三維建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用研究

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1、-1043450 大慶石袖學(xué)院 ■ ‘ . 論文題目 碩‘士生 指導(dǎo)教師 碩士研無(wú)生學(xué)位論文 蕓維建.爆g凌ffi虛擬現(xiàn)寒中.的虛用研究. ：；…1 一…丄藶々…―卜::■………… ■■” ■李從 2007年-3月12 ；曰 Research to the 3D Modeling Applied in Virtual Reality Abstract In recent years. Virtual Reality (VR) Technology has been paid extensive attention in computer field.

2、Virtual Reality Technology is an important direction of the high-tech developments in the twenty-first century. 3D modeling technology is the most important part and one of the key technologies of virtual reality. 3D modeling technology is the foundation of the VR system and the key step and technol

3、ogy of all the applications. Based on the fundamental of the computer graphics，some theory of the computer graphics that related with the paper are introduced‘ It includes basic content of the computer graphics, graphics transformation technology and sense of reality graphics technology. Based on t

4、his, it introduces virtual reality-oriented modeling technology. VituaJ Reality modeJmg technology trait, main technology target, basic content, implementation manner and key technology are introduced in virtual reality-oriented modeling technology. These lay solid theory foundation for upper applic

5、ation study of the system. Take Combination Station Scene t the basis of three-dimensional scene construction flow，from data collection and pretreatment, scene construction method, scene integration and schedule management aspects, three-dimensional virtual scene construction process and method are

6、introduced. Based on this，3D modeling optimization method is studied. Ft includes 3D modeling optimization flow, structure optimization, model optimization and hierarchy simplification algorithm based on k dop. This is one of the innovation points, modeling optimization run through whole modeling pr

7、ocess. In the last course of the analysis and study, from system analysis and design，system three-dimensional virtual scene constuction, database technology, scene representation art and three-dimensional object movement simulation aspects, application implementation based on 3D modeling technology

8、in the combination station system is discribed. Based on implementation, familiar question in system modeling and solutions are discussed, system three-dimensional model rapid display technology is summarized and modeling optimization algorithm compare analysis is discussed. Key words: Virtual Re

9、ality; 3D modeling technology; modeling flow; structure optimization; optimization method III 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人所呈交的學(xué)位論文是我在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成 果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個(gè)人巳經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě) 過(guò)的研究成果.對(duì)本文的研究敎出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說(shuō)明并 表示謝意. 作者簽名：m 日期：、各。 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本人完全了解大慶石油學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論 文并向國(guó)家主贊部

10、門(mén)或其指定機(jī)構(gòu)送交論文的電子版和紙質(zhì)版.有權(quán)將學(xué)位論文用于非 贏利目的的少量復(fù)制并允許論文進(jìn)入學(xué)校圖書(shū)館被查閱.有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有 關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索.有權(quán)將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要iC編出版.保密的學(xué)位論文在解密后 適用本規(guī)定。 學(xué)位論文作者簽名：級(jí)鐸 曰期：yffl’lf> 創(chuàng)新點(diǎn)摘要 本文是對(duì)三維建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用研究，根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)，重在研究三維建模 技術(shù)的靈活應(yīng)用，通過(guò)實(shí)踐，在以下兩個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新： 1、建模流程的改進(jìn)。傳統(tǒng)建模流程主要是在模型優(yōu)化階段對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，雖然已經(jīng)取得了很好 的應(yīng)用效果，但仍存在一些問(wèn)題：（I)如果建模前分塊不合理，那么

11、在模型優(yōu)化和場(chǎng)景優(yōu)化階段就會(huì)多 花費(fèi)時(shí)間；（2)如果模型優(yōu)化時(shí)有對(duì)紋理的需求，如對(duì)簡(jiǎn)單分量紋理的需求，那么在系統(tǒng)外處理紋理就 需要時(shí)間。針對(duì)傳統(tǒng)建模流程由于優(yōu)化而存在延時(shí)的情況，提出了過(guò)程優(yōu)化的建模流程，即在建模過(guò) 程中從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、紋理優(yōu)化、模型優(yōu)化、場(chǎng)景優(yōu)化等方面進(jìn)行整個(gè)建模過(guò)程的優(yōu)化。在過(guò)程優(yōu)化環(huán)節(jié) 中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是前提條件，紋理優(yōu)化是(可選的)必備環(huán)節(jié)，模型優(yōu)化是主體部分，場(chǎng)景優(yōu)化是集成優(yōu) 化。 2、算法創(chuàng)新。提出基于1^(10口的層次簡(jiǎn)化算法，對(duì)區(qū)域內(nèi)模型進(jìn)行優(yōu)化。傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化箅法是基于 模型的簡(jiǎn)化算法，針對(duì)當(dāng)前大規(guī)模場(chǎng)景、復(fù)雜模型的實(shí)時(shí)系統(tǒng),雖然在模型優(yōu)化階段取得了很好的效 果，但這卻

12、以犧牲整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性為代價(jià)的，因?yàn)閱蝹€(gè)模型分別簡(jiǎn)化所耗費(fèi)的時(shí)間很多，模型間優(yōu) 化的時(shí)間間隔較多?；谶^(guò)程優(yōu)化的思想.提出了基于k_dop的層次簡(jiǎn)化算法。它屬于基于區(qū)域的簡(jiǎn) 化方法，區(qū)別于傳統(tǒng)基于模型的優(yōu)化算法，讓簡(jiǎn)化算法貫穿在整個(gè)E域建模過(guò)程中。算法存在三個(gè)關(guān) 鍵點(diǎn)：（1)區(qū)域劃分原則和方法：（2)模型簡(jiǎn)化算法的選擇；（3)區(qū)域合并算法的選擇。 III 人慶石油學(xué)院fil!丨：研究生學(xué)位論文 引言 虛擬現(xiàn)實(shí)是近年來(lái)十分活躍的技術(shù)研究領(lǐng)域。它依托于計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、 聲學(xué)、光學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)乃至美學(xué)和社會(huì)學(xué)等多種學(xué)科，是一系列高新技術(shù)的匯集， 包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識(shí)

13、別、智能接口技術(shù)、人工智能、多傳感器技術(shù)以 及高度并行的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)，還包括人的行為學(xué)研究等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[III2】。目前，其應(yīng) 用已廣泛涉及軍事、教育培訓(xùn)、工程設(shè)計(jì)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、影視、藝術(shù)、娛樂(lè)等眾多領(lǐng)域， 并帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益〖3】。 1965年，有VR先鋒之稱(chēng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)創(chuàng)始人Ivan Sutherland.在IFIpl4〗會(huì)議上 的篇名為《終極的顯示》（The Ultimate Disp丨ay)的論文中首次提出了包括具有交互圖形 顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式幵始了對(duì) 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究探索歷程。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)R趨走向成熟，

14、20 世紀(jì)90年代至今是虛擬現(xiàn)實(shí)全面發(fā)展的階段，在軟件和硬件方面都得到了廣泛的發(fā)展。 .在國(guó)外，美國(guó)、歐洲和日本在此方向起步較早，并有很多先進(jìn)性的成果；我國(guó)起步 較晚’但是也引起了我國(guó)政府和學(xué)術(shù)界的高度重視，主要的科研機(jī)構(gòu)都對(duì)三維建模技術(shù) 進(jìn)行了研究并有所成就。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀可參考文獻(xiàn)[3?8]。 ‘ 虛擬現(xiàn)實(shí)有四個(gè)最主要的特征，即沉浸感(丨mmersion)、交互性(Interaction)、構(gòu)想性 (Imagination)和多感知性(Multi-Sensory)。虛擬現(xiàn)實(shí)最本質(zhì)的特征是用戶(hù)在虛擬場(chǎng)景的沉 浸。根據(jù)用戶(hù)參與虛擬現(xiàn)實(shí)的不同形式以及沉浸的程度不同，各種類(lèi)型的虛擬現(xiàn)實(shí)技

