究中模型研究的主要方向之一。蔡強國等人［4］(1996)在IDRISI軟件的支持下建立了一個具有一定物理基礎的能表示侵蝕產(chǎn)沙過程的小流域次降雨侵蝕模型。模型考慮了降雨入滲、徑流分散等過程，將水流在流域的匯流、輸移過程引入到模型當中，從機理上對侵蝕過程進行了定量分析。Giorgio A．Benporad等人［42］采用分布式模型模擬水、沙量平衡。通過GIS處理將該流域離散化為柵格形式，建模以柵格為基礎，與柵格整合的模擬方程通過流域出口處的水沙資料進行模型修正。結(jié)果顯示，分布式數(shù)學模擬能夠較為精確地模擬流域以月和年為單位的水沙運動情況。他們的研究通過GIS處理與時間修正在一定程度上已經(jīng)打破了模型研究的空間與時間尺度限制。

確定可用的侵蝕模型是一項很復雜的任務，侵蝕模型必須經(jīng)過修正之后才能用于模擬泥沙的過程。其中主要的問題是模型參數(shù)的轉(zhuǎn)換、無觀察站點區(qū)域初始條件的設置及利用長系列資料進行模擬時模型的適用性問題。準確的實地資料非常重要，因為它們常常是侵蝕產(chǎn)沙建模的重要限制性因素，如果分布資料不夠全面，對于較大尺度的流域而言模型的選定將是很困難的。對于長系列資料的模擬，同時期泥沙沉積的調(diào)查十分必要，因為只有這樣才能對資料模擬的結(jié)果進行校驗。

5 流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究展望

流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究關系到我國生態(tài)環(huán)境建設、水利工程的使用與建設等方方面面，總結(jié)分析我國泥沙研究的現(xiàn)狀，針對我國泥沙平衡研究中存在的問題，借鑒國外好的研究思路與研究方法，進行系統(tǒng)的、泥沙運移過程的平衡計算將是十分有意義的。

5.1 基本資料的科學觀測

在流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究中，豐富而準確的資料是泥沙研究的生命線。因此，科學合理地布設觀測站點，對部分觀測站點進行適當?shù)恼{(diào)整，進行水文泥沙的長期、連續(xù)觀測是獲得水文泥沙研究資料的基礎，更是流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究發(fā)展的前提條件。

5.2 因地制宜的泥沙運移過程研究

目前，對于泥沙輸移預報問題我們還需要了解更多的、更為細致的輸移過程。對于流域內(nèi)侵蝕泥沙不同粒徑之間的關系；流域內(nèi)侵蝕泥沙的停留時間與重新移動問題；侵蝕泥沙坡面過程與溝道過程的不同；侵蝕泥沙的停留時間與重新移動的耦合關系；適當時間尺度范圍內(nèi)坡面與溝道間的動態(tài)相互作用關系；侵蝕系統(tǒng)內(nèi)不同部位侵蝕泥沙的相互關系及如何評價等問題仍然需要更為深入的研究。

目前國內(nèi)尚未研究出類似于美國USLE的單坡面侵蝕模型，更未見類似于WEPP的物理過程模型，致使我國目前土壤侵蝕定量化缺乏實據(jù)，今后一段時期內(nèi)應當攻關此方面的研究。我國幅員遼闊，地域間自然條件差異較大，除了進行通用性較強的物理模型的研究外，開展區(qū)域性產(chǎn)沙經(jīng)驗模型的研究同樣具有不可替代的作用。我國關于泥沙侵蝕階段的研究與預測模型探討較多，但能夠反映泥沙運移全過程的模型較少，因此，對于全流域泥沙輸移過程的研究也應該加強。

5.3 綜合研究方法

泥沙從侵蝕到沉積是一個復雜的過程，因此，泥沙平衡的研究也應該是一個系統(tǒng)工程。單一的方法一般越難以解決全流域泥沙運移研究的問題。采取多種研究方法的綜合使用，充分發(fā)揮“3S”技術等高新技術在泥沙資料的獲得與分析等方面的巨大作用，在我國的泥沙平衡計算研究中仍有很大的發(fā)展空間。 參考文獻：

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篇8

關鍵詞：數(shù)字視頻；視頻編碼；非話業(yè)務

中圖分類號：TN941.1 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.04.020

0.引言

目前，計算機的應用逐漸進入多媒體時代，信息載體擴展到文、圖、聲等多種類型，數(shù)字視頻技術得到了發(fā)展。在數(shù)字視頻技術的發(fā)展初期，數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量非常大，存儲、傳輸和處理都有很大的困難。這使得視頻數(shù)據(jù)壓縮的研究成為必要。近年來，一些國際組織相繼制定了關于視頻圖像的編碼標準，壓縮編碼技術日臻成熟。其次，計算機處理速度和存儲容量針對視頻數(shù)據(jù)而言還遠遠不能滿足要求，因此視頻數(shù)據(jù)的處理成了多媒體技術中的關鍵性技術，眾多視頻存儲格式應運而生。另外，計算機動畫的發(fā)展也將數(shù)字視頻技術引入了新的發(fā)展階段。

