【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 官。 虛擬現(xiàn)實(shí) 是更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)接口技術(shù)。 在仿真與 VR之間的關(guān)系需要進(jìn)一步研究，盡管同行之間看法不完全一致，這是各學(xué)科綜合交叉的結(jié)果，但經(jīng)過深入科學(xué)研究之后就會(huì)逐步統(tǒng)一起來，目前首要的任務(wù)是把先進(jìn)技術(shù)利用到實(shí)際中去。 XX 大學(xué) 畢業(yè)論文 5 課題背景及意義 隨著人類社會(huì)步入信息時(shí)代，視景仿真技術(shù)因其特有的形象化多維信息處理能力而得以迅速發(fā)展，引起人們極大的熱情和興趣，呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)的一些科研院所和重點(diǎn)院校在視景仿真 方面進(jìn)行了大量的開發(fā)研究，并且積累了一定的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步的研究提供了良好的基礎(chǔ)。 目前，視景仿真技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和研究?jī)?nèi)容包括 : (1) 動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。它的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的濡要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。它是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成虛擬世界的基礎(chǔ)，它將真實(shí)世界的對(duì)象物體在實(shí)時(shí)的 3D 虛擬世界中重構(gòu)，并根據(jù)系統(tǒng)需求保存部分物理屬性。其中三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用 CAD 技術(shù)，而更多的情況則需采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，二者有機(jī)結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。 (2) 實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)。三維圖形的生成技術(shù)已較成熟，而關(guān)鍵是如何 “實(shí)時(shí)生成”為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新頻率不低于 15幀 /秒，最好高于 30 幀 /秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。 (3) 立體顯示和傳感器技術(shù)。視景仿真依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)有的視景仿真設(shè)備還不能完全滿足系統(tǒng)的需要，例如頭盔式三維立體顯示器有以下缺點(diǎn)：過重 ( g)、 分辨率低、刷新頻率慢、跟蹤精度低、視場(chǎng)不夠?qū)?、眼睛容易疲勞?:同樣，數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣 等都有延遲大、分辨率低、使用不便等缺點(diǎn)。 (4) 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具。 視景仿真應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場(chǎng)合和對(duì)象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造性。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象可以大幅度地提高效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度 .提高產(chǎn)品質(zhì)量。為了達(dá)到這一目的，必須研究視景仿真的開發(fā)工具。例如： 視景仿真系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。 (5) 系統(tǒng)集成技術(shù)。由于視景仿真系統(tǒng)中包含大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步、模型的標(biāo)定、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理模型、識(shí)別與合成等技術(shù)。 中北大學(xué)分校畢業(yè)論文 6 我們從客觀世界獲得 的信息 80%以上來自視覺，因此視景仿真系統(tǒng)中視覺感覺處理的好壞將在整個(gè)系統(tǒng)的成敗中起到?jīng)Q定性的作用。