【正文】
,視口位置相對于窗口左下角。透視投影比較符合人的心理習慣,即,離視點近的物體大,離視點遠的物體小,這種投影常用于動畫、視景仿真以及其他具有真實性反應的方面。投影變換類似于選擇照相機鏡 頭,目前有兩種投影方式 :平行投影和透視投影。在本質上,兩種坐標系是相同的,只不過是兩種表現形式而己。其變換過程如圖 所示。 2)模型變換 (Modeling XX 大學 畢業(yè)論文 13 Transformation) , 3)投影變換 (Projection Transformation)。也可以從幀存中讀值或者從幀存的一部分拷貝到另一部分。還包括即將處理的基片顏色與己經儲存的顏色的融合以及屏蔽和對基片值的其他邏輯操作。每個基片適合于在最后改變幀存之前對單個的基片進行操作。在這一階段,對頂點進行轉換,光照 .把圖元剪切到觀察體中,為下一步網柵化做準備。用戶指令從左側進入 OpenGL。 OpenGL 也支持雙緩沖技術,該技術提供了生成動畫效果圖形所需要的機制,使得所生成的圖形能夠像電影一樣平滑運動。它直接執(zhí)行 3D 及 2D 圖形的荃本操中北大學分校畢業(yè)論文 12 作。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過程與函數組成,用以支持用戶對于高質量三維對象的圖形和圖像操作。其中 OpenGL 及其支持系統就是這樣的一種可選圖形生成環(huán)境。在建立模型時可采用單元分割、變化細 節(jié)和分辨率顯示、脫線預先計算以及內存管理技術等來提高系統運行的實時性。如果現有 RAM 不能滿足繪制對大量內存的需求,就會導致大量的內存交換,從而降低系統的交互速度。虛擬場景中鳥在空中自由地飛翔,當人接近它們時,它們要飛遠等行為。它體現了虛擬現實的自主性的特性,簡單地說是指 動態(tài)實體的活動、變化以及與周圍環(huán)境和其它動態(tài)實體之間的動態(tài)關系,它們不受用戶的輸入控制 (即用戶不與之交互 )。物理建模是虛擬現實系統中比較高層次的建模,它需要物理學與計算機圖形學配合,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。 OpenGVS 中提供了多種坐標系統,具有絕對坐標系統和相對坐標系統,例如相機的多平臺控制就是采用了這兩種坐標 系統。 對象位置包括對象的移動、旋轉和縮放。這些信息不一定是與幾何形狀有關的,例如基元的名稱,基元的物理特性等等 。連接性的描述可以用矩陣、樹、網絡等等。例如顏色。 中北大學分校畢業(yè)論文 10 幾何建模 對象的幾何建模是生成高質量視景圖像的先決條件。 虛擬環(huán)境的實現過程基本分為三步:第一步是幾何建模,主要包括用多邊形或三角形拼構成對象的立體外形;第二步是形象建模 (也稱物理建模 ),主要包括對幾何建模的結果進行紋理、顏色、光照等處理;第三步是具體程序實現。其主要差別有 : 視景仿真建模中要說明的內容比 CAD 系統建模要多,除說明造型外還要說明系統的連接,如自由度 (DOF, Degree of Freedom),細節(jié)水平 (LOD, Level of Detail)等。其中,視覺建模包括幾何建模 (Geometric Modeling)、運動建模(Kinematic Modeling)、物理建模 (Physical Modeling)、對象 行為 (Object Behavior)建模以及模型分割 (Model Segmentation)等。不僅要求所顯示的對象模型在外形上與真實對象酷似,而且要求它們在形態(tài)、光照、質感等方面都十分通真。它最終要生成左右兩個通道,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。由圖可見,一幅視景圖像的決定條件有三個: (1 )生成條件與模型; (2)圖像數據; (3)圖形數據。由于視景是一個隨時間變化的三維世界的再 現,因而,除了有象三維投影和立體視覺等與光學有關的問題外 .還有物體在空間中運動的實際的實時計算問題。 視景的顯示是由計算機提供的。 視景生成過程 一個視景仿真系統由三部分組成:視景數據庫、圖像生成器和顯示系統。為了計算屏幕象素上相應景物可見點的顏色,需要建中北大學分校畢業(yè)論文 8 立一個能計算物體表面在空間給定方向上光亮度的光照模型 。從而確定投影畫面上每一象素的顏色,最終生成圖像。 (3) 確定場景中的所有可見面,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。 (2) 將三維幾何描述轉換為二維視圖 。這部分工作可由三維立體造型或曲面造型系統來完成。一部分自然景物可以使用分形算法等技術生成,大多數需要使用提前錄好的錄像資料,簡單的人工景物 (例如建筑物 )可以用圖形生成的方法生成,復雜的人工景物也需要使用錄像資料。 生成有真實感的物體涉及到如何由給定頂點生成物體的表面,如何在表面上著色和加上高光與陰影,以及物體發(fā)生形變時表面的變化等問題。 