本文將對以上所述的視頻技術的發(fā)展與應用進行介紹和分析。

1.視頻的壓縮編碼

視頻信號信息量非常大，傳輸網(wǎng)路帶寬要求高，在這種情況下對存儲、傳輸和處理都有很大困難。所以需要將視頻信號在傳送前先進行壓縮編碼，以便節(jié)省傳送帶寬和存儲空間。視頻信號壓縮編碼有兩個基本的要求：（1）必須壓縮在一定的帶寬內(nèi)，即，具有足夠的壓縮比；（2）視頻信號在壓縮之后，經(jīng)解壓重建應保持一定的視頻質(zhì)量。此外，視頻編碼器的設計應力求簡單、易實現(xiàn)、成本低、可靠性高。

1.1視頻數(shù)據(jù)壓縮的技術可能性

一幅圖像是由許多像素點構(gòu)成的。大量的統(tǒng)計表明，同一幅圖像的像素之間具有較強的相關性，兩個像素之間的距離越短，其相關性越強，通俗地講，兩個像素的值越接近。換言之，兩個相鄰像素的值發(fā)生突變的概率極小，相等、相似或緩變的概率極大，這使得視頻信息的每個畫面內(nèi)部有許多信息冗余。并且，我們還可以利用幀間相關性進行壓縮編碼，由于鄰近幀之間的相關性一般比幀內(nèi)像素間的相關性更強，可以得到更大的壓縮比。人眼的視覺靈敏度有限，可以允許畫面有一定失真，一些冗余信息的失去對觀看視頻沒有太大影響。

1.2壓縮編碼

1.1.1有損與無損

無損壓縮是指壓縮前和解壓縮后的數(shù)據(jù)完全一致。多數(shù)的無損壓縮都采用RLE行程編碼算法。

有損壓縮意味著解壓縮后的數(shù)據(jù)與壓縮前的數(shù)據(jù)不一致。在壓縮的過程中要丟失一些人眼和人耳所不敏感的圖像或音頻信息，而且丟失的信息不可恢復。幾乎所有高壓縮的算法都采用有損壓縮，這樣才能達到低數(shù)據(jù)率的目標。丟失的數(shù)據(jù)率與壓縮比有關，壓縮比越小，丟失的數(shù)據(jù)越多，解壓縮后的效果一般越差。此外，有些有損壓縮算法采用多次重復壓縮的方式，這樣還會引起額外的數(shù)據(jù)丟失。

1.2.2幀內(nèi)與幀間

幀內(nèi)壓縮也稱為空間壓縮。當壓縮一幀圖像時，僅考慮本幀的數(shù)據(jù)而不考慮相鄰幀之間的冗余信息。幀內(nèi)一般采用有損壓縮算法，由于幀內(nèi)壓縮時各個幀之間沒有相互關系，所以壓縮后的視頻數(shù)據(jù)仍可以以幀為單位進行編輯。幀內(nèi)壓縮一般達不到很高的壓縮。

幀間壓縮是基于連續(xù)前后兩幀具有很大的相關性，或者說前后兩幀信息變化很小的特點。也即，連續(xù)的視頻其相鄰幀之間具有冗余信息，根據(jù)這一特性，壓縮相鄰幀之間的冗余量就可以進一步提高壓縮量，減小壓縮比。幀間壓縮也稱為時間壓縮，它通過比較時間軸上不同幀之間的數(shù)據(jù)進行壓縮。幀間壓縮一般是無損的。幀差值算法就是一種典型的時間壓縮法，它通過比較本幀與相鄰幀之間的差異，僅記錄本幀與其相鄰幀的差值，這樣可以大大減少數(shù)據(jù)量。

1.2.3對稱性

對稱性是壓縮編碼的一個關鍵特征。對稱意味著壓縮和解壓縮占用相同的計算處理能力和時間，對稱算法適合于實時壓縮和傳送視頻，比如視頻會議應用就適合采用對稱的壓縮編碼算法。

