前沿技術(shù)講座課程論文-虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)29-資料下載頁
2025-06-24 20:39本頁面
【正文】 R技術(shù)、影視特技制作、高級(jí)游戲、文物保護(hù)等方面有著廣泛的應(yīng)用。事實(shí)上，在V R 系統(tǒng)中,靠人工構(gòu)造大量的三維彩色模型費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且真實(shí)感差。利用三維掃描技術(shù)可為V R 系統(tǒng)提供大量的、與現(xiàn)實(shí)世界完全一致的三維彩色模型數(shù)據(jù)。2. 外觀對(duì)象的外表是一種物體區(qū)別于其它物體的質(zhì)地特征，V R 系統(tǒng)中虛擬對(duì)象的外表真實(shí)感主要取決于它的表面反射和紋理。一般來講，只要時(shí)間足夠?qū)捲＃迷黾游矬w多邊形的方法可以繪制出十分逼真的圖形表面。但是VR 系統(tǒng)是典型的限時(shí)計(jì)算與顯示系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高。因此，省時(shí)的紋理映射(Texture Mapping )技術(shù)在VR 系統(tǒng)幾何建模中得到廣泛應(yīng)用。用紋理映射技術(shù)處理對(duì)象的外表，一是增加了細(xì)節(jié)層次以及景物的真實(shí)感；二是提供了更好的三維空間線索；三是減少了視景多邊形的數(shù)目，因而提高了幀刷新率，增強(qiáng)了復(fù)雜場景的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示效果。3. 紋理映射 傳統(tǒng)光照明模型僅考慮表面法向的變化，且假設(shè)表面反射率為一常數(shù)，因而只能生成顏色單一的的光滑景物表面。景物表面存在豐富的紋理細(xì)節(jié), 難以直接構(gòu)造。人們正是依據(jù)這些紋理細(xì)節(jié)來區(qū)別各種具有相同形狀的景物。解決這一問題的途徑是紋理映射技術(shù)所謂紋理映射，就是把給定的紋理圖像映射到物體表面上，并不是特定的幾何模型，使用紋理映射可以避免對(duì)場景的每個(gè)細(xì)節(jié)都使用多邊形性來表示，進(jìn)而可以大大減少環(huán)境模型的多邊形數(shù)目，提高圖形的顯示速度。從物體表面的質(zhì)地特征來看，紋理映射分為顏色紋理映射和凹凸紋理映射。前者是通過顏色色彩或明暗度的變化來表現(xiàn)物體的表面細(xì)節(jié)；后者則是通過對(duì)景物表面各采樣點(diǎn)法向量的擾動(dòng)來表現(xiàn)物體幾何形狀凹凸不平的粗糙質(zhì)感。從具體算法來看，紋理映射可分為標(biāo)準(zhǔn)紋理映射和逆向紋理映射。標(biāo)準(zhǔn)紋理映射是對(duì)紋理表面均勻掃描，并直接映射到屏幕空間。逆向紋理映射是對(duì)屏幕上的每一像素，通過逆映射尋找到物體空間上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，再在紋理空間找到相應(yīng)的像素點(diǎn)，取得紋理值經(jīng)濾波后顯示該像素。紋理映射的過程如下圖所示：代表眼點(diǎn)，代表物體上的點(diǎn)，代表紋理上的像素點(diǎn)。所以，紋理映射實(shí)際上是屏幕空間、物體空間和紋理空間之間的一系列的變換過程。虛擬對(duì)象的紋理可通過拍攝對(duì)應(yīng)物體的照片、然后將照片掃描進(jìn)計(jì)算機(jī)的方法得到，也可用圖像繪制軟件建立。物體空間與紋理空間之間映射關(guān)系的確定是實(shí)現(xiàn)紋理映射的關(guān)鍵。這種映射關(guān)系可以描述為對(duì)于比較簡單的二次曲面，其紋理映射函數(shù)可解析地表達(dá)出來。例如圓柱面，可以用參數(shù)方程表示為給定，可以根據(jù)上式確定。而給定圓柱上的，也可以根據(jù)其逆映射求出：。但對(duì)于復(fù)雜的高次參數(shù)曲面來說，求解析表達(dá)式往往是不可能的，這是應(yīng)采用數(shù)值求解方法來離散求的。下圖是使用OpenGL做出的紋理貼圖示例：4. 光照當(dāng)光照射到物體表面是，可能被吸收、反射或者折射。被物體吸收的部分抓華為熱，而那些被反射、投射的光傳到我們的視覺系統(tǒng)，使我們能看見物體。為了模擬這一物理現(xiàn)象，我們使用一些數(shù)學(xué)公式來近似計(jì)算物體表面按照什么樣的規(guī)律，什么樣的比例來反射或者折射光線。這種公式稱作明暗效應(yīng)模型。假設(shè)物體不透明，那么物體表面呈現(xiàn)的顏色僅僅由其反射光決定。通常，反射光由三個(gè)分量表示，分別是：環(huán)境反射光，漫反射光，鏡面反射光。1）環(huán)境反射光：環(huán)境反射光在任何方向上的分布相同。