XX 大學 畢業(yè)論文 7 2 視景生成及三維建模技術 視景生成機理 生成視景的工作 計算機生成視景的工作主要包括以下三個步驟: (1) 計算生成具有真實感的圖形。 這部分是本文重點,介紹了立體顯示的實現方法和步驟。我們將首先研究各種立體顯示技術,從中分析它們之間的優(yōu)缺點;討論幾種生成立體圖像對的算法;并給出 PC機環(huán)境下,基于頭盔和立體眼鏡的立體顯示系統結構。 (2) 立體顯示技術的研究。 視覺感知的質量在用戶對環(huán)境的主觀感知中占有最重要的地位,換句話說,一個虛擬環(huán)境的好壞主要取決于其視景生成系統的好 壞。 課題研究內容 課題希望在現有 技術和設備基礎上基于 PC 機、立體眼鏡和頭盔顯示器等硬件平臺來設計具有一定沉浸感的視景仿真系統;研究立體顯示技術和模型的構建及優(yōu)化技術;再進一步對現有的視景仿真平臺進行分析,對它們的優(yōu)缺點進行比較,進而提出兩種視景仿真開發(fā)平臺方案,并使用它們來構建場景模型和創(chuàng)建虛擬環(huán)境,從中得到一些視景仿真方面開發(fā)的經驗;最后實現立體顯示。而場景模型構建質量的好壞將直接影響整個視景仿真系統的性能以及它的立體顯示效果,我們有必要在現有的視景仿真開發(fā)平臺上研究模型構建技術。 中北大學分校畢業(yè)論文 6 我們從客觀世界獲得 的信息 80%以上來自視覺,因此視景仿真系統中視覺感覺處理的好壞將在整個系統的成敗中起到決定性的作用。由于視景仿真系統中包含大量的感知信息和模型,因此系統的集成技術起著至關重要的作用。例如: 視景仿真系統開發(fā)平臺、分布式虛擬現實技術等。選擇適當的應用對象可以大幅度地提高效率,減輕勞動強度 .提高產品質量。 (4) 應用系統開發(fā)工具。視景仿真依賴于立體顯示和傳感器技術的發(fā)展。在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下,如何提高刷新頻率將是該技術的研究內容。 (2) 實時三維圖形生成技術。它是應用計算機技術生成虛擬世界的基礎,它將真實世界的對象物體在實時的 3D 虛擬世界中重構,并根據系統需求保存部分物理屬性。 目前,視景仿真技術的關鍵技術和研究內容包括 : (1) 動態(tài)環(huán)境建模技術。 XX 大學 畢業(yè)論文 5 課題背景及意義 隨著人類社會步入信息時代,視景仿真技術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,呈現出廣闊的應用前景。 虛擬現實 是更先進的計算機接口技術。仿真的目的是決策問題,決策分為宏觀決策和微觀決策,目前的 虛擬現實 系統的應用屬于微觀決策一類,雖然有些 虛擬現實 系統規(guī)模很大,但涉及的卻都是局部決策。其次是正確性問題,計算機理解語音的方法是對比匹配,而沒有人的智能。例如,連續(xù)語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓,同一詞、同一字的發(fā)音受前后詞、字的影響,不僅不同人說同一詞會有所不同,就是同一人發(fā)音也會受到心理、生理和環(huán)境的影響而有所不同。這就要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語言,并 能與人實時交互。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。 (4) 觸覺 與視 覺反饋 在一個 虛擬現實 系統中,用戶可以看到一個虛擬的杯子。現實生活里,當頭部轉動時,聽到的聲音的方向就會改變。在水平方向上,我們靠聲音的相位差及強度的差別來確定聲音的方向,因為聲音到達兩只耳朵的時間或距離有所不同。另外一些性能比較優(yōu)異的設備是數據手套和數據衣。在三維空間中因為有六個自由度,我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標的平面運動映射成三維空間的任意運動。另一個優(yōu)點是,用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認識環(huán)境,而且可以通過頭部的運動去觀察環(huán)境。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭(眼)的方向來確定的。有的系統采用單個顯示器,但用戶帶上特殊的眼鏡后,一只眼睛只能看到奇數幀圖像,另一只眼睛只能看到偶數幀圖像,奇、偶幀之間的不同也就是 視差就產生了立體感。 在 VR系統中,雙目立體視覺起了很大作用。 (2) 廣角(寬視野)的立體顯示 XX 大學 畢業(yè)論文 3 人看周圍的世界時,由于兩只眼睛的位置不同,得到的圖像略有不同,這些圖像在腦子里融合起來,就形成了一個關于周圍世界的整體景象,這個景象中包括了距離遠近的信息。