在電子出版和其它多媒體應用中，一般是把視頻預先壓縮處理好，再播放，因此可以采用不對稱編碼。不對稱或非對稱意味著壓縮時需要花費大量的處理能力和時間，而解壓縮時則能較好地實時回放，也即以不同的速度進行壓縮和解壓縮。一般地說，壓縮一段視頻的時間比回放（解壓縮）該視頻的時間要多得多。例如，壓縮一段三分鐘的視頻片斷可能需要10多分鐘的時間，而該片斷實時回放時間只有三分鐘。

1.3國際數(shù)字視頻標準分析

近年來，視頻圖像編碼技術得到了迅速發(fā)展和廣泛利用，日臻成熟。一些國際組織也相繼制定了關于視頻圖像的編碼標準。例如ITU-T制定的H.26X系列標準、ISO/IEC制定的關于靜態(tài)圖像的編碼標準JPEG和JPEG2000以及活動圖像的編碼標準MPEG系列等。這些標準圖像的編碼算法融合了各種性能優(yōu)良的圖像編碼方法，代表了目前圖像編碼的發(fā)展水平。如表1所示，H.261、MPEG-1、和MPEG-2采用了第一代壓縮編碼方法，如：預測編碼、變換編碼、熵編碼以及運動補償。從MPEG-4標準以后，采用的是第二代視頻編碼方法，如分段編碼、基于模型的編碼和基于對象的編碼等。

其中，隨著多媒體應用領域的不斷擴展，傳統(tǒng)JPEG壓縮技術已無法滿足人們對多媒體影像資料的要求。JPEG中采用的算法靠丟棄頻率信息實現(xiàn)壓縮，因而圖像壓縮率越高，頻率信息丟棄的越多。在極端情況下，JPEG圖像只保留了反映圖像的基本信息，精細的圖像細節(jié)都損失了。為此，JPEG制定了新一代靜止圖像壓縮標準JPEG2000。JPEG2000放棄了JPEG所采用的以離散余弦變換（DCT）為主的區(qū)塊編碼方式，而采用以小波變換為主的多解析編碼方式，很好地保存了圖像信息中的相關性，達到了更好的壓縮編碼效果。JPEG具有高壓縮率且提供無損和有損兩種壓縮方式的特點，但應用并不廣泛，在圖像品質(zhì)要求比較高的醫(yī)學圖像的分析和處理中已經(jīng)有了一定程度的應用。

H.26X是ITU-T及其前身CCITT研究和制定的一系列視頻編碼的國際標準。其中，應用最廣泛的是H.261、H.263、H.264。H.261是世界上第一個得到廣泛承認、針對動態(tài)圖像的視頻壓縮標準，而且其后出現(xiàn)的MPEG系列、H.263等視頻壓縮標準都是以H.261為核心。H.263在H.261基礎上增加了一些功能，從而進一步改善了圖像質(zhì)量，提高了壓縮比。后來出現(xiàn)的H.26L的編碼效率比已有的其他視頻編碼標準有很大的提高。在相同PSNR下與H.263和MPEG4相比，H.263在低碼率時的輸出碼率平均節(jié)省分別約為40%和36%，在高碼率時的輸出碼率平均節(jié)省分別約為55%和45%，具有較高壓縮比，尤其適用于公眾交換電話網(wǎng)及無線/Internet網(wǎng)絡環(huán)境下的視頻傳輸。H.264是比MPEG和H.263性能更好的視頻壓縮編碼標準，不僅具有高壓縮比，而且在惡劣的網(wǎng)絡傳輸條件下，具有較高的抗誤碼性能，但是性能提高的同時，也增加了計算的復雜度。

MPEG-X是一組由IEC和ISO制定的視頻、音頻、數(shù)據(jù)的壓縮標準，已成為國際上影響最大的多媒體技術標準。MPEG-1最初用于數(shù)字信息存儲體上活動圖像及其伴音的編碼，其速率為15Mb/s。MPEG-X是一組由IEC和ISO制定的視頻、音頻、數(shù)據(jù)的壓縮標準，已成為國際上影響最大的多媒體技術標準。MPEG-1最初用于數(shù)字信息存儲體上活動圖像及其伴音的編碼，其速率為15Mb/s。MPEG-2是一個通用多媒體編碼標準，具有更廣闊應用范圍和更高的編碼質(zhì)量。由于性能出色，已能適應HDTV，使得MPEG-3被拋棄。它的另一特點是可提供一個范圍較廣的可變壓縮比，能夠適應不同的畫面質(zhì)量、存儲容量以及帶寬的要求。MPEG-4持多種多媒體應用，特別是多媒體信息基于內(nèi)容的檢索和訪問，可根據(jù)應用的不同要求現(xiàn)場配置解碼器。編碼系統(tǒng)也是開放的，可以隨時加入新的有效的算法模塊：它可以將各種多媒體技術充分利用進來，包括壓縮本身的一些工具、算法，也包括圖像合成、語音合成等技術。MPEG-4標準既可用于的高碼率的視頻壓縮編碼，又可用于低碼率的視頻壓縮編碼；既可用于傳統(tǒng)的矩形幀圖像，又可用于任意形狀的視頻對象壓縮編碼。