而在視覺感覺中，立體感是人們首先接收的感覺，也是沉浸視景仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中不可缺少的一大部分，因此我們從立體顯示技術(shù)入手進(jìn)行研究。而場(chǎng)景模型構(gòu)建質(zhì)量的好壞將直接影響整個(gè)視景仿真系統(tǒng)的性能以及它的立體顯示效果，我們有必要在現(xiàn)有的視景仿真開發(fā)平臺(tái)上研究模型構(gòu)建技術(shù)。針對(duì)以上視景仿真的關(guān)鍵技術(shù)和研究?jī)?nèi)容，本課題決定從視景仿真視覺效果入手來探討和研究它的立體顯示和動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù) 。 課題研究?jī)?nèi)容 課題希望在現(xiàn)有 技術(shù)和設(shè)備基礎(chǔ)上基于 PC 機(jī)、立體眼鏡和頭盔顯示器等硬件平臺(tái)來設(shè)計(jì)具有一定沉浸感的視景仿真系統(tǒng)；研究立體顯示技術(shù)和模型的構(gòu)建及優(yōu)化技術(shù)；再進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)有的視景仿真平臺(tái)進(jìn)行分析，對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，進(jìn)而提出兩種視景仿真開發(fā)平臺(tái)方案，并使用它們來構(gòu)建場(chǎng)景模型和創(chuàng)建虛擬環(huán)境，從中得到一些視景仿真方面開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)；最后實(shí)現(xiàn)立體顯示。本課題的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)部分： (1) 視景生成及三維建模技術(shù)。 視覺感知的質(zhì)量在用戶對(duì)環(huán)境的主觀感知中占有最重要的地位，換句話說，一個(gè)虛擬環(huán)境的好壞主要取決于其視景生成系統(tǒng)的好 壞。本部分將研究計(jì)算機(jī)生成視景所需的生成過程及其三維建模技術(shù)。 (2) 立體顯示技術(shù)的研究。 這部分是我們實(shí)現(xiàn)立體顯示的重要前提。我們將首先研究各種立體顯示技術(shù)，從中分析它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)；討論幾種生成立體圖像對(duì)的算法；并給出 PC機(jī)環(huán)境下，基于頭盔和立體眼鏡的立體顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 (3) 立體顯示的實(shí)現(xiàn)。 這部分是本文重點(diǎn)，介紹了立體顯示的實(shí)現(xiàn)方法和步驟。本課題 使用基于VC++ 的 OpenGL 繪制立體圖形，對(duì)左右畫面分別采用紅色和綠色來顯示，在左右眼處分別用紅綠鏡片對(duì)畫面進(jìn)行選擇，從而實(shí)現(xiàn)了視景仿真技 術(shù)中的立體顯示。 XX 大學(xué) 畢業(yè)論文 7 2 視景生成及三維建模技術(shù) 視景生成機(jī)理 生成視景的工作 計(jì)算機(jī)生成視景的工作主要包括以下三個(gè)步驟： (1) 計(jì)算生成具有真實(shí)感的圖形。真實(shí)感包括顏色、光照、立體感和運(yùn)動(dòng)感； (2) 計(jì)算生成或直接從圖像庫中取得己經(jīng)壓縮的具有真實(shí)感的背景圖像； (3) 經(jīng)過掃描變換將圖形和背景圖像統(tǒng)一安排在同一坐標(biāo)系中。 生成有真實(shí)感的物體涉及到如何由給定頂點(diǎn)生成物體的表面，如何在表面上著色和加上高光與陰影，以及物體發(fā)生形變時(shí)表面的變化等問題。背景圖像可以分為自然景物和人工景 物兩類。一部分自然景物可以使用分形算法等技術(shù)生成，大多數(shù)需要使用提前錄好的錄像資料，簡(jiǎn)單的人工景物 (例如建筑物 )可以用圖形生成的方法生成，復(fù)雜的人工景物也需要使用錄像資料。一般，使用計(jì)算機(jī)在圖形設(shè)備上生成連續(xù)色調(diào)的真實(shí)感對(duì)象圖形必須完成四個(gè)基本任務(wù)： (1) 用數(shù)學(xué)方法建立所需三維場(chǎng)景的幾何描述，并將它們輸入至計(jì)算機(jī)。這部分工作可由三維立體造型或曲面造型系統(tǒng)來完成。場(chǎng)景的幾何描述直接影響圖像的復(fù)雜性和圖像繪制的計(jì)算耗費(fèi)，選擇合理有效的數(shù)據(jù)表示和輸入手段是極其重要的。 (2) 將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維視圖 。常通過對(duì)場(chǎng)景的透視變換來完成。 (3) 確定場(chǎng)景中的所有可見面，這需要使用隱藏面消除算法將視域之外或被其他物體遮擋的不可見面消去。 (4) 計(jì)算場(chǎng)景中可見面的顏色，根據(jù)基于光學(xué)物理的光照模型計(jì)算可見面投射到觀察者眼中的光亮度大小和色彩，并將它轉(zhuǎn)換成適合圖形設(shè)備的顏色值。從而確定投影畫面上每一象素的顏色，最終生成圖像。 復(fù)雜 (真實(shí)感 )圖像是通過景物表面的顏色和明暗色調(diào)來表現(xiàn)景物的幾何形狀、空間位置及表面材料。