如果有足夠準確的模型,又有足夠的時間,我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像,但是這里的關鍵是實時。下面對這些技術分別加以說明。 一般來說,一個完整的虛擬現實系統由虛擬環(huán)境、以高性能計算 機為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統、以方位跟蹤器、數據手套和數據衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設備,以及味覺、嗅覺、觸覺與 視 覺反饋系統等功能單元構成。例如,用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體,這時手有握著東西的感覺,并可以感覺物體的重量,視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。理想的模擬環(huán)境應該使用戶難以分辨真假,使用戶全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中,該環(huán)境中的一切看上去是真的,聽上去是真的,動起來是真的,甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的,如同在現實世 界中的感覺一樣。由于相關技術,特別是傳感技術的限制,目前虛擬現實技術所具有的感知功能僅限于 視覺 、 聽覺 、力覺、 觸覺 、 運動 等幾種。計算機仿真又稱全數字仿真,是根據相似原理,利用計算機來逼真模仿研究系統中的研究對象,將研究對象進行數學描述,建模編程,并且在計算機中運行實現.作為計算機仿真的組成部分,視景仿真采用計算機圖形圖像技術,根據仿真的目的.構造仿真對象的三維模型并再現真實的環(huán)境,達到非常逼真的仿真效果.目前,視景仿真技術在我國已廣泛應用于各種研究領域:軍事演練、城市規(guī)劃仿真、大型工程漫游、名勝古跡虛擬旅游、模擬訓練以及交互式娛樂仿真等.視景仿真技術對作戰(zhàn)裝備的 使用效果有很好的實時顯示,給人以強烈的視覺上的沖擊,對提高武器裝備的性能、研制效率有著重要的作用. 視景仿真的主要特性 多感知性( MultiSensory) ——所謂多感知是指除了一般 計算機技術 所具有的視覺感知之外,還有聽覺感知、 視 覺感知、觸覺感知、運動感知,甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。 視景仿真 (Visual Simulation)是一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境,具體地說,就是采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境,用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作 用、相互影響,從而產生 “沉浸 ”于等同真實環(huán)境的感受和體驗。 關鍵詞 : 視景仿真 , 立體顯示 , 三維建模 , 視景生成算法 , 視差 中北大學分校畢業(yè)論文 II Visual simulation technology of stereoscopic display technology research Abstract To make visual simulation system is more natural, vivid, stereoscopic display technology and 3d modeling technology is the indispensable key technology, this paper further, extensive research. In recent years, the visual simulation technology of wide application prospect was caused by more and more scholars at home and abroad, and the interest of some institutions abroad and in the research of this aspect has also made some important results. Threedimensional visual simulation technology is one of the key technologies. This paper first introduces the visual simulation technology of some knowledge, then introduces the