此外，近年來，本領域另一個研究熱點是聲像數(shù)據(jù)的基于內(nèi)容的檢索。實現(xiàn)這種基于內(nèi)容檢索的一個關鍵步驟是要定義一種描述聲像信息內(nèi)容的格式，而這與聲像信息的編碼又是密切相關的，MPFG-7就是這種壓縮編碼的代表性技術，其名稱叫做“多媒體內(nèi)容描述接口”，它為各種類型的多媒體信息規(guī)定一種標準化的描述，這種描述與多媒體信息的內(nèi)容本身一起，支持用戶對其感興趣的各種“資料”進行快速、有效地檢索。

盡管MPEG取得了種種成功，但在人們的信息交流中尚存有眾多的不便之處，如不同網(wǎng)絡之間的障礙、知識產(chǎn)權得不到有效保護等；不同的多媒體信息、網(wǎng)絡、設備、協(xié)議和標準、分布在不同的地點等都給用戶造成不能以統(tǒng)一的方式進行多媒體信息交互。如何通過一個綜合標準來對上述不便之處加以協(xié)調(diào)，使多媒體業(yè)務暢通無阻，這就是MPEG墨爾本會議提出的多媒體框架的概念，此即MPEG-21。MPEG-21標準的正式名稱為“多媒體框架”或者“數(shù)字視聽框架”，它致力于為多媒體傳輸和使用定義一個標準化的、可互操作的和高度自動化的開放框架，這個框架考慮到了DRM（Digital Rights Management，數(shù)字版權管理）的要求、對象化的多媒體接入以及使用不同的網(wǎng)絡和終端進行傳輸?shù)葐栴}，這種框架會在一種互操作的模式下為用戶提供更豐富的信息。MPEG-21的最終目標是要為多媒體信息的用戶提供透明而有效的電子交易和使用環(huán)境。任何與MPEG-21多媒體框架標準環(huán)境交互或使用MPEG-21數(shù)字項實體的個人或團體都可以被視為用戶。從純技術角度來看，MPEG-21對于“內(nèi)容供應商”和“消費者”沒有任何區(qū)別。

MPEG-21標準是新一代多媒體內(nèi)容描述標準，它吸收新技術，同時消除多媒體系統(tǒng)框架中的缺陷，使得由于不同的設備、體系結(jié)構(gòu)和標準造成隔閡被逐步消除。對于用戶而言，新的多媒體系統(tǒng)是一個與設備無關的、互動性強大的、高度智能化的、符合用戶各種不同需要的體系。

1.4我國視頻壓縮編碼的發(fā)展現(xiàn)狀

AVS標準是具有我國自主知識產(chǎn)權的編碼標準，是一套包含系統(tǒng)、視頻、音頻、媒體版權管理在內(nèi)的完整標準體系。其編碼效率比MPEG-2高2～3倍，與H，264相當，但其算法復雜度比H.264低30%，達到了新一代編碼標準的最高水平，主要面向高清晰度電視廣播和數(shù)字存儲媒體。

2013年6月，AVS視頻編碼標準已經(jīng)成為了IEEE標準，標準號為IEEE 1857。AVS標準的逐步完善與發(fā)展應用，成為了標志著我國在視頻壓縮編碼領域從跟蹤國際到自主創(chuàng)新再到國際推廣的里程碑。

1.5未來發(fā)展趨勢

目前，在視頻行業(yè)廣泛采用的壓縮和傳輸標準是2003年推出的H.264，在視頻編碼標準朝著高清晰度、低碼率的方向發(fā)展進程中，H.264占據(jù)著統(tǒng)帥的地位，但是，在未來的五到十年內(nèi)，H.265將會掀起引領超高清時代的潮流。H.265于2013年1月25日獲得了國際電聯(lián)的批準，H.265不僅在碼流、算法、編碼質(zhì)量上進行了改善及優(yōu)化，而且同時支持4K（4096×2160）和8K（8192×4320）超高清視頻。H265標準下的畫面效果更流暢、更高清，勢必會對整個視頻行業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)應用中以及視頻壓縮編碼技術上引起一場巨大的變革。

2.視頻文件格式

2.1多媒體視頻文件格式

目前視頻的數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)部的存儲格式眾多，其壓縮比、質(zhì)量和適用領域等各不相同，下面就此對其常用格式及發(fā)展進行介紹和分析。

