虛擬現(xiàn)實(shí)及相關(guān)技術(shù)田景成(編輯修改稿)
2024-08-10 01:51 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 所謂混合式基于圖象的繪制技術(shù)，指的就是同時(shí)采用幾何及圖象作為基本元素來繪制畫面的技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)地將部分場(chǎng)景簡(jiǎn)化為映射到簡(jiǎn)單幾何體上的紋理圖象，若簡(jiǎn)化引起的誤差小于給定閾值，就直接利用紋理圖象取代原場(chǎng)景幾何來繪制畫面。簡(jiǎn)單幾何面置于被簡(jiǎn)化景物的中心，而簡(jiǎn)化誤差被嚴(yán)格控制在給定的閾值內(nèi)。這種繪制技術(shù)可以在一定誤差條件下，以較小的代價(jià)來快速生成場(chǎng)景畫面，同時(shí)仍保持正確的前后排序，所生成的圖形質(zhì)量也很高?！ ?996年Shade等人提出了層次圖象存儲(chǔ)算法(Hierarchical Image Caching Algorithm)。該算法的基本出發(fā)點(diǎn)是，當(dāng)景物離視點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，在前后兩幀畫面上投影位置的變化非常小。因此，若將這些遠(yuǎn)距離景物在前一幀畫面中的投影圖象存儲(chǔ)起來，并以該圖象作為紋理映射到一簡(jiǎn)單幾何體上，以近似取代該景物在其后續(xù)畫面中的繪制，就能有效地減少當(dāng)前視域中的可見面片，從而極大地提高畫面的繪制效率。但是，當(dāng)場(chǎng)景中有很多可見景物時(shí)，利用上述方法將產(chǎn)生非常多的紋理圖象，需占用大量存儲(chǔ)空間。為此，Shade等人利用二叉剖分技術(shù)(Binary Space Partition)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行層次剖分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)中的所有景物根據(jù)其距離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近，動(dòng)態(tài)地在幾何描述和紋理圖象之間切換。這一算法的主要貢獻(xiàn)在于給出了一種紋理表示與原景物幾何描述間的誤差估計(jì)，并給出了視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的安全區(qū)域。但該算法由于采用從后至前的繪制順序來生成畫面，因而對(duì)于高度復(fù)雜的場(chǎng)景，算法的效率將受到嚴(yán)重的影響?！ 榱颂岣呃L制精度，Sillion等利用帶紋理的多邊形網(wǎng)格來逼近遠(yuǎn)距離景物，而近景則仍采用傳統(tǒng)的幾何繪制技術(shù)。考慮到對(duì)于高度復(fù)雜場(chǎng)景來說，將遠(yuǎn)距離景物簡(jiǎn)經(jīng)成其紋理表示仍是一個(gè)非常耗時(shí)的過程，Sillion等采用預(yù)處理的方法來生成在不同視點(diǎn)范圍處的遠(yuǎn)景紋理圖象網(wǎng)格。與Shade的算法相比，這一算法具有更高的逼近精度?！ . E. Devevect等人也提出了一種混合方法，用于通過照片重構(gòu)建筑物的幾何模型及進(jìn)行繪制。這種方法的理論基礎(chǔ)是照象測(cè)量法(Photogrammetirc)，包括來自計(jì)算機(jī)視覺研究領(lǐng)域的光學(xué)校準(zhǔn)和從連續(xù)運(yùn)動(dòng)圖象中構(gòu)造三維模型等一系列技術(shù)。該方法包含兩部分內(nèi)容，即三維模型重構(gòu)和基于重構(gòu)模型的繪制。在模型重構(gòu)階段，系統(tǒng)識(shí)別出原始圖象中建筑物的大致輪廓，由用戶確定某一輪廓線在不同原始圖象中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)根據(jù)照象測(cè)量法通過約束求解自動(dòng)建立起建筑物的基本三維幾何模型，即由若干基本體元所組成的參數(shù)化層次模型。