環(huán)境反射光用于模擬從環(huán)境中周圍物體散射到物體表面再反射出來的光。環(huán)境反射光可以用下面的公式表示：。其中，是環(huán)境反射常數(shù)，與物體表面的性質(zhì)有關(guān)；是入社的環(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勻的，但是反射光的光強(qiáng)與入射光的入射角的余弦成正比。通?？梢杂孟旅娴墓奖硎荆?。其中是漫反射常數(shù)，與物體表面的性質(zhì)有關(guān)。是入射光的光強(qiáng)，是入射角。法向量N反射方向R光源L視點(diǎn)E 入射方向、反射方向以及實(shí)現(xiàn)方向示意圖3） 鏡面反射光：鏡面反射光為朝一定方向的反射光，他遵循光的反射定律。反射光和入射光對(duì)稱的位于表面法向量的兩側(cè)。對(duì)于純鏡面，入射到表面面元的光嚴(yán)格地遵守光的反射定律單向反射出去。然而真正的純鏡面是不存在的，一般光滑表面，實(shí)際上是由許多朝向不同的微小平面組成的，其鏡面反射光存在于鏡面反射方向的周圍。實(shí)際常常使用余弦函數(shù)的某次冪來模擬一般光滑表面反射光的空間分布。如下式：在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，光滑的曲面常用多邊形進(jìn)行逼近表示，因?yàn)樘幚砥矫姹忍幚砬嫒菀椎枚唷５?，這樣就會(huì)是去緣由曲面的光滑度，呈現(xiàn)多邊形。這種現(xiàn)象是因?yàn)椴煌矫娴姆ㄏ蛄坎煌?，形成不同平面之間的不連續(xù)的光強(qiáng)跳躍。Gouraud明暗處理技術(shù)可以簡單的進(jìn)行平面的明暗處理。Gouraud明暗處理的思想是對(duì)離散光亮度進(jìn)行采樣做雙線性插值以獲得一連續(xù)的光亮度函數(shù)。其基本算法是：如下圖所示，先計(jì)算多邊形定點(diǎn)出（A,B,）的光亮度值，吧他們作為曲面光亮度的才樣點(diǎn)，然后再對(duì)多邊形定點(diǎn)的光亮度值機(jī)型插值計(jì)算出多邊形內(nèi)任一點(diǎn)的光亮度。若采用顯性掃描線繪制，可沿當(dāng)前掃描線進(jìn)行雙線性插值，這是一種簡單的插值算法。即先用多邊形定線的亮度值計(jì)算出掃描線與多邊形邊框焦點(diǎn)處的亮度值，在對(duì)掃描線內(nèi)的每一個(gè)像素點(diǎn)計(jì)算光亮度值。Gouraud算法多邊形明暗度的線性插值這種算法有點(diǎn)是算法簡單，計(jì)算量小。但是這種算法在某下環(huán)境下存在缺陷。當(dāng)他處于動(dòng)態(tài)觀察物體的時(shí)候，物體表面的敏感度將以不規(guī)則的方式變化。下圖是光照示例，圖中白色小球是一個(gè)點(diǎn)光源，光線在BOX和SPHERE兩個(gè)對(duì)象上發(fā)生反射，產(chǎn)生明暗效果。四、課程總結(jié)（從自身的角度給出本次課程的課程總結(jié)） 正如其它新興科學(xué)技術(shù)一樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到，雖然這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)潛力是巨大的，應(yīng)用前景也是很廣闊的，但仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未客服的技術(shù)保障?？陀^而論，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)的接口能力，僅僅是剛剛開始涉及到人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的集合作用問題。只有當(dāng)真正開始涉及并找到對(duì)這些問題的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑時(shí)，人和信息處理系統(tǒng)間的隔閡才有可能被徹底地克服了。 雖然如此，但它獨(dú)特的優(yōu)勢特長為各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了一個(gè)全新的突破口，同時(shí)，我們也相信，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)得到更為長足的發(fā)展，必將更為廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，為人類的生產(chǎn)生活帶來全新的面貌《前沿技術(shù)講座》課程成績評(píng)定表考勤成績： 占總成績比例20%大作業(yè)成績： 占總成績比例80%總成績： 教師評(píng)語指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日30 /
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