2.1.1QuickTime（MOV）格式

MOV格式的英文全稱是Movie Digital Video Technology。MOV格式能夠跨平臺、存儲空間要求小，得到了業(yè)界的廣泛認可。QuickTime文件格式支持25位彩色，支持領先的集成壓縮技術，提供150多種視頻效果，并提供200多種MIDI兼容音響和設備的聲音裝置。該格式具有較高的壓縮比率和較完美的視頻清晰度，最大的特點是跨平臺性，目前已成為數(shù)字媒體軟件技術領域的事實上的工業(yè)標準。

2.1.2AVI格式

AVI的英文全稱是Audio Video Interleaved，叫做音頻視頻交錯，是由微軟公司開發(fā)的一種數(shù)字視頻文件格式。AVI是Windows操作系統(tǒng)上最基本的、最常用的一種媒體文件格式，支持256色和RLE壓縮，但壓縮標準不統(tǒng)一，不具有兼容性，體積龐大，用不同壓縮算法生成的AVI文件，必須使用相對應的解壓縮算法才能播放。它最大的優(yōu)點是調(diào)用方便、圖像質(zhì)量好；還可以根據(jù)不同的應用要求，隨意調(diào)整AVI的分辨率，而且對計算機的配置要求不高，可以先做成AVI格式的視頻，在轉(zhuǎn)換為其他格式。

2.1.3MPEG-2（DVD）

PAL制式的標準MPEG-2分辨率高達720X576。MPEG-2在編碼時使用了幀間壓縮和幀內(nèi)壓縮兩種方式，并且通過運動補償?shù)燃夹g來改善畫質(zhì)。從清晰度來看，MPEG-2幾乎是無可挑剔的，但是MPEG-2也并非十全十美。由于MPEG-2沒能在壓縮技術上有所突破，因此其數(shù)據(jù)量比MPEG-1大。此外，MPEG-2的壓縮數(shù)據(jù)的碼流比較特殊，各種編輯軟件無法隨機訪問，因此在進行非線性編輯時會導致素材搜索很遲緩。更為重要的是，MPEG-2過大的編解碼必須依賴強大的處理芯片。

2.1.4DivX和XviD格式

MPEG在開始的時候建立了4個版本：MPEG-1-MPEG-4，分別適應于不同的帶寬和數(shù)字影像質(zhì)量的要求。DivX和XviD就是一種MPEG-4編碼格式，只不過舊版的MPEG-4編碼不允許在AVI文件格式上使用，才會有DivX和XviD編碼格式的出現(xiàn)。不過現(xiàn)在國內(nèi)外稱呼的DivX和XviD是MPEG/MP3影片，即影像部分以MPEG-4格式壓縮，Audio部分以MP3格式壓縮組合而成的AVI影片。它的好處是生成的文件體積小，約為同樣播放時間的DVD的1/5到1/10，但是聲音及影像的品質(zhì)都相當不錯，當然比DVD還是差一點，但比起VCD要好很多，也就是說，DivX和XviD只要一張光盤就可以放下一個90分鐘的電影，而且清晰度要比兩張光盤的VCD好許多。在視頻采集時，DivX和XviD編碼對于系統(tǒng)性能的要求并不高，數(shù)據(jù)量的降低可以明顯減輕CPU與磁盤系統(tǒng)的負擔。

2.1.5 RM（Real Media）格式

Real Media是Real Networks公司所制定的音頻視頻壓縮規(guī)范，包含RealAudio（.ra，聲音文件）、RealVideo（.rm，視頻文件）和Real Flash（.ram，矢量動畫）三類文件。Real Media可以根據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率的不同制定不同的壓縮比，實現(xiàn)在低速率的廣域網(wǎng)上進行彩像數(shù)據(jù)的實時傳送和實時播放。

2.1.6FLV格式

FLV全稱為Flash video，是在Sorenson公司的壓縮算法的基礎上開發(fā)出來的。FLV格式不僅可以輕松地導入Flash中，速度極快，并且能起到保護版權的作用。由于它形成的文件極小、加載速度極快，使得網(wǎng)絡觀看視頻文件成為可能，它的出現(xiàn)有效地解決了視頻文件導入flash后，使導出的SWF文件體積龐大，不能在網(wǎng)絡上很好地使用等缺點，是目前增長最快、最為廣泛的視頻傳播格式。目前各在線視頻網(wǎng)站均采用此視頻格式。

2.2媒體格式的發(fā)展分析

影響多媒體文件格式發(fā)展的因素有很多，歸納起來主要有應用和技術兩個方面?？偟膩碇v，一種格式有存在的必要，必須有一定的應用范圍，而壓縮、解壓縮等技術的發(fā)展必將促使新格式的產(chǎn)生。