在繪制階段，利用基于視向的紋理映射將各原始圖象中的適當(dāng)部分映射到重構(gòu)的模型上。重構(gòu)的模型僅由簡(jiǎn)單的幾何體組成，是對(duì)實(shí)際建筑物的粗略近似。為了減少映射時(shí)產(chǎn)生的誤差，該方法引入了立體成像技術(shù)，利用幾何模型在另一方向上生成一幅參考畫面，與該方向上實(shí)際拍攝的畫面加以比較，通過透視關(guān)系就可以求出特定點(diǎn)偏離幾何模型的位移量。與其他方法相較，這種方法只需要用少得多的實(shí)拍畫面就可以對(duì)復(fù)雜建筑物進(jìn)行建模與繪制。表面反射屬性的重建 由圖象重建表面幾何和由圖象重建表面反射屬性是基于圖象的繪制技術(shù)中兩個(gè)主要的研究方向。上面介紹的各種方法均假設(shè)景物表面為漫反射表面，且在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中場(chǎng)景的光照情況保持不變。顯然，這種假設(shè)是理想化的，與實(shí)際應(yīng)用具有很大的差距。因此，基于圖象的繪制技術(shù)必須在重建三維幾何的同時(shí)也重建景物表面的光照屬性?！ ≡缭?992年，Haeberli就利用簡(jiǎn)單的迭加原理來重新繪制場(chǎng)景，但該算法要求場(chǎng)景中光源的類型與數(shù)量必須與原圖象一致。之后，Nimeroff等人利用天空光的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀行У赜梢阎獔D象重新繪制了在不同自然照明(如陰天、晴天)條件下的場(chǎng)景。但這一方法只能處理受太陽(yáng)和天空光照射的室外場(chǎng)景，且視點(diǎn)是固定的。后來，Belhumeur和Krieguman利用奇異值分解技術(shù)從原始參考圖象中抽取一組基圖象，新的圖象則通過線性組合這些基圖象得到。因此，問題的關(guān)鍵是如何根據(jù)光源及景物表面的反向?qū)傩詠泶_定組合系數(shù)。一般來說，這種關(guān)系的確定是非常困難的，所以有這種方法生成的新圖象僅是一種近似。目前，該算法只能處理漫射表面?！ ∽罱?，許多研究者在研究恢復(fù)表面的反射屬性時(shí)，引入了場(chǎng)景的幾何信息，從而更有效地處理這一問題?！ eitz等人利用體元填色 (Voxel Coloring)技術(shù)構(gòu)造了一個(gè)中間可編輯的體元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣用戶就可在不同的照明條件下由這些幾何數(shù)據(jù)重新繪制畫面。但是，這一方法僅適合于朗伯漫反射模型。俞益洲等人利用光度學(xué)理論，給出了恢復(fù)建筑物表面的雙向反射率的具體算法，從而實(shí)現(xiàn)了由一幅參考圖象生成在不同時(shí)間及光照條件下該場(chǎng)景的新畫面。T. T. Wong也考慮了雙向反射率的重建問題。Devevec則通過恢復(fù)景物表面的雙向反射率(BRDF)來將虛擬景物自然地迭加到實(shí)拍圖象中，使虛擬景物與實(shí)際場(chǎng)景具有相同的光照條件。該算法通過測(cè)量場(chǎng)景的輻射和整體照明情況，并利用場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)深度圖象模型來照明虛擬景物。Devevec的方法是一個(gè)將虛擬景物繪制到實(shí)際場(chǎng)景(圖象)中去的一般方法?！ 哪壳暗难芯繝顩r來看，對(duì)景物表面反射屬性重建的研究還剛剛起步，有許多問題需要解決。盡管有些算法已有較好的模擬結(jié)果，但其計(jì)算量非常大，難以做到實(shí)時(shí)顯示。5 多分辨率模型和三維幾何壓縮 高精度的掃描測(cè)繪手段為復(fù)雜物體基于多邊形網(wǎng)格表示的三維幾何建模提供了新的高效手段，但由于采樣精度高，由此建立起的三維模型的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)前計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)的圖形處理能力。如何降低這些模型
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