15、術(shù) 劃分四類(lèi)：桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：CAVE系統(tǒng)；分布式虛擬現(xiàn)實(shí) 系統(tǒng)。其中，桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是利用個(gè)人計(jì)算機(jī)或低級(jí)工作站實(shí)現(xiàn)虛擬仿真。在這 種虛擬現(xiàn)實(shí)當(dāng)中用戶(hù)并沒(méi)有完全投入，所以還是會(huì)受外界的干擾，是一種初級(jí)的虛擬狀 態(tài)，沉浸程度也不是很高。這種虛擬現(xiàn)實(shí)由于沒(méi)有昂貴的硬件和軟件支持，投入不是很 高，所以應(yīng)用較為廣泛。目前在實(shí)際應(yīng)用取得較好效果的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)基本都屬于此類(lèi) 系統(tǒng)。本文所開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)"聯(lián)合站仿真操作與演練系統(tǒng)”就屬于此類(lèi)。 三維建模技術(shù)是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，是所有應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵的步驟和 技術(shù)，是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的靈魂。它的研究有助于提高虛

16、擬環(huán)境的真實(shí)感、實(shí)時(shí)交互 的速度和實(shí)際交互的可操作程度，使用戶(hù)真正地“身臨其境”。因?yàn)槿怂惺艿降拇蟛?分信息是通過(guò)視覺(jué)獲取的，而且在真實(shí)的世界里，人感受到的是三維信息。所以三維建 模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中就處于非常核心和基礎(chǔ)的地位，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所必須的，是 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的底層。而且虛擬現(xiàn)實(shí)世界是人可參與并與之交互的世界。模型準(zhǔn)確度的 高低，模擬場(chǎng)景的真實(shí)與否’往往直接關(guān)系到應(yīng)用實(shí)例的成敗。虛擬現(xiàn)實(shí)建模主要有兩 種，三維視覺(jué)建模和三維聽(tīng)覺(jué)建模。本文討論的是三維視覺(jué)建模技術(shù)。 傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究是基于Mu丨tiGen Creator及其相關(guān)的幵發(fā)平臺(tái)(如 人慶石油學(xué)院袖丨?研究生?

17、-釘i論文 OpenGVS)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它能很好地實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的真實(shí)感、實(shí)時(shí)性和交互性。它優(yōu) 秀的層次建模架構(gòu)、強(qiáng)大的建模功能和精簡(jiǎn)的、直觀的交互能力是其優(yōu)點(diǎn)所在，存在的 缺點(diǎn)是模型相對(duì)缺乏立體感,虛擬場(chǎng)景局部缺乏真實(shí)感。本文給出的基于3dsmax/Virtools 的三維建模技術(shù)的應(yīng)用研究就解決了這個(gè)問(wèn)題。文中明確給出了 3dsniax中的層次建模 構(gòu)架，以便進(jìn)行層次建模，進(jìn)而糾正以前對(duì)此問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不足。 本文以聯(lián)合站仿真操作與演練系統(tǒng)的課題研究為背景，研究了虛擬現(xiàn)實(shí)建模的理論 和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)建模流程模型間存在優(yōu)化延遲進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)效果差的問(wèn) 題，給出了改進(jìn)的建模流程，其主

18、要思想是將建模優(yōu)化貫穿于整個(gè)建模過(guò)程中，這是本 文的創(chuàng)新點(diǎn)之一，在此基礎(chǔ)上，探討了基于Msmax/Virtools開(kāi)發(fā)平臺(tái)的桌面型虛擬現(xiàn)實(shí) 系統(tǒng)(以聯(lián)合站仿真操作與演練系統(tǒng)為例)的三維虛擬場(chǎng)景構(gòu)建過(guò)程，介紹了實(shí)時(shí)性、真 實(shí)感要求高的大規(guī)模復(fù)雜場(chǎng)景的虛擬建模實(shí)現(xiàn)的建模流程、方法和關(guān)鍵技術(shù)。并對(duì)三維 建模優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，給出了三維建模優(yōu)化流程，介紹了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模型優(yōu)化的方 法并對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，提出了基于k_dop的層次簡(jiǎn)化算法，這是本文的又一創(chuàng) 新點(diǎn)。在課題研究的基礎(chǔ)上，獲得聯(lián)合站虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法的同時(shí)，在解決實(shí)時(shí) 性和真實(shí)感矛盾的問(wèn)題上，采用改進(jìn)的三維建摸流程和基于k_dop的

19、層次簡(jiǎn)化算法，實(shí) 現(xiàn)了三維虛擬場(chǎng)景的建模優(yōu)化，有效而顯著地提高了系統(tǒng)道染和實(shí)時(shí)響應(yīng)的速度。 第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論與技術(shù) 1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容 虛擬環(huán)境中的建模是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)。為了給用戶(hù)創(chuàng)建一個(gè)能使他感 受到身臨其境、逼真的環(huán)境，必要條件之一就是創(chuàng)建一個(gè)逼真的虛擬場(chǎng)景。因?yàn)槿怂?受到的大部分信息是通過(guò)視覺(jué)獲取的，而且在真實(shí)的世界里，人感受到的是三維信息。 所以三維建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中就處于非常核心和基礎(chǔ)的地位，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所 必須的，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的底層。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(Computer Graphics)是虛擬現(xiàn)實(shí)的奠基石，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中被研究

20、的最多的，也是最重要的研究方向之一就是建模技術(shù)。建模技術(shù)的內(nèi)容十分廣泛，不僅 涉及數(shù)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，同時(shí)，還涉及機(jī)器人學(xué)、機(jī)械工程學(xué)和生物機(jī) 械學(xué)等應(yīng)用學(xué)科。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是近三十年來(lái)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛的新興學(xué)科，它主要研究怎樣用數(shù) 字計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示圖形。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容有造型技術(shù)、真實(shí) 感圖形生成及人機(jī)交互技術(shù)等三部分丨91。要在計(jì)算機(jī)屏幕上生成三維物體的一幅圖像， 首先必須在計(jì)算機(jī)中建立該物體的模型。構(gòu)造這一模型的技術(shù)稱(chēng)為造型技術(shù)，包括形體 的表示、構(gòu)造及運(yùn)算。最常用的是幾何造型，即由一組幾何數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系來(lái)表 示所要顯示的形體，一般是規(guī)則形體。

21、 有了三維物體的模型，就需要應(yīng)用真實(shí)感圖形生成技術(shù)將該模型以二維圖像的形式 顯示在屏幕上，主要包括：（1)消隱技術(shù)，即消除那些由當(dāng)前的觀察點(diǎn)看不到的那一部分 物體，從而產(chǎn)生層次感：（2)建立或選用適當(dāng)?shù)墓庹漳Ｐ?，盡可能準(zhǔn)確地模擬物體在現(xiàn)實(shí) 世界中受到各種光源照射時(shí)的效果，如漫反射、鏡面反射及透射等：（3)紋理生成技術(shù)， 即在物體表面產(chǎn)生幾何紋理或顏色紋理。一般來(lái)說(shuō)，生成二、三維圖形的逼真度越高， 所需的計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。因此，如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型真實(shí)感圖形的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示就成為計(jì)算 機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域內(nèi)多年來(lái)的追求目標(biāo)和研究熱點(diǎn)。除了不斷提高計(jì)算機(jī)硬件的運(yùn)算速度及 圖形軟件的效率以外，并行計(jì)算是一個(gè)重要手段

22、。 自然界的許多物體很難或者根本無(wú)法用規(guī)則形體進(jìn)行表達(dá)，如山脈、雜草、云彩、 波浪、濃霧等。如何逼真地生成這些復(fù)雜的自然物體和現(xiàn)象并以圖形方式真實(shí)地繪制出 來(lái)，這也是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的主要內(nèi)容之一。有時(shí)為了藝術(shù)和美學(xué)的需要，甚至可以 創(chuàng)造出自然界中根本不存在的物體、場(chǎng)景和現(xiàn)象。 1.2圖形變換技術(shù) 將計(jì)算機(jī)生成的圖形進(jìn)行變換的技術(shù)，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究中的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。通 過(guò)變換可以從簡(jiǎn)單圖形得到復(fù)雜圖形；可用二維圖形表示三維圖形；可以從某一個(gè)圖形 得到多個(gè)其它圖形，甚至對(duì)靜態(tài)圖形經(jīng)過(guò)快速變換而獲得圖形的動(dòng)態(tài)顯示效果。從廣義 上講，圖形變換包括窗口視區(qū)變換、圖形幾何變換、圖形投影變換、觀察