影像視頻的發(fā)展必將淘汰傳統(tǒng)的影響視頻格式。隨著視頻壓縮技術和視頻編輯處理技術的不斷創(chuàng)新和改進，傳統(tǒng)的影像視頻（如AVI和MPEG-1格式等）一般體積較大且清晰度較差，因此這些格式必將被體積小數(shù)倍，而且具有超高清晰度的新視頻格式所代替。另外，隨著移動通信的不斷發(fā)展，市場需求和技術進步共同推動移動視頻業(yè)務發(fā)展的同時，必將極大地推動視頻技術的發(fā)展，對于視頻文件格式的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。

隨著多媒體技術的迅速發(fā)展、各種壓縮算法在該領域的應用，對目前存在的各種文件格式很難準確評價孰優(yōu)孰劣，從壓縮率、質(zhì)量而言，每一種格式都有其優(yōu)缺點，而且都被大批軟件所支持，占有一定的應用領域。因此，在一定時期內(nèi)，多種文件格式共存的局面不會改變，但隨著時間的推移，應用的發(fā)展和技術的革新，將不斷涌現(xiàn)新的、先進的格式，淘汰落后的格式。

3.計算機動畫

3.1計算機動畫的原理與分類

計算機動畫是采用連續(xù)播放靜止圖像的方法產(chǎn)生物體運動的效果，利用計算機生成一系列可供實時演播的畫面的技術。它可輔助傳統(tǒng)卡通動畫片的制作，也可通過對三維空間中虛擬攝象機、光源及物體運動和變化（形狀、色彩等）的描述，逼真地模擬客觀世界中真實的或虛構(gòu)的三維場景隨時間而演變的過程。所生成的一系列畫面可在顯示屏上動態(tài)演示，也可將它們記錄在電影膠片上或轉(zhuǎn)換成視頻信息輸出到錄像帶上。計算機動畫由于采用數(shù)字處理方式，動畫的運動效果、

畫面色調(diào)、紋理、光影效果等可以不斷改變，輸出方式也多種多樣。計算機動畫分為四類。

實時動畫：采用各種算法來實現(xiàn)運動物體的運動控制或指可直接在顯示屏幕上實時顯示動畫圖像。

逐幀動畫：記錄下每一幀畫面，然后按顯示動畫的圖象序列一幀一幀播放而實現(xiàn)運動的效果。

三維動畫：畫中的景物有正面、側(cè)面和反面，調(diào)整三維空間的視點，能夠看到不同的內(nèi)容。

二維動畫：平面上的畫面，由紙張、照片或計算機屏幕顯示。

在屏幕上實現(xiàn)動畫有三種方式：（1）位置不動形態(tài)變化。（2）形態(tài)不變位置變化。（3）位置和形態(tài)均變化。

計算機動畫的主要研究內(nèi)容包括：①動畫形體造型技術；②動畫運動控制和描述；③動畫圖象繪制技術和算法；④動態(tài)模擬、動畫系統(tǒng)的集成環(huán)境；⑤關節(jié)體、人體動畫；⑥動畫語言與系統(tǒng)；⑦用于動畫運動控制和生成的專門硬件設備及接口；⑧特殊視覺效果生成技術。

3.2計算機動畫技術

計算機動畫的研究始于20世紀60年代初。1963年美國AT&TBell實驗室制作了第一部計算機動畫片。在80年代之前，計算機動畫主要集中于二維動畫系統(tǒng)的研制，應用于教學演示和輔助傳統(tǒng)的動畫片制作。

三維動畫的研究始于70年代初，當時開發(fā)了一些三維計算機動畫系統(tǒng)。直至80年代中后期，由于具有實時處理能力的超級圖形工作站的出現(xiàn)，三維幾何造型技術和真實感圖形生成技術取得很大進展，促進了具有高度逼真效果的三維計算機動畫技術迅速發(fā)展，并達到實用商品化地步。到90年代初，計算機動畫技術應用于電影特技取得了顯著成就。

與此同時，為適應科學研究與復雜系統(tǒng)中的動態(tài)模擬、視覺模擬、機器人學和生物力學等領域的需求，基于物理的造型和動畫的研究的開展，已成為計算機動畫研究中的一個重要課題。

人體動畫是近年來發(fā)展起來的計算機動畫新課題。它是研究開發(fā)基于人造角色的集成動畫系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生涉及人造角色在三維場景中具有人的自覺意識的行為動畫，這樣的系統(tǒng)是以多種學科的知識、技術和方法為基礎的，如動畫、力學、機器人學、生物學、心理學和人工智能等?，F(xiàn)在的Poser就是著名的MetaCreations公司生產(chǎn)的具有特色的人體建模三維動畫制作軟件。

