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【基金项目】2010 年吉林省科技发展计划“落叶松人工病虫害可持续防治技术研究”（项目号：20100252）
【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
【Abstract】
This article takes an example of construct digital model of the bark beetle, Ips typographus L. Observing specimen at the pre-production; Hand-drawing sketches on the whole; observing local details by using electronic microscope; generating the local detail pictures; using this pictures and some software to model the whole body and generate details piece by piece, then put together of each parts to construct digital model of Ips typographus L..
【Keywords】
three dimensional virtual insect data model; High-ploy animated model of insect;
0 引言
图3058
智能应用
Intelligence Application
电子制作
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。
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