23、變換及圖形剪 裁。圖形變換的核心問(wèn)題是坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。其中，窗口視區(qū)變換是用戶(hù)空間與設(shè)備空間坐 標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換；圖形幾何變換是由圖形的一個(gè)幾何位置或形狀到另一幾何位置或形狀的 轉(zhuǎn)換；由三維空間到二維平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換是圖形投影變換的內(nèi)容；觀察變換則是由一個(gè) 空間到另一空間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題；圖形剪裁是計(jì)箅出感興趣的特定范圍內(nèi)的圖形坐標(biāo)問(wèn) 題。 1.2.1窗口視區(qū)變換 (1) 用戶(hù)域和窗口區(qū) 用戶(hù)域是指程序員用來(lái)定義草圖的整個(gè)自然空間(WD)。人們所要描述的圖形均在 WD中進(jìn)行定義。用戶(hù)域是一個(gè)實(shí)數(shù)域，理論上說(shuō)WD是連續(xù)無(wú)限的。 通常把用戶(hù)指定的任一區(qū)域(W)叫做窗口。窗口區(qū)W小于或等于用戶(hù)域WD,任

24、何 小于WD的窗口都叫WD的一個(gè)子域。窗口區(qū)通常是矩形域，可以用其左下角和右上 角坐標(biāo)來(lái)表示，也可給定其左下角坐標(biāo)及矩形的長(zhǎng)、寬來(lái)表示： (2) 屏幕域和視圖區(qū) 屏幕域是設(shè)備輸出圖形的最大區(qū)域，是有限的整數(shù)域。如某圖形顯示器有1024*1024 個(gè)可編地址的光點(diǎn)(像素)，則屏幕域DC可定義為： DCe[0:1023]X[0:I023] 任何小于或等于屏幕域的區(qū)域都稱(chēng)為視圖區(qū)。視圖區(qū)可由用戶(hù)在屏幕域中用設(shè)備坐 標(biāo)來(lái)定義，用戶(hù)選擇的窗口域內(nèi)的圖形要在視圖區(qū)顯示，也必須由程序轉(zhuǎn)換成設(shè)備坐標(biāo) 系下的坐標(biāo)值。視圖區(qū)一般定義成矩形，由左下角坐標(biāo)和右上角坐標(biāo)來(lái)定義；或用左下 角坐標(biāo)及視圖區(qū)的X、y方向

25、上邊框長(zhǎng)度來(lái)定義。視圖區(qū)可以嵌套，嵌套的層次由圖形 處理軟件規(guī)定。相應(yīng)于圖形和多邊形窗口，用戶(hù)也可以定義圓形和多邊形視圖區(qū)，分別 作不同的應(yīng)用。 (3) 窗口區(qū)和視圖區(qū)的坐標(biāo)變換 為了全部、如實(shí)地在視圖區(qū)中顯示出窗口內(nèi)描述的物體的圖形，必須找出窗口和視 圖區(qū)之間的坐標(biāo)映射關(guān)系。設(shè)矩形窗口左下角坐標(biāo)為右上角坐標(biāo)為(wahv),矩 形視圖區(qū)內(nèi)相應(yīng)的坐標(biāo)分別為(rV/，/v2)和(iv3，fv辦如圖1-1所示。 窗口中的點(diǎn)(Jt JO與視圖區(qū)中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)(iic辦)存在如下關(guān)系- 第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論^^-技術(shù) ix - /v_ x-w^ W3-冰1 (1-1) iy-iv^ iv^

26、 -/Vj 由(1-1)式得: (1-2) ix = /v] + (jtr _ 、sx 縮放因子為- W3 iv. sy ■■ (1-3) 從式(1-2)可以看出從窗口到視口的變換按下列次序進(jìn)行：1)以點(diǎn)；，>1^》為中心執(zhí)行 將窗口變換成視區(qū)的大小。2)將縮放之后的窗口移動(dòng)到視區(qū)位置。 如果縮放因子砂)，物體保持相似性。否則窗口區(qū)的物體在輸出設(shè)備上顯示時(shí)將 在;c或>> 方向拉伸或壓縮。 i L ? ? iixjy) H 1- iV2 IVl W4- (x,y) W2- r

27、vj -1將窗口中(xjO映射到視口中(/X辦） 2.2圖形幾何變換 圖形變換一般是指對(duì)圖形的幾何信息經(jīng)過(guò)幾何變換后產(chǎn)生新的圖形。圖形變換既可 以看作是坐標(biāo)系不動(dòng)而圖形變動(dòng)，變動(dòng)后的圖形在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值發(fā)生變化；也可以 看作圖形不動(dòng)而坐標(biāo)系變動(dòng)，變動(dòng)后，該圖形在新的坐標(biāo)系下具有新的坐標(biāo)值。圖形變 換包括二維圖形和三維圖形的平移、比例縮放、旋轉(zhuǎn)、對(duì)稱(chēng)、錯(cuò)切等變換。由于圖形中 最基本的單元是點(diǎn)，因此，對(duì)圖形的幾何變換也可歸結(jié)為對(duì)點(diǎn)的變換。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 中，廣泛采用齊次坐標(biāo)技術(shù)研究圖形變換，即在n+1維空間中，討論n維向量的變換， 再經(jīng)規(guī)范化過(guò)程在n維空間中觀察其變換結(jié)果。 無(wú)

28、論在二維平面內(nèi)或三維空間中，均可對(duì)已定義的幾何圖形連續(xù)進(jìn)行多次幾何變 換，以得到新的所需要的圖形。這時(shí)只需將相應(yīng)的多個(gè)變換矩陣連乘后，形成組合變換 矩陣，再作用于幾何圖形即可。 ：維圖形的幾何變換矩陣r^D可以用下式來(lái)表示: “II “13 碎 4 “22 23 24 32 “33 034 (1-4) .^41 ^43 43 44 13 是對(duì)圖形進(jìn)行比例、 從變換功能上可把分成四個(gè)子矩陣, 是對(duì)圖形做投影變換; ^31 過(guò)32 旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切等變換；^Jm ^^：|是對(duì)圖形進(jìn)行平移變換 kJ產(chǎn)生整體比例變換 y 經(jīng)過(guò)變換后的坐標(biāo)

29、為 假設(shè)三維圖形變換前的一點(diǎn)坐標(biāo)是 則二者存在下面關(guān)系： y 表1-1給出了三維圖形幾種主要變換的變換矩陣形式。 1.2.3圖形投影變換 一種由高維空間到低維空間的幾何變換。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，通常是指三維空間到 二維平面的幾何投影變換，即把在三維空間中定義的圖形投影到二維平面上。 在三維空間中，選擇一個(gè)點(diǎn)作為投影中心，不經(jīng)過(guò)這個(gè)點(diǎn)定義一個(gè)平面作為投影面， 從投影中心向投影面引出的射線(xiàn)形成投影線(xiàn)。于是，那些穿過(guò)三維幾何圖形的投影線(xiàn)與 投影面相交，在投影面上形成這個(gè)圖形的像。這個(gè)像叫做三維圖形在二維投影面上的投 影。將三維空間中的圖形投射到二維平面上的這一過(guò)程稱(chēng)為投影變換。

30、 根據(jù)投影中心離投影面的遠(yuǎn)近，可以將投影分成透視投影和平行投影兩大類(lèi)。透視 投影的投影中心到投影面的距離是有限的，而平行投影的投影中心則在無(wú)窮遠(yuǎn)處。因此， 平行投影的投影線(xiàn)相互平行，投影線(xiàn)的方向即為投影方向。 通 n 人慶石油學(xué)院fil!丨：研究生學(xué)位論文 透視投影的性質(zhì)有：（1)投影的大小與圖形到投影中心的距離成反比。（2)平行于投影面的平行線(xiàn)的投影仍是平行線(xiàn)；不平行于投影面的平行線(xiàn)的投影匯聚到一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn) 稱(chēng)為滅點(diǎn)。 與平行投影相比，透視投影的深度感更強(qiáng)，看上去更加真實(shí)。但透視投影不能真實(shí) 地反映物體的精確尺寸和形狀《 平行投影的特性有：（1)能精確反映圖形的實(shí)際尺寸

31、；（2)平行線(xiàn)的投影仍是平行線(xiàn)。 變換類(lèi)荊 表1-1 二維圖形兒何變換矩陣 變換矩陣 平移變換 ty. 分別是在X、和Z方向上的平移量 S， 0 0 0 0 比例變換 是比例變換的參考點(diǎn)，s,、Sy、s, 分別ffljT、和;r方向上的縮放量 10 0 0 0 COS 沒(méi) sin 沒(méi) 0 一 sin 沒(méi) cos (9 0 沒(méi)表示心手坐標(biāo)系下繞X軸旋轉(zhuǎn)的角度 0 0 0 -sin沒(méi) 0 0 0 旋轉(zhuǎn)變換 sin沒(méi) COS (9 sin 沒(méi) 0 O" -sin0 cos 沒(méi) 0 沒(méi)表示右手坐標(biāo)系下繞：K軸旋轉(zhuǎn)的角