目前，主流的計算機動畫技術包括：

（1）參數(shù)關鍵幀技術：關鍵幀技術最初僅僅用來插值幀與幀之間卡通畫的形狀，后來該技術馬上發(fā)展成為可以用來插值影響運動的任何參數(shù)（例如，一個物體的平移、比例變換、旋轉(zhuǎn)、材料、紋理、形狀、可見性參數(shù)等都可作為關鍵幀參數(shù)，另外，攝象機和燈光的大部分參數(shù)也可作為關鍵幀參數(shù)）。

（2）軌跡驅(qū)動技術：指先設計好物體的運動軌跡，然后指定物體沿該軌跡運動。通常，物體的運動軌跡為三次樣條曲線（也稱為樣條驅(qū)動），并且由用戶交互給出。

（3）變形動畫技術：為了制作一種形態(tài)變形的動畫，即將物體外觀上發(fā)生變化的過程記錄下來，生成一個形態(tài)連續(xù)變化的動畫序列。

（4）關節(jié)動畫技術：它的主要目的是模擬骨架動物（尤其是人體）的運動。

（5）過程動畫技術：指物體的運動或變形可由一個過程來描述。最簡單的過程動畫是用一個數(shù)學模型去控制物體的幾何形狀和運動，較復雜的過程動畫則是包括物體的變形、彈性理論、動力學、碰撞檢測在內(nèi)的物體的復雜運動。

（6）基于物理的動畫技術：一種具有潛在優(yōu)勢的三維造型和運動模擬技術。盡管該技術比傳統(tǒng)動畫技術的計算復雜度要高得多，但它能逼真地模擬各種自然物理現(xiàn)象，這是基于幾何的傳統(tǒng)動畫生成技術所無法比擬的。

3.3計算機動畫的未來發(fā)展趨勢

從國際上看，計算機動畫技術的發(fā)展正在趨向于規(guī)模化、標準化、網(wǎng)絡化。

從技術的發(fā)展方向看，體視動畫會是未來的熱點。目前人們正在研究降低立體眼鏡的成本、提高圖像質(zhì)量的方法和有關的替代技術，未來我們很可能不用立體眼鏡的幫助也能欣賞逼真的立體效果。另一個熱點會是虛擬現(xiàn)實（vR）技術，與一般的動畫相比，VR的特點在于實時、交互。VR中的場景會隨參觀者的位置、視點變化而實時動態(tài)生成，并具有人機交互的能力，這種技術在未來將大有可為。

今后的幾年，還可以繼續(xù)從以下幾個方面研究和發(fā)展：

1、新造型技術的設計。盡管造型技術在CAD和CAGD中得到了廣泛的研究，但計算機動畫對傳統(tǒng)的實體、曲面造型提出了一些新的要求。這導致許多針對動畫應用而設計的造型技術。

1）Catmull-Clark細分曲面的造型和動畫研究。由Catmull和Clark提出的根據(jù)任意拓撲控制網(wǎng)格生成B樣條曲面的細分曲面方法近幾年來在計算機動畫中越來越受到人們的重視。在AliasIWavefront公司的動畫軟件Maya中，基于Catmull-Clark細分曲面的造型和動畫已經(jīng)成為其重要手段。

2）隱式曲面的造型和動畫研究。隱式曲面是圓球的更一般形式，它在表現(xiàn)人體的肌肉、水滴、云、樹等物體的造型和動畫方面有很大的優(yōu)勢。該研究方向近年來逐漸為人們研究的熱點，歐洲圖形學學會專門設立了相應的Implicit Surface學術會議。

2、運動捕獲動畫數(shù)據(jù)的處理。運動捕獲技術在電影《泰坦尼克》中取得了非常大的成功，該片中乘客從船上落入水中的許多驚險鏡頭都是由動畫特技來完成的。實際上，運動捕獲已成為現(xiàn)代高科技電影不可缺少的工具。怎樣把運動捕獲動畫數(shù)據(jù)重用和重置目標值得進一步的研究。

3、三維Morphing和變形研究。二維圖象的Morphing雖然已經(jīng)比較成熟，但三維Morphing方法尚存在各種各樣的缺陷，具有任意拓撲的兩三維物體之間的Morphing技術還有待于進一步的發(fā)展。基于約束的變形也是值得研究的方向。