為了計(jì)算屏幕象素上相應(yīng)景物可見點(diǎn)的顏色，需要建中北大學(xué)分校畢業(yè)論文 8 立一個(gè)能計(jì)算物體表面在空間給定方向上光亮度的光照模型 。因此，體繪制、曲面、光照、光線跟蹤和輻射度等是視景生成的關(guān)鍵技術(shù)。 視景生成過程 一個(gè)視景仿真系統(tǒng)由三部分組成：視景數(shù)據(jù)庫、圖像生成器和顯示系統(tǒng)。視景數(shù)據(jù)庫包括兒何定義數(shù)據(jù)、仿真環(huán)境需要的色彩和紋理；圖像生成器繪制的是仿真器從視點(diǎn)定義的內(nèi)容，這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在視景數(shù)據(jù)庫中；顯示系統(tǒng)可以是投影儀、 CRT 顯示器或者頭盔顯示器。 視景的顯示是由計(jì)算機(jī)提供的。視景數(shù)據(jù)庫由兩個(gè)部分組成，一部分是以直接或間接方法存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)，另一部分是以向量或參數(shù)方式存儲(chǔ)的圖形數(shù)據(jù)。由于視景是一個(gè)隨時(shí)間變化的三維世界的再 現(xiàn)，因而，除了有象三維投影和立體視覺等與光學(xué)有關(guān)的問題外 .還有物體在空間中運(yùn)動(dòng)的實(shí)際的實(shí)時(shí)計(jì)算問題。 視景中的圖像是計(jì)算機(jī)根據(jù)環(huán)境的需要，利用給定的條件與模型，在對(duì)圖像數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)計(jì)算后所生成的，其生成過程如圖 2. 1 所示。由圖可見，一幅視景圖像的決定條件有三個(gè)： (1 )生成條件與模型； (2)圖像數(shù)據(jù)； (3)圖形數(shù)據(jù)。 在基于頭盔顯示器和立體眼鏡的雙目成像立體顯示系統(tǒng)中，視景的生成過程見圖 。它最終要生成左右兩個(gè)通道，并分別顯示在頭盔的左右眼上，或者通過立體眼鏡的左右眼分別來觀看左右通道。 XX 大學(xué) 畢業(yè)論文 9 視景三維建模技術(shù) 為了給用戶創(chuàng)建一個(gè)能使他感到身臨其境和沉浸其中的環(huán)境，必要的條件之一就是根據(jù)需要能在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中逼真地顯示出客觀世界中的一切對(duì)象。不僅要求所顯示的對(duì)象模型在外形上與真實(shí)對(duì)象酷似，而且要求它們?cè)谛螒B(tài)、光照、質(zhì)感等方面都十分通真。 虛擬環(huán)境的建模是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，主要包括三維視覺建模和三維聽覺建模。其中，視覺建模包括幾何建模 (Geometric Modeling)、運(yùn)動(dòng)建模(Kinematic Modeling)、物理建模 (Physical Modeling)、對(duì)象 行為 (Object Behavior)建模以及模型分割 (Model Segmentation)等。實(shí)時(shí)系統(tǒng)視景建模與傳統(tǒng) CAD 和動(dòng)畫建模有著本質(zhì)的不同。其主要差別有 : 視景仿真建模中要說明的內(nèi)容比 CAD 系統(tǒng)建模要多，除說明造型外還要說明系統(tǒng)的連接，如自由度 (DOF, Degree of Freedom)，細(xì)節(jié)水平 (LOD, Level of Detail)等。 由于要實(shí)時(shí)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，大多采用其他技術(shù) (如紋理 )來提高逼真度，而不是通過增加幾何造型復(fù)雜度來實(shí)現(xiàn) 。 虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)過程基本分為三步：第一步是幾何建模，主要包括用多邊形或三角形拼構(gòu)成對(duì)象的立體外形；第二步是形象建模 (也稱物理建模 )，主要包括對(duì)幾何建模的結(jié)果進(jìn)行紋理、顏色、光照等處理；第三步是具體程序?qū)崿F(xiàn)。前兩步是虛擬場(chǎng)景構(gòu)建過程，第三步則是場(chǎng)景的控制過程。 中北大學(xué)分校畢業(yè)論文 10 幾何建模 對(duì)象的幾何建模是生成高質(zhì)量視景圖像的先決條件。它是用來描述對(duì)象內(nèi)部固有的 )幾何性質(zhì)的抽象模型，所表達(dá)的內(nèi)容包括： 1 對(duì)象中基元的輪廓和形狀，以及反映基元表面特點(diǎn)的屬性。例如顏色。 2 基元間的連接性，即基元結(jié)構(gòu)或?qū)ο蟮耐負(fù)涮?性。連接性的描述可以用矩陣、樹、網(wǎng)絡(luò)等等。 3 應(yīng)用中要求的數(shù)值和說明信息。這些信息不一定是與幾何形狀有關(guān)的，例如基元的名稱，基元的物理特性等等 。 運(yùn)動(dòng)建模 在虛擬環(huán)境中，物體的特性還涉及到位置改變、碰撞、捕獲、縮放和表面變形等，僅僅建立靜態(tài)的三維幾何體對(duì)虛擬視景是不夠的。 