32、度 權(quán)表示右手坐標(biāo)系下繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度 真實(shí)感圖形技術(shù) 真實(shí)感圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)重要組成部分，它的基本要求就是在計(jì)算機(jī) 中生成三維場(chǎng)景的真實(shí)感圖形(或圖象)。真實(shí)感圖形技術(shù)就是使三維空間的物體生成具 有色彩、紋理、陰影、層次等真實(shí)感圖形的技術(shù)，它還可以稱(chēng)作真實(shí)感圖形綜合。其目 的是對(duì)于空間中的各種物體和自然景物，利用計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù)生成恰如拍照相片一 樣的真實(shí)感效果。 為了產(chǎn)生圖形的真實(shí)感，一般需要解決以下幾方面的圖形綜合技術(shù)問(wèn)題： (1) 在圖形中消除在特定觀察點(diǎn)看不見(jiàn)的物體或部分物體，從而產(chǎn)生空間物體的層次 感； (2) 在物體表面生成各種各樣的紋理，

33、以增強(qiáng)物體的質(zhì)感； (3) 盡可能精確地模擬光源照射的物理效果，使空間物體具有像拍照相片一樣的光照 效果和陰暗層次； (4) 模擬透明物體的效果； (5) 在顯示設(shè)備有限的離散精度范圍內(nèi)盡量保持圖形具有自然的光影過(guò)渡和連續(xù)性。 1.3.1消隱技術(shù) 消隱技術(shù)[1。1是對(duì)三維空間的非透明物體將觀察者看不見(jiàn)的線(xiàn)或面消除的一種技術(shù)。 為了使計(jì)算機(jī)生成的圖形具有在三維空間的真實(shí)感，將其看不見(jiàn)的物體部分即隱藏部分 消除，這是真實(shí)感圖形的最基本需求。如果不將隱藏的線(xiàn)或面消除，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)圖形 的錯(cuò)誤理解。 消隱算法的基本思想是將物體上所有的點(diǎn)、線(xiàn)、面，按照距離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近進(jìn)行排序。 一般來(lái)說(shuō)，離視點(diǎn)

34、較遠(yuǎn)的物體，就有可能被離視點(diǎn)較近的物體完全或部分遮蓋。大多數(shù) 消隱算法都涉及排序和相關(guān)性的概念。排序是為了確定消隱對(duì)象之間的遮擋關(guān)系，通常 在X、Y、Z三個(gè)方向分別進(jìn)行。消隱算法的效率在很大程度上取決于排序的效率，通 常可以采用相關(guān)性來(lái)提高排序的效率。所謂相關(guān)性是指物體對(duì)象或其在視圖區(qū)變換后的 圖像局部保持不變的性質(zhì)，即相鄰的點(diǎn)、線(xiàn)和區(qū)域有相彳以的性質(zhì)。常用的消隱算法有- (1)Z緩沖器算法 它是一種利用記錄圖形深度的緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)面消隱的簡(jiǎn)單使用算法。該算法最早于 1975年RCatoull提出。它是在圖像空間實(shí)施面消隱的算法。按慣例，通常將圖像平面 即投影屏幕定義為；面，因而視點(diǎn)正投影方

35、向即為Z軸負(fù)方向。用于記錄投影方向上 物體投影深度值的緩沖存儲(chǔ)器稱(chēng)為Z緩沖器，該算法由此得名。 Z緩沖器是一組存儲(chǔ)單元，其單元數(shù)目和屏幕上像素?cái)?shù)目相同，即通常與幀緩沖器 的單元數(shù)目相同。它用來(lái)存儲(chǔ)圖像空間中與每一可見(jiàn)像素相應(yīng)的物體深度或Z坐標(biāo)。Z 緩沖器是一個(gè)獨(dú)立的緩沖器，它與頓緩沖器配合使用完成面消隱功能。Z緩沖器中每個(gè) 單元的初值取為對(duì)應(yīng)畫(huà)面背景顏色或灰度值。圖形消隱是在圖形繪制的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的。 在圖形繪制時(shí)，當(dāng)把顯示對(duì)象的每一點(diǎn)(像素)的屬性(顏色或灰度>值填入頓緩沖器相應(yīng) 單元前,要把該點(diǎn)的Z坐標(biāo)值與Z緩沖器中相應(yīng)單元內(nèi)的值作比較。如果前者大于后者， 則改變帖緩沖器中相應(yīng)承元的值，同

36、時(shí)Z緩沖器中相應(yīng)單元的值更新為該點(diǎn)的Z坐標(biāo)值： 反之，如果該點(diǎn)的Z坐標(biāo)值小于Z緩沖器中相應(yīng)單元的值，則說(shuō)明該點(diǎn)要比已顯示的點(diǎn) 更遠(yuǎn)離觀察者，因而是波遮擋的點(diǎn)，為此無(wú)須改變頓緩沖器和Z緩沖器中相應(yīng)單元的值。 當(dāng)環(huán)境中每個(gè)物體都處理完之后，便可得到消除了隱藏面的完整圖形。此時(shí)圖像中每個(gè) 像素點(diǎn)均呈現(xiàn)離視點(diǎn)最近的物體上相應(yīng)點(diǎn)的顏色或灰度值。 該算法的優(yōu)點(diǎn)是：（1)簡(jiǎn)單、可靠，對(duì)顯示對(duì)象的處理次序無(wú)任何限制，因而無(wú)須在 繪制之前對(duì)顯示對(duì)象進(jìn)行排序處理，在分辨率一定的情況下，算法計(jì)算量只與多邊形個(gè) 數(shù)成m比：（2)對(duì)顯示對(duì)象的類(lèi)型限制甚少，只要計(jì)算其在屏幕上的投影以及相應(yīng)的投影 深度即可；（3)便于硬

37、件實(shí)現(xiàn)和并行處理。在此基礎(chǔ)上，Z緩沖器掃描線(xiàn)算法利用了多邊 形邊和像素點(diǎn)的相關(guān)性，使得算法效率進(jìn)一步提高。 該算法的缺點(diǎn)是需要較大的Z緩沖器，且需對(duì)每個(gè)顯示對(duì)象的每個(gè)像素投影點(diǎn)求取 深度Z值。但因該技術(shù)算法簡(jiǎn)翠、適應(yīng)性強(qiáng)，因而成為一種頗為實(shí)用的面消隱技術(shù)。特 別是在某些高性能圖形工作站上，Z緩沖器被設(shè)計(jì)為可選的專(zhuān)用存儲(chǔ)器，其算法由硬件 實(shí)現(xiàn)，從而成為一種用戶(hù)可選的繪制方式。圖1-2反映了屏幕、頓緩沖器和Z緩沖器之 間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 , ‘ Z緩沖器 . 毎個(gè)單元存放對(duì)應(yīng)像素 每個(gè)單元存放對(duì)應(yīng)像素 的顏色值 .的深度值(Z坐標(biāo)） m 1-2屏幕、帖緩沖器和Z緩沖器之間的關(guān)系 (2)表優(yōu)先

38、級(jí)算法 按照物體離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序從而對(duì)圖形實(shí)施有序繪制的一種消隱算法。 該算法在處理簡(jiǎn)單元素(如多邊形)時(shí)常被稱(chēng)為畫(huà)家算法。 表優(yōu)先級(jí)算法首先根據(jù)物體深度進(jìn)行排序，按照環(huán)境中各元素離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近確定一 個(gè)深度優(yōu)先級(jí)表。然后按照表中元素的先后次序，從離視點(diǎn)最遠(yuǎn)的圖形元素開(kāi)始，依次 將每個(gè)元素繪制到屏幕畫(huà)面中。這樣，表中離視點(diǎn)較近的元素在繪制時(shí)會(huì)通過(guò)在1|(貞緩沖 器中寫(xiě)入新的內(nèi)容而覆蓋離視點(diǎn)較遠(yuǎn)的元素，從而達(dá)到消隱的目的。畫(huà)家算法的優(yōu)點(diǎn)是 簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，并且可以作為實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜算法的基礎(chǔ)。它的缺點(diǎn)是只能處理互不相 交的面，而且深度優(yōu)先級(jí)表中的順序可能出錯(cuò)，如兩個(gè)面相交或三個(gè)面相互重