4.數(shù)字視頻的其他技術

4.1數(shù)字電視技術

數(shù)字電視是數(shù)字技術的產(chǎn)物，它將電視信號進行數(shù)字化，然后以數(shù)字形式進行編輯、制作、傳輸、接收和播放。

數(shù)字電視除了具有頻道利用率高、圖像清晰度好等特點之外，它還可以開展交互式數(shù)據(jù)業(yè)務，包括電視購物、電視銀行、電視商務、電視通信、電視游戲、實時點播電視、電視網(wǎng)上游覽、觀眾參與的電視競賽等。

目前，數(shù)字電視已成功地應用于衛(wèi)星直播，有線電視也在向數(shù)字方式過渡。整個電視傳播業(yè)已進人了從模擬式向數(shù)字式過渡的時代。整個數(shù)字電視系統(tǒng)由信源編碼、業(yè)務復用和信道傳輸與發(fā)送三個部分構(gòu)成。美國的DTV、歐洲的DVB和日本的ISDB這幾種標準，信源編碼中視頻都采用MPEG-2標準，音頻采用MPEG-2或Dolby AC-3；業(yè)務復用采用的都是MPEG-2系統(tǒng)層規(guī)范或其擴展形式，它們的主要差別在于信道及發(fā)送部分。

數(shù)字電視的傳輸途徑是多種多樣的，因特網(wǎng)性能的不斷提高也將使其成為數(shù)字電視傳播的一種新媒介。圖1是數(shù)字電視傳播系統(tǒng)的示意圖。數(shù)字電視接收機（簡稱DTV接收機）大體有三種形式：一種是傳統(tǒng)模擬電視接收機的換代產(chǎn)品――數(shù)字電視接收機，另一種是傳統(tǒng)模擬電視機外加一個數(shù)字機頂盒，第三種是可以接收數(shù)字電視的PC機。

4.2點播電視（VOD）技術

VOD（Video On Demand）是視頻點播（也稱為點播電視）技術的簡稱，意即用戶可以根據(jù)自己的需要收看電視節(jié)目。VOD技術從根本上改變了用戶過去被動收看電視的不足。

視頻點播系統(tǒng)可分為TVOD（True VOD）和NVOD（Near VOD）兩種。在TVOD（真視頻點播）環(huán)境下，用戶提出要求后即可及時從VOD系統(tǒng)得到服務，這種系統(tǒng)為每一個用戶提供一個單獨的連接，每個連接需要占用一定的網(wǎng)絡帶寬；NVOD（準視頻點播）是視頻點播的另一種實現(xiàn)方案。采用這種方案，系統(tǒng)可每隔一段時間（例如10分鐘）在不同的頻道上開始播放同一個節(jié)目，用戶可以選擇收看。如果用戶需要“倒退”功能，可以切換到比他當前頻道晚10分鐘播放的頻道，需要“快進”功能，可切換到比當前頻道早10分鐘的頻道。顯然，這種方式不能為用戶及時提供點播服務功能，但減少了用戶連接數(shù)目，節(jié)省了網(wǎng)絡帶寬與費用，服務器的性能要求也可適當降低。

視頻點播是基于數(shù)字網(wǎng)絡的一種數(shù)字視頻服務。網(wǎng)絡中的音頻視頻數(shù)據(jù)必須以實時數(shù)據(jù)流的形式進行傳輸，傳輸一旦開始，就必須以穩(wěn)定的速率進行，以保證節(jié)目平滑地播放。任何由于網(wǎng)絡擁塞，CPU爭用或磁盤的I/O瓶頸產(chǎn)生的系統(tǒng)或網(wǎng)絡的停滯，都可能導致視頻傳送的延遲，影響用戶的收看。因此，大型視頻點播系統(tǒng)在技術上是有相當難度的。

視頻點播系統(tǒng)的工作過程如下：用戶在客戶端啟動播放請求，通過網(wǎng)絡傳送給分配服務器，經(jīng)驗證后，系統(tǒng)把視頻服務器中可訪問的節(jié)目單發(fā)送給用戶瀏覽，用戶選擇節(jié)目后，視頻服務器讀出節(jié)目的內(nèi)容，并傳送到客戶端進行播放。

4.3可視電話與視頻會議技術

可視電話：通話雙方能互相看見的一種電話系統(tǒng)，電話機具有攝像、顯示、聲音等功能，內(nèi)置高質(zhì)量CCD鏡頭及MODEM。其應用之一就是視頻會議，

視頻會議：多人同時參與的一種音/視頻通信系統(tǒng)類似于可視電話，但多人參加通話，提供的功能也更加豐富。

兩種實施方式：（1）在電信局的數(shù)字通信網(wǎng)上進行；（2）在互聯(lián)網(wǎng)上進行，例如使用下列即時通信軟件：微軟的MSN Messenger，騰迅的QQ，網(wǎng)易的POPO，新浪的UC等。