對(duì)象位置包括對(duì)象的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放。在視景仿真中，不僅要涉及到絕對(duì)的坐標(biāo)系統(tǒng)，還要涉及到每一個(gè)對(duì)象相對(duì)的坐標(biāo)系統(tǒng)。 OpenGVS 中提供了多種坐標(biāo)系統(tǒng)，具有絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)和相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，例如相機(jī)的多平臺(tái)控制就是采用了這兩種坐標(biāo) 系統(tǒng)。 物理建模 虛擬對(duì)象的物理建模包括對(duì)象的質(zhì)量、重量、表面紋理 (光滑或粗糙 )、硬度、形狀改變模式等，這些特性與幾何建模和行為規(guī)則結(jié)合起來，形成更真實(shí)的虛擬物理模型。物理建模是虛擬現(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，涉及到力的反饋問題，主要是重量建模、表面變形和軟硬度等物理屬性的體現(xiàn)。 XX 大學(xué) 畢業(yè)論文 11 對(duì)象行為建模 除了對(duì)象運(yùn)動(dòng)和物理特性對(duì)用戶行為直接反應(yīng)的數(shù)學(xué)建模外，還需要在虛擬環(huán)境中建立與用戶輸入無關(guān)的對(duì)象特征模型。它體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)的自主性的特性，簡(jiǎn)單地說是指 動(dòng)態(tài)實(shí)體的活動(dòng)、變化以及與周圍環(huán)境和其它動(dòng)態(tài)實(shí)體之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，它們不受用戶的輸入控制 (即用戶不與之交互 )。例如， OpenGVS 開發(fā)的戰(zhàn)場(chǎng)仿真虛擬環(huán)境中，直升飛機(jī)螺旋槳的不停旋轉(zhuǎn)。虛擬場(chǎng)景中鳥在空中自由地飛翔，當(dāng)人接近它們時(shí)，它們要飛遠(yuǎn)等行為。 模型分割 虛擬環(huán)境的幾何體和物理建模所得到的是一個(gè)非常復(fù)雜的模型，大量的多邊形使繪制速度大大減慢。如果現(xiàn)有 RAM 不能滿足繪制對(duì)大量?jī)?nèi)存的需求，就會(huì)導(dǎo)致大量的內(nèi)存交換，從而降低系統(tǒng)的交互速度。這些問題常在建筑仿真中出現(xiàn)。在建立模型時(shí)可采用單元分割、變化細(xì) 節(jié)和分辨率顯示、脫線預(yù)先計(jì)算以及內(nèi)存管理技術(shù)等來提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。 支持視景生成的語言 — OpenGL 功能 我們主張使用已有的商品化或標(biāo)準(zhǔn)化的圖形庫和程序設(shè)計(jì)語言設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境。其中 OpenGL 及其支持系統(tǒng)就是這樣的一種可選圖形生成環(huán)境。OpenGL 可以按函數(shù)庫的形式被 C 語言調(diào)用，也可以被窗口系統(tǒng)直接調(diào)用。OpenGL 是使用專用圖形處理硬件的軟件接口，該接口目前由幾百個(gè)過程與函數(shù)組成，用以支持用戶對(duì)于高質(zhì)量三維對(duì)象的圖形和圖像操作。由于 OpenGL 的高度可重用性，已經(jīng)有超過 30 個(gè)大公司與研究機(jī)構(gòu)加盟或表示接受 OpenGL 作為標(biāo)準(zhǔn)圖形軟件接口 . OpenGL 指令的解釋模型是客戶 /服務(wù)器模式 .即一個(gè)程序 (客戶 )提供指令，這些指令由 OpenGL(服務(wù)器 )解釋并處理。它直接執(zhí)行 3D 及 2D 圖形的荃本操中北大學(xué)分校畢業(yè)論文 12 作。這些操作包括轉(zhuǎn)換矩陣、光照模型和光線跟蹤、反混淆方法、 ZBuffer 以及象素更新操作等。 OpenGL 也支持雙緩沖技術(shù)，該技術(shù)提供了生成動(dòng)畫效果圖形所需要的機(jī)制，使得所生成的圖形能夠像電影一樣平滑運(yùn)動(dòng)。 圖 給出了 OpenGL 的描繪原理框圖。用戶指令從左側(cè)進(jìn)入 OpenGL。有 些指令指定畫幾何物體，另一些指令則操作在不同階段怎樣處理幾何物體 .大多數(shù)指令也許會(huì)排列在顯示列表 (display list)中由 OpenGL 在后續(xù)的時(shí)間里處理 . OpenGL 通過計(jì)算輸入值的多項(xiàng)式函數(shù)為近似曲線和曲面幾何體提供有效手段，然后對(duì)由頂點(diǎn)描述的幾何圖元進(jìn)行操作。在這一階段，對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，光照 .把圖元剪切到觀察體中，為下一步網(wǎng)柵化做準(zhǔn)備。網(wǎng)柵器生成一系列圖像視頻存儲(chǔ)器地址及圖元二維描述值，這樣所產(chǎn)生的結(jié)果稱為基片 (fragment)。每個(gè)基片