39、疊的情況， 用任何方法都不能排出正確的順序。這時(shí)，只能把有關(guān)的面進(jìn)行分割后再排序，這樣增 加了算法的復(fù)雜度。因此，該算法的使用具有一定的局限性。 (3)掃描線(xiàn)算法 使用逐行的像素掃描線(xiàn)實(shí)現(xiàn)圖形繪制和面消隱的一種算法。該算法是由單個(gè)多邊形 進(jìn)行掃描變換的方法推廣而來(lái)。物體空間的每一多邊形在屏幕上的投影一般亦為一個(gè)多 邊形。在單個(gè)多邊形的掃描變化中，通過(guò)逐行求取屏幕上每條像素掃描線(xiàn)被其多邊形所 截取的線(xiàn)段，就可繪制整個(gè)多邊表形。當(dāng)掃描對(duì)象是整個(gè)環(huán)境的眾多多邊形時(shí)，其掃描 變換過(guò)程與單個(gè)多邊形類(lèi)似。但這時(shí)由于存在多邊形之間的相互遮擋關(guān)系，因此必須在 毎條掃描線(xiàn)上確定和計(jì)算可見(jiàn)的掃描線(xiàn)段，即進(jìn)行消

40、隱處理。該處理過(guò)程分為兩步：計(jì) 算掃描線(xiàn)段和確定線(xiàn)段的可見(jiàn)性。第一步，計(jì)算出掃描線(xiàn)與物體在投影面上形成的多邊 形的所有相交線(xiàn)段。第二步，消去不可見(jiàn)的線(xiàn)段或部分線(xiàn)段。 掃描線(xiàn)算法的基本思想是：按照掃描線(xiàn)的順序處理一If貞畫(huà)面，在由視點(diǎn)和掃描線(xiàn)所 決定的掃描平面上解決消隱問(wèn)題。具體步驟是，先把物體各面投影到屏幕上，再計(jì)算掃 描線(xiàn)與物體各投影面的相交區(qū)間。掃描線(xiàn)算法的典型實(shí)現(xiàn)有兩種，即掃描線(xiàn)Z緩沖器算 法和掃描線(xiàn)間隔連貫性算法?，F(xiàn)在使用的較多的是掃描線(xiàn)Z緩沖器算法，即在每條掃描 線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)Z緩沖器的算法。當(dāng)這兩種算法結(jié)合起來(lái)時(shí)，對(duì)于掃描線(xiàn)算法來(lái)說(shuō)，第二步求 取隱藏線(xiàn)段的過(guò)程不再需要，而由Z緩沖器算法

41、取而代之。 1. 3.2明暗效應(yīng) 明暗效應(yīng)指的是對(duì)光照射到物體表面所產(chǎn)生的反射/透射現(xiàn)象的模擬。當(dāng)光照射到物 體表面時(shí)，可能被吸收、反射或折射。被物體吸收的那部分光轉(zhuǎn)化為熱，而那些被反射、 透射的光傳到我們的視覺(jué)系統(tǒng)，使我們能看見(jiàn)物體。為了模擬這一物理現(xiàn)象，我們使用 一些數(shù)學(xué)公式來(lái)近似計(jì)算物體表面按什么樣的規(guī)律，什么樣的比例來(lái)反射/折射光。這種 公式稱(chēng)為明暗效應(yīng)的模型。在某個(gè)算法中使用這種計(jì)算物體表面的明暗度的過(guò)程稱(chēng)為明 暗效應(yīng)的處理。三維形體的圖形在經(jīng)過(guò)消隱后，再進(jìn)行明暗效應(yīng)的處理，可以進(jìn)一步提 高圖形的真實(shí)感。 (1)明暗模型 光的顏色由其波長(zhǎng)決定；光的亮度由光強(qiáng)決定。各種顏色光具

42、有不同的波長(zhǎng)，白色 光是含有所有可見(jiàn)波長(zhǎng)的光。當(dāng)一束白色光照射到物體表面上時(shí)，若所有波長(zhǎng)的光均被 等量吸收，則物體呈白色、灰色或黑色。這里灰色指的是不同亮度的白色，如陰天天空 的顏色。 若物體有選擇地吸收某些波長(zhǎng)的光，則物體呈現(xiàn)出顏色。物體的顏色取決于未被吸 收的那部分光的波長(zhǎng)。從物體表面反射/折射出來(lái)的光的強(qiáng)度取決于許多因素，其中包括 光源的位置與光強(qiáng)、物體表面的位置和朝向、物體表面的性質(zhì)(如反射率、折射率、光 滑度)以及視點(diǎn)的位置。 假設(shè)物體不透明，那么物體表面呈現(xiàn)的顏色僅由反射光決定。通常，人們把反射光 考慮成三個(gè)分量的組合，這三個(gè)分量分別是- 1) 環(huán)境反射光：環(huán)境反射光在任何方

43、向上的分布都相同。環(huán)境反射光用于模擬從環(huán) 境中周_物體散射到物體表面再反射出來(lái)的光》環(huán)境反射光可用下式表示- 丨=K?”? (1-6) 其中，1<：?是環(huán)境反射常數(shù)，與物體表面性質(zhì)有關(guān)；是入射的環(huán)境光光強(qiáng)，與環(huán)境 的明暗有關(guān)。 2) 漫反射光：漫反射光的空間分布也是均勾的，但是反射光強(qiáng)與入射光的入射角的 余弦成正比。通?？梢杂孟率絹?lái)計(jì)算漫反射光的光強(qiáng)： I=Kd*Ii*COSe (1-7) 上式中，是漫反射常數(shù)，與物體的表面性質(zhì)有關(guān)。是光源的光強(qiáng)，e是入射角， 即入射光與表面法線(xiàn)向量的夾角，如圖1-3。 ///////////// 圖1-3入射方向、反射方向以及視線(xiàn)方向之

44、間關(guān)系示意圖 3)鏡面反射光：鏡面反射光為朝一定方向的反射光，它遵守光的反射定律。對(duì)于純 鏡面，入射至表面面元上的光嚴(yán)格地遵從光的反射定律單向反射出去；對(duì)于一般光滑表 面，由于表面實(shí)際上是許多朝向不同的微小平面組成，其鏡面反射光分布于表面鏡面反 射方向的周?chē)?shí)用時(shí)，常采用余弦函數(shù)的幕次來(lái)模擬一般光滑表面的鏡面反射光的空 間分布(如下式)： I=K^*I_*COS"(i (1-8) (2)明暗處理算法 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，光滑的曲面表面常用多邊形予以逼近表示。這是因?yàn)樘幚砥矫?比處理曲面容易得多。但是，如果釆用較粗的離散度精度，那么兩個(gè)相鄰多邊形的邊界 看起來(lái)像凸出的折痕，而生成的圖形將

45、失去原有曲面的光滑性，而呈現(xiàn)多邊形狀。這種 現(xiàn)象是由于平面上所有點(diǎn)的法向相同，不同平面塊之間存在不連續(xù)的法向量跳躍，從而 引起不連續(xù)的光強(qiáng)跳躍：而另一方面，人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)夸大具有不同常量光強(qiáng)的兩個(gè)鄰 接區(qū)域之間的光強(qiáng)不連續(xù)性而造成。 當(dāng)我們處理的形體是多邊形集合或多面體時(shí)，會(huì)計(jì)算出每個(gè)面的法向量。假定光源I 在無(wú)窮遠(yuǎn)處，那么毎個(gè)多邊形上的點(diǎn)都具有相同的明暗度。這種明暗效應(yīng)的處理方法一I 般稱(chēng)為常量明暗處理。用常量明暗處理方法生成的圖形是具有實(shí)際意義的多邊形或多面 體時(shí)還可以接受，但如果作為曲面體的近似表示時(shí)常量明暗處理很難生成令人滿(mǎn)意的光 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論與技術(shù) 滑圖形。它要么需要很多

