虛擬現(xiàn)實及相關(guān)技術(shù)田景成-文庫吧
2025-06-29 01:51 本頁面
【正文】 三維交互設(shè)備可以分為兩類，即三維顯示設(shè)備和三維控制設(shè)備?！ 〕Ｒ姷娜S顯示設(shè)備有頭盔式顯示器和立體眼鏡等。頭盔式顯示器采用立體圖繪制技術(shù)來產(chǎn)生兩幅相隔一定間距的透視圖，并直接顯示到對應(yīng)于用戶左、右眼的兩個顯示器上。新型的頭盔式顯示器都配以磁定位傳感器，可以測定用戶的視線方向，使場景能夠隨著用戶視線的改變而作出相應(yīng)的變化?！ ∷腥S空間控制設(shè)備的共同特征是至少能夠控制六個自由度(Degree of Freedom)，對應(yīng)于描述三維對象的寬度、高度、深度、俯仰(pitch)角、轉(zhuǎn)動(yaw)角和偏轉(zhuǎn)(roll)角。常見的三維控制設(shè)備有數(shù)據(jù)手套、跟蹤球、三維探針、三維鼠標(biāo)器及三維操作桿等。數(shù)據(jù)手套的出現(xiàn)，為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了一種全新的交互手段，目前的產(chǎn)品已經(jīng)能夠檢測手指的彎曲，并利用磁定位傳感器來精確地定位出手在三維空間中的位置。這種結(jié)合手指彎曲度測試和空間定位測試的數(shù)據(jù)手套被稱為真實手套，可以為用戶提供一種非常真實自然的三維交互手段。其他控制設(shè)備都是對相應(yīng)二維設(shè)備的三維擴展，即在原來的二維的基礎(chǔ)上增加了第三維方向。人類對對三維空間的想象和接受能力比二維空間弱得多，因此這種擴展決不僅僅是簡單意義上的功能擴充，這當(dāng)中涉及大量的研究工作。 三維交互技術(shù)則使用三維輸入輸出設(shè)備來完成交互任務(wù)，主要的技術(shù)難點是如何在三維空間中直接完成定位、拾取與勾畫等交互操作。4 基于圖象的繪制技術(shù) 傳統(tǒng)的圖形繪制技術(shù)在現(xiàn)有的計算機硬件仍無法實時繪制簡化后的場景幾何?！ 』趫D象的繪制技術(shù)(Image Based Rendering)基于一些預(yù)先生成的場景畫面，對接近于視點或視線方向的畫面進行變換、插值與變形，從而快速得到當(dāng)前視點處的場景畫面。 與基于幾何的傳統(tǒng)繪制技術(shù)相比，這種技術(shù)的優(yōu)勢在于： 1. 圖形繪制獨立于場景復(fù)雜性，僅與所要生成畫面的分辨率有關(guān)； 2. 預(yù)先存儲的圖象(或環(huán)境映照)既可以是計算機合成的，也可以是實際拍攝的畫面，兩者可以混合使用； 3. 算法對計算資源的要求不高，可以在普通工作站和個人計算機上實現(xiàn)復(fù)雜場景的實時顯示。目前基于圖象的繪制技術(shù)研究重點在如下幾個方面： 分層繪制技術(shù)， 有效的、適合于實時繪制的三維重建技術(shù)， 表面反射屬性的快速重建?！ 』趫D象的繪制技術(shù)的實現(xiàn)方法?！ ≡从谠趫D形學(xué)中廣泛使用的紋理映射。這種方法將紋理圖象映射到簡單景物的幾何表面，以近似描述表面的紋理細(xì)節(jié)。用戶可取不同的位置和角度來觀察這些景物，在不同視點和視線方向上，景物表面的繪制過程實際上是紋理圖象在取景變換之后的簡單景物幾何上的重投影變形的過程?！ ≡诩y理映射的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了環(huán)境映照方法，采用紋理圖象來表示景物表面的鏡面反射和規(guī)則透射效果。具體來說，一點處的環(huán)境映照可通過取該點為視點，將周圍場景投影變形到一個中間面上來得到，中間面可取球面、立方體、圓柱面等。這樣，當(dāng)通過該點沿任何視線方向觀察場景時，環(huán)境映照都可提供場景的完全、準(zhǔn)確的視圖?！ 』谶@種策略，Eric Chen設(shè)計了一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)QuickTime VR，通過在場景的離散采樣點處預(yù)先建立環(huán)境映照，從而可使用戶在虛擬環(huán)境中實時地從一個采樣點漫游到另一個采樣點處。這類系統(tǒng)的主要缺陷在于漫游過程中視點只能位于固定的網(wǎng)格點上，而不能提供場景的連續(xù)視圖，產(chǎn)生跳躍感?！ ∈聦嵣?，上述投影變形技術(shù)存在很大局限性，只適用于在固定視點旋轉(zhuǎn)攝像機的情況，而無法處理攝像機位置移動的情況。當(dāng)平移攝像機時，由于景物前后遮擋關(guān)系和改變，所得圖像并不完全是原存儲圖像的重新投影和簡單變形，其畫面內(nèi)容在局部區(qū)域中發(fā)生變化?！ 〗鉀Q這一問題的有效方法是在原給定的圖象序列中引入可見點的深度，以提供原始場景的部分三維信息。具體作法是利用給定畫面上可見點的深度值，局部重建場景的三維幾何，并基于這些三維信息對可見點直接進行投影變換，或建立該畫面與其相鄰畫面象素的對應(yīng)關(guān)系。使用前一種方法，由單幅畫面即可生成相鄰視點處新的圖象，而后一種方法則需給定若干幅相鄰的深度圖象。利用這種基于深度信息的投影變形技術(shù)，可以在不同視點的圖象序列之間生成連續(xù)過渡的中間畫面，若在預(yù)處理中已生成好場景中各采樣點處的深度全景圖象，則可實現(xiàn)對場景的連續(xù)漫游，漫游過程中不再出現(xiàn)跳躍感?！ ∵@種基于可見點深度信息的重投影過程在理論上很合理，但缺點是在所生成的中間畫面上可能存在空洞，這是由于所給定的圖象無法提供中間畫面空洞處可見點的信息而造成的。空洞的填補是一個非常復(fù)雜、計算量很大的過程。 光場重建(Light Field Recontruction)技術(shù)是在全景函數(shù)重建技術(shù)上發(fā)展起來的一種新的基于圖像的繪制技術(shù)。一般地，全景函數(shù)由一參數(shù)方程來描述，定義了空間任一處、在任何時刻和任一波長范圍內(nèi)場景中的所有可見信息。全景函數(shù)事實上刻劃了一給定場景的所有可能的環(huán)境映照，因而以圖象的方式給出了場景的精確描述。為生成一幀給定視點沿特定方向的視圖，只需將視點V(Vx , Vy , Vz)和球面角θ、ψ及時刻t代入全景函數(shù)即可。這其實是對全景函數(shù)的采樣過程，所得視圖即為全景函數(shù)的一個樣本。因此，基于圖象的圖形繪制問題可描述為：給定全景函數(shù)的離散樣本集合，生成該全景函數(shù)的一個連續(xù)表示。基于這一描述，基于圖象的繪制過程可分解為全景函數(shù)的采樣、重建和重采樣三個過程?！ ∫话銇碚f，全景函數(shù)的獲取是非常困難的，這是由于所包含的信息遠遠超出了當(dāng)前計算機的處理能力。
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