46、的存儲(chǔ)量和處理時(shí)間，要么會(huì)產(chǎn)生馬赫帶效應(yīng)。下面介紹 Gouraud明暗處理。 Gouraud明暗處理技術(shù)是最簡(jiǎn)單的方法，主要針對(duì)簡(jiǎn)單光照模型中的漫反射項(xiàng)。 Gouraud明暗處理的思想是對(duì)離散的光亮度釆樣作雙線(xiàn)性插值以獲得一個(gè)連續(xù)的光亮度 函數(shù)。其基本算法是：如圖1"4所示，先計(jì)算出多邊形頂點(diǎn)處(A、B、C和D)的光亮度 值，把它們作為曲面光亮度的采樣點(diǎn)，然后再對(duì)多邊形頂點(diǎn)的光亮度值插值計(jì)算出多邊 形內(nèi)任一點(diǎn)的光亮度。若采用掃描線(xiàn)繪制算法，則可沿當(dāng)前掃描線(xiàn)進(jìn)行雙線(xiàn)性插值，這 是一種簡(jiǎn)便易行的插值方法。即先用多邊形頂點(diǎn)的光亮度線(xiàn)性插值出當(dāng)前掃描線(xiàn)與多邊 形邊交點(diǎn)處(L和R)的光亮度，然后再用交

47、點(diǎn)的光亮度線(xiàn)性插值出掃描線(xiàn)位于多邊形內(nèi) 區(qū)段上每一像素處(如圖1-4中的P點(diǎn))的光亮度值。 圖丨4Gouraud算法中多邊形明暗度的線(xiàn)性插值 Gouraud明暗處理的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小。但是這種方法在某些環(huán)境下也存 在缺陷。當(dāng)它用于動(dòng)態(tài)顯示物體時(shí)，物體表面的明暗度將以不規(guī)則的方式變化。這是由 于本方法的插值是基于固定的屏幕表面，而不是運(yùn)動(dòng)的形體表面。Gouraud明暗處理的 另一個(gè)缺陷是，Gouraud明暗處理要求光源方向與視線(xiàn)方向比較接近，一般二者方向夾 角不要超過(guò)45。這是因?yàn)?，?dāng)光源方向與視線(xiàn)方向差別較大，特別是入射角接近90 時(shí)，而視線(xiàn)在反射方向時(shí)，利用Gouiaud

48、算法所計(jì)算的反射光強(qiáng)趨于最小。但是實(shí)際上， 這時(shí)的反射光最強(qiáng)，即通常所說(shuō)的高光? 3.3 物體的表面細(xì)節(jié)稱(chēng)為紋理。紋理是表達(dá)物體質(zhì)感的一個(gè)重要特點(diǎn)，紋理的生成使圖 形更具有真實(shí)感。根據(jù)紋理定義域的不同，紋理可分為二維紋理和三維紋理，根據(jù)紋理 的表現(xiàn)形式，紋理又可分為顏色紋理、幾何紋理和過(guò)程紋理三大類(lèi)。顏色紋理指的是呈 現(xiàn)在物體表面上的各種花紋、圖案和文字等，近幾年來(lái)顏色紋理己經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用； 幾何紋理是指基于景物表面微觀幾何形狀的表面紋理，如樹(shù)干、巖石、山脈等表面呈現(xiàn) 的凹凸不平的紋理細(xì)節(jié)。過(guò)程紋理可以表現(xiàn)各種規(guī)則或不規(guī)則的動(dòng)態(tài)變化的自然景象， 如水波、云、火、煙霧等⑴1。 12

49、面向虛擬現(xiàn)實(shí)的三 紋理生成的技術(shù)或過(guò)程稱(chēng)為紋理映射。它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一種重要方法，最早 由Catmu丨丨提出，經(jīng)Blinn和Newe丨丨改進(jìn)后得到廣泛應(yīng)用。目前，在大規(guī)模地形地貌的 建模上，通常使用紋理映射技術(shù)來(lái)表達(dá)真實(shí)感效果。 第2章面向虛擬現(xiàn)實(shí)的三維建模技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)是一種逼真地模擬人在自然環(huán)境中視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嘆覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等行為的一種 全新的人機(jī)交互技術(shù)，其最終目標(biāo)是使用戶(hù)置身于一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中。虛 擬環(huán)境的建模是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，.也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。下面 就開(kāi)始介紹虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。 2. 1 VR建模技術(shù)特點(diǎn)‘ 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)

50、沉浸感、逼真性，即要求有高的真實(shí)感；強(qiáng)調(diào)自然的交互方式， 又要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性基礎(chǔ)上的交互性要求?？偠灾褪牵涸诰哂姓鎸?shí)感的環(huán)境中，產(chǎn)生沉 浸感，并且可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和交互性的要求。 實(shí)時(shí)性和真實(shí)感是評(píng)價(jià)許多計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法的一個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)。在VR建模的過(guò)程 中將真實(shí)感、實(shí)時(shí)性和交互性作為指導(dǎo)原則，是面向虛擬現(xiàn)實(shí)建模的顯著的特點(diǎn)。 這就使VR系統(tǒng)建模與傳統(tǒng)CAD和動(dòng)畫(huà)建模有著本質(zhì)上的不同： 1、VR建模中要說(shuō)明的內(nèi)容要比傳統(tǒng)系統(tǒng)建模多，除說(shuō)明造型外還要說(shuō)明許多系統(tǒng) 連接，如自由度(Degree Of Freedom，DOF)、層次細(xì)節(jié)(Level Of Detail，LOD)等： 2、由于要實(shí)時(shí)

51、運(yùn)行三維模型，其建模方法與以造型為主的建模有很大的不同，大 多用其他技術(shù)(如紋理)而不是增加幾何造型復(fù)雜度來(lái)提高逼真度。虛擬現(xiàn)實(shí)建模與三維 動(dòng)畫(huà)主要區(qū)別如表2-1所示： 表2-1虛擬現(xiàn)實(shí)與三維動(dòng)畫(huà)比較 虛擬現(xiàn)實(shí) 三維動(dòng)畫(huà) 特點(diǎn) 具有真實(shí)感、實(shí)時(shí)性和交互性，考慮交 互性和實(shí)現(xiàn)意圖； 模型細(xì)節(jié)比較少，可以提高實(shí)時(shí)性， 犧牲實(shí)時(shí)性，達(dá)到視覺(jué)上的真實(shí)和完 美，非交互性的美學(xué)和視覺(jué)效果： 細(xì)節(jié)較多，繪制效果預(yù)先決定。 用戶(hù) 親身體驗(yàn)虛擬三維空間，身臨其境，雙 向互動(dòng)，無(wú)時(shí)間限制，可真實(shí)詳盡地展 示. 預(yù)先假定觀察路徑，無(wú)法改變，單向演 示。場(chǎng)景變化，畫(huà)面需事先制作，生成 受動(dòng)畫(huà)制

52、作時(shí)間展制，無(wú)法詳盡展示。 應(yīng)用 主要用于仿真，需要對(duì)用戶(hù)輸入做出反 應(yīng)，如飛行訓(xùn)練、影視游戲和視景仿真 等。 主要用于電影、印刷圖畫(huà)及預(yù)先設(shè)計(jì)好 的演示等。 虛擬現(xiàn)實(shí)建模，考慮交互性和實(shí)現(xiàn)意圖，與動(dòng)畫(huà)模型相比，通常細(xì)節(jié)比較少，以提 高實(shí)時(shí)性的效果。這里并不是意味著虛擬現(xiàn)實(shí)建模不需要美學(xué)和視覺(jué)效果，相反，虛擬 現(xiàn)實(shí)建模所有的追求，只有一個(gè)目標(biāo)：真實(shí)感，在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，極力提高整個(gè) 模型的真實(shí)感。在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，人們只能在犧牲已經(jīng)完美準(zhǔn)確的視覺(jué)藝術(shù)，通過(guò)平衡 人慶■tj油學(xué)院碩丨：研究生學(xué)位論文 實(shí)時(shí)性，來(lái)達(dá)到更高層次的真實(shí)感。 2.2 VR建模的主要技術(shù)指標(biāo) 模型建立

53、的好壞與否將直接影響整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的質(zhì)量。有的研究人員甚至說(shuō)， 建立一個(gè)完美的模型，比一千個(gè)事實(shí)還要珍貴。因此，要建立一個(gè)好的虛擬環(huán)境應(yīng)對(duì)建 模的主要技術(shù)指標(biāo)有較為細(xì)致的了解。 評(píng)價(jià)虛擬環(huán)境建模的技術(shù)指標(biāo)主要有- (1) 精確度。它是衡量模型表示現(xiàn)實(shí)物體精確程度的指標(biāo)，也是表現(xiàn)場(chǎng)景真實(shí)性的重 要因素之一。 (2) 顯示速度。許多應(yīng)用對(duì)顯示時(shí)間有較大的限制。在交互式應(yīng)用中，我們希望響應(yīng) 的時(shí)間越短越好，響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)將會(huì)大大影響系統(tǒng)的可用性。 (3) 操縱效率。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，模型的顯示、運(yùn)動(dòng)模型的行為、在有多個(gè)運(yùn)動(dòng)物 體的虛擬環(huán)境中的沖突檢測(cè)等都是頻度很高的操作必須高效實(shí)現(xiàn)。 (4)

54、 易用性。創(chuàng)建有效的模型是一個(gè)十分復(fù)雜的工作，建模者必須盡可能精確地表現(xiàn) 物體的幾何和行為模型，建模技術(shù)應(yīng)盡可能容易地構(gòu)造和幵發(fā)一個(gè)好的模型。 (5) 廣泛性。建模技術(shù)的廣泛性是指它所能表示的物體的范圍。好的建模技術(shù)可以提 供更廣泛的物體的幾何建模、物理建模和行為建模。 (6) 實(shí)時(shí)顯示。在虛擬環(huán)境中，模型的顯示必須在某個(gè)極限傾率以上，這往往要求快 速顯示算法和模型簡(jiǎn)化算法。 2.3 VR建?；緝?nèi)容 虛擬現(xiàn)實(shí)中的三維建模分為數(shù)據(jù)建模和過(guò)程建模。數(shù)據(jù)建模包括連續(xù)建模和離散建 模。過(guò)程建模包括分形建模、圖像建模、圖形建模、幾何建模、混合建模等。虛擬現(xiàn)實(shí) 中的建模主要經(jīng)歷了從幾何建模、物理

55、建模到行為建模的發(fā)展進(jìn)程112〗》 虛擬環(huán)境(Virtual Etivironment,VE)的建模是整個(gè)VR系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，主要包括三 維視覺(jué)建模和三維聽(tīng)覺(jué)建模。本文主要研究的是三維視覺(jué)建模，主要包括：幾何建模 (Geometric Modeling)、運(yùn)動(dòng)建模(Kinematic Modeling),物理建模(Physical Modeling),對(duì) 象行為建模(Object Behavior Modeling)以及模型分害iJ(Mo(Iel Segmentation)等。 一、幾何建模 15 第2章面向虛擬現(xiàn)實(shí)的二維建模技術(shù) 幾何建模是虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)的基礎(chǔ)。虛擬環(huán)境中的幾何建模

56、是物體幾何信息的表 示’涉及表示幾何信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、相關(guān)的構(gòu)造與操縱該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法。虛擬環(huán)境中 的每個(gè)物體包含形狀和外觀兩個(gè)方面。物體的形狀由構(gòu)造物體的各個(gè)多邊形、三角形和 頂點(diǎn)等來(lái)確定，物體的外觀則由表面紋理、顏色、光照系數(shù)等來(lái)確定。因此，用于存儲(chǔ) 虛擬環(huán)境中幾何模型的模型文件應(yīng)該能夠提供上述信息。同時(shí)，還要滿(mǎn)足虛擬建模技術(shù) 的三個(gè)常用指標(biāo)(交互顯示能力、交互式操縱能力和易于構(gòu)造的能力)對(duì)虛擬對(duì)象模型的 要求。 幾何建?？梢赃M(jìn)一步劃分為層次建模法和屬主建模法》 (1) 層次建模法：利用樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)表示物體的各個(gè)組成部分，對(duì)描述運(yùn)動(dòng)繼承關(guān)系比 較有利。例如：手臂可以描述成由肩關(guān)節(jié)、大臂、肘

57、關(guān)節(jié)、小臂，腕關(guān)節(jié)、手掌、手指 等構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)，而各手指又可以進(jìn)一步細(xì)分為大搏指、食指、中指、無(wú)名指和小拇 指。在層次模型中，較高層次構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)勢(shì)必改變較低層次構(gòu)件的空間位置，例如：腕 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)必改變手掌、各手指的位置，肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)必改變小葡、腕關(guān)節(jié)、手掌等的 位置，而肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)必影響到大臂、腕關(guān)節(jié)和小臂等的位置。 (2) 屬主建模法：讓同一種對(duì)象擁有同一個(gè)屬主，屬主包含了該類(lèi)對(duì)象的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。 當(dāng)要建立某個(gè)屬主的一個(gè)實(shí)例時(shí)，只要復(fù)制指向?qū)僦鞯闹羔樇纯?。每一個(gè)對(duì)象實(shí)例是一 個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，擁有自己獨(dú)立的方位變換矩陣。以木椅建模為例，木椅的四條発腿有相 同的結(jié)構(gòu)，我們可以建立一個(gè)凳腿屬主，

58、每次需要晃腿實(shí)例時(shí)，只要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)指向晃腿 屬主的指針即可。通過(guò)獨(dú)立的方位變換矩陣，便可以得到各個(gè)凳腿的方位。這樣做的好 處是簡(jiǎn)單髙效、易于修改、一致性好。 對(duì)于幾何模型的幾點(diǎn)說(shuō)明- (1) 抽象地表示對(duì)象中基元的輪廓和形狀有利于存儲(chǔ)，但使用時(shí)需要重新計(jì)算(例如 3dsmax中的對(duì)象實(shí)例化)；具體地表示可以節(jié)省生成時(shí)的計(jì)算時(shí)間，但存儲(chǔ)和訪問(wèn)存儲(chǔ) 所需要的時(shí)間和控件開(kāi)銷(xiāo)比較大。具體采用哪一種方法表示取決于對(duì)存儲(chǔ)和計(jì)算幵銷(xiāo)的 綜合考慮。 (2) 幾何模型一般可以表示成分層結(jié)構(gòu)，因此我們有可能使用自頂向下的方法將一個(gè) 幾何對(duì)象分解，也可以使用自底向上的構(gòu)造方法重構(gòu)一個(gè)幾何對(duì)象。 (3) 對(duì)象形

59、狀(Object Shape)的構(gòu)造方法有兩種：直接測(cè)量和構(gòu)造的方法。對(duì)二維物體 的表面進(jìn)行測(cè)試得到離散三維數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)用多邊形描述從而構(gòu)造得到對(duì)象的 多邊形技術(shù)?？梢允褂脠D形庫(kù)從頭創(chuàng)建，也可以使用建模工具(AutoCAD、3DSMAX或 MultiGen等)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一種構(gòu)造方法是直接從某個(gè)商品庫(kù)中選購(gòu)所需的幾何圖形，這 樣可以避免直接用多邊形或三角形拼構(gòu)某個(gè)對(duì)象的外形的繁瑣和乏味的過(guò)程。 (4) 對(duì)象外表的真實(shí)感主要取決于它的表面反射和紋理。以前通過(guò)增加繪制對(duì)象多邊 形的數(shù)目來(lái)增加真實(shí)感，但是在需要實(shí)時(shí)仿真時(shí)會(huì)延緩圖像生成的速度?，F(xiàn)在的圖形硬 件平臺(tái)具有實(shí)時(shí)紋理處理能力，在維持圖

60、形速度的同時(shí)，可用少量的多邊形和紋理增強(qiáng) 真實(shí)感》紋理可以用兩種方法生成，一種是用圖像繪制軟件交互地創(chuàng)建編輯和儲(chǔ)存紋理 位圖，例如常用的Photoshop軟件；另一個(gè)是用照片拍下所需的紋理，然后掃描得到， 或者通過(guò)數(shù)碼相機(jī)直接進(jìn)行拍照得到。目前，已有商品化的紋理數(shù)據(jù)庫(kù)出售。很多高級(jí) 的圖形硬件平臺(tái)，通過(guò)提供復(fù)雜的實(shí)時(shí)紋理硬件來(lái)提高真實(shí)感[13】。 二、物理建模 人慶心油學(xué)院碩丨：研究生學(xué)位論文 物理建模指的是虛擬對(duì)象的質(zhì)量、重量、慣性、表面紋理(光滑或粗糖)、硬度、變 形模式(彈性或可塑性)等特征的建模，這些特征與幾何建模和行為規(guī)則結(jié)合起來(lái)，形成 更真實(shí)的虛擬物理模型。物理建模是虛擬

61、現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中比較高層次的建模，它需要物理學(xué) 與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)配合，涉及到力的反饋問(wèn)題，主要是重量建模、表面變形和軟硬度等物 理屬性的表現(xiàn)。 分形技術(shù)和粒子系統(tǒng)就是典型的物理建模方法。分形技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)中一般僅用于 靜態(tài)遠(yuǎn)景的建模：在虛擬現(xiàn)實(shí)中粒子系統(tǒng)用于動(dòng)態(tài)的、運(yùn)動(dòng)的物體建模.如常用于描述 火焰、水流、雨雪、旋風(fēng)、噴泉等現(xiàn)象。 (1) 分形技術(shù) 分形技術(shù)可以描述具有自相似特征的數(shù)據(jù)集。自相似的典型例子是樹(shù)。若不考慮樹(shù) 葉的區(qū)別，當(dāng)我們靠近樹(shù)梢時(shí)，樹(shù)的細(xì)稍看起來(lái)也像一棵大樹(shù)。由相關(guān)的一組細(xì)梢構(gòu)成 的一根樹(shù)技，從一定距離觀察時(shí)也像一棵大樹(shù)。當(dāng)然，由樹(shù)枝構(gòu)成的樹(shù)從適當(dāng)?shù)木嚯x看 時(shí)自然是棵樹(shù)。雖然，

62、這種分析并不十分精確，但比較接近，這種結(jié)構(gòu)上的自相似稱(chēng)為 統(tǒng)計(jì)意義上的自相似。自相似結(jié)構(gòu)可用于復(fù)雜的不規(guī)則外形物體的建模。該技術(shù)首先被 用于河流和山體的地理特征建模。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，我們可利用三角形來(lái)生成一個(gè)隨 機(jī)高程(Elevation Data)的地形模型：取三角形三邊的中點(diǎn)并按順序連接起來(lái)，將三角形 分割成四個(gè)三角形，同時(shí)，我們給每個(gè)中點(diǎn)隨機(jī)地賦予一個(gè)高程值，然后，遞歸上述過(guò) 程，我們就可以產(chǎn)生相當(dāng)真實(shí)的山體。 分形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是用簡(jiǎn)單的操作就可以完成復(fù)雜的小規(guī)則物體建模，缺點(diǎn)是計(jì)算量 大’不利于實(shí)時(shí)性。因此，在虛擬現(xiàn)實(shí)中一般僅用于靜態(tài)遠(yuǎn)景的建模。 (2) 粒子系統(tǒng) 粒子系統(tǒng)是一種

63、典型的物理建模系統(tǒng)，粒子系統(tǒng)是用簡(jiǎn)單的體素完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)的 建模。粒子系統(tǒng)由大量稱(chēng)為粒子的簡(jiǎn)單體素構(gòu)成，每個(gè)粒子具有位置、速度、顏色和生 命周期等屬性，這些屬性可以根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算和隨機(jī)過(guò)程得到， 粒子系統(tǒng)對(duì)于繪制不規(guī)則的對(duì)象，如火焰、煙霧、云彩、爆炸等具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： (1)粒子系統(tǒng)比較靈活，如其組成的粒子既可以是最簡(jiǎn)單的點(diǎn)，也可以具有一定的結(jié)構(gòu)， 可根據(jù)描述的對(duì)象隨意調(diào)整，而且相對(duì)來(lái)說(shuō)易于實(shí)現(xiàn)》另外，根據(jù)場(chǎng)景的特點(diǎn)，對(duì)粒子 的數(shù)量、時(shí)間以及硬件平臺(tái)的需求不茍刻。（2)粒子系統(tǒng)的模型是過(guò)程化的，在其中可加 入隨機(jī)過(guò)程，因此，獲得精細(xì)的模型不需要大量的設(shè)計(jì)時(shí)間。其主要缺點(diǎn)是：（!)每一個(gè) 時(shí)間

64、步均需要計(jì)算粒子的動(dòng)態(tài)屬性，增加計(jì)算幵銷(xiāo)，因此，粒子系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上最大的缺 憾是當(dāng)粒子數(shù)達(dá)到千數(shù)量級(jí)時(shí)，難以達(dá)到實(shí)時(shí)效果。（2)粒子的幾何特征過(guò)于簡(jiǎn)單，可以 構(gòu)造的物體范圍有限。 在最近幾年對(duì)粒子系統(tǒng)的研究中，一方面其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，另一方面其實(shí)現(xiàn)技 術(shù)的研究也向著并行化方向發(fā)展。相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)不規(guī)則對(duì)象的建模的 研究會(huì)出現(xiàn)新的成果。 三、運(yùn)動(dòng)建模 17 第2章面向虛擬現(xiàn)實(shí)的二 在虛擬環(huán)境中，僅僅建立靜態(tài)的三維幾何體還是不夠的，物體的特性還涉及到位置 改變、碰撞、捕獲、縮放、表面變形等等。這也是虛擬環(huán)境難以處理的問(wèn)題之一。此處 僅對(duì)虛擬環(huán)境中對(duì)象位置變化和碰撞檢測(cè)加以

65、介紹，它們也是運(yùn)動(dòng)建模要解決的問(wèn)題。 (1) 對(duì)象位置 對(duì)象位置包括對(duì)象的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放。在VR中，我們不僅對(duì)絕對(duì)坐標(biāo)感興趣， 也對(duì)三維對(duì)象相對(duì)坐標(biāo)感興趣。對(duì)每個(gè)對(duì)象都給予一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，稱(chēng)之為對(duì)象坐標(biāo)系統(tǒng)。 這個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的位置隨物體的移動(dòng)而改變。 (2) 碰撞檢測(cè) 碰撞檢測(cè)是VR技術(shù)的一個(gè)重要技術(shù)，它在運(yùn)動(dòng)建模中經(jīng)常使用。例如VR系統(tǒng)中， 人不能穿墻而入，否則便與現(xiàn)實(shí)生活相悖。碰撞檢測(cè)技術(shù)是虛擬環(huán)境中對(duì)象與對(duì)象之間 碰撞的一種識(shí)別技術(shù)。碰撞檢測(cè)需要計(jì)算兩個(gè)物體的相對(duì)位置。如果要對(duì)兩個(gè)對(duì)象上的 每一個(gè)點(diǎn)都做碰撞計(jì)算，就要花許多時(shí)間。因而，為了節(jié)省系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，許多VR系統(tǒng)在 實(shí)時(shí)計(jì)算中，常

66、采用矩形邊界檢測(cè)的方法來(lái)節(jié)省時(shí)間，但這么做有時(shí)會(huì)犧牲一定的精確 性。針對(duì)此種情況，研究者從省時(shí)和精確的角度發(fā)明了許多碰撞檢測(cè)算法。 四、行為建模 行為建模就是在創(chuàng)建模型的同時(shí)，不僅賦予模型外形、質(zhì)感等表觀特征，同時(shí)也斌 予模型物理屬性和“與生俱來(lái)”的行為與反應(yīng)能力，并且服從一定的客觀規(guī)律。換言之， 就是要使“死的模型”變成“活的角色”【14]。 幾何建模與物理建模相結(jié)合，可以部分實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)“看起來(lái)真實(shí)、動(dòng)起來(lái)真實(shí)” 的特征，而要構(gòu)造一個(gè)能夠逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界的虛擬環(huán)境，必須采用行為建模方法。 行為建模處理物體的運(yùn)動(dòng)和行為的描述。如果說(shuō)幾何建模是虛擬現(xiàn)實(shí)建模的基礎(chǔ)，行為 建模則真正體現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)的特征。一個(gè)虛擬環(huán)境中的物體如沒(méi)有任何行為和反應(yīng)，則 這個(gè)虛擬環(huán)境是沒(méi)有生命力的，對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)用戶(hù)是沒(méi)有任何意義的。 虛擬現(xiàn)實(shí)本質(zhì)上是客觀世界的仿真或折射，虛擬現(xiàn)實(shí)的模型則是客觀世界中物體或 對(duì)象的代表。而客觀世界中的物體或?qū)ο蟪司哂斜碛^特征如外形、質(zhì)感以外，還具有 一定的行為或能力，并且服從一定的客觀規(guī)律。例如：桌面上的重物移出桌面，重物不 應(yīng)懸浮在空中，而應(yīng)當(dāng)做