第7章虚拟现实第三部分建模和仿真技术46

1廖胜辉TEL:13875857790EMAIL:[e-mail]2现代仿真技术与应用章节安排第一章概述第二章系统的数学模型第三章连续系统的数字仿真第四章离散事件系统仿真第六章分布式交互仿真第七章可视化、多媒体、虚拟现实仿真3虚拟现实第三部分建模与仿真技术现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术4〖课前思考〗1．VR环境怎样建模?2．VR仿真中绘制的技术。3．VR仿真中动画的技术。〖学习目标〗1．了解VR几何建模和物理建模的有关问题。2．了解VR仿真中绘制和动画的有关问题。〖学习指南〗1．注意VR几何建模各种方法的对比。2．注意VR各种绘制技术的思想。3．注意VR各种动画技术的思想。现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术〖难重点〗1．注意环境模型的不同表示法。2．人工几何建模的两种途径。3．三维扫描仪的特点。4．获取三维信息的技术。5．增强现实技术的主要问题。6．VR图形绘制的关键技术。7．各类插值和变形方法。5虚拟现实的几何建模技术虚拟现实几何建模得到的建筑物场景现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术1）环境模型的表示建模是VR的核心,它定义物体的形式、属性和外观。VR的一个重要的技术难点是设计开发物体表示、仿真和绘制(RSR)技术。RSR处理有两个主要途径。第一种途径：使用统一的中央表示，它取得物理仿真和绘制目的要求的所有几何、表面和物理性质。结构精致，并避免了保持每个模式RSR过程之间空间时间相关的问题。第二种途径：保持分离的表示，它只表示在单一模式中（如听觉）仿真和绘制交互有关的物体特性。就是对视觉，听觉和触觉分别建立各自的表示和模型。6人工的几何建模方法建立详细的三维几何模型的要求是来自计算机辅助设计(CAD)，计算机图形学，和其它领域。由构造VR的观点看，几何建模是致命的技术。它的限制可能妨碍VR的进展。VR研究将受益于共享的开放的建模环境，包括物理的建模环境。VR的几何建模一般通过基于PC或基于工作站的CAD工具获取。许多VE应用要复制真实世界。不是用手建立模型，最好利用视觉或其它感觉自动获取模型。自动获取复杂环境模型(如工厂环境)当前还不现实，但这是合适的课题。同时，自动或接近自动获取几何模型，现在在某些情况是现实的。部分自动的交互式获取在不久将是可行的。现在已有利用激光扫描建立实际物体三维外形的设备出售。现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术7自动的几何建模方法三维扫描仪（3DimensionalScanner）又称为三维数字化仪（3DimensionalDigitizer）。它是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具。它能快速方便的将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术1、其扫描对象不是平面图案，而是立体的实物。2、通过扫描，可以获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，彩色扫描还可以获得每个采样点的色彩。3、他输出的不是二维图像，而是包含物体表面每个采样点的三维空间坐标和色彩的数字模型文件。这可以直接用于CAD或三维动画。彩色扫描仪还可以输出物体表面色彩纹理贴图。特点：8在硬件和控制技术方面，扫描运动的伺服装置要求精度高，运行平稳，可定位性好。三维信息获取技术方面，三维信息获取的原理应综合考虑精度，速度，易实现性，易使用性，成本，使用背景等。色彩信息获取方面，物体的色彩由三个因素确定:照明类型，物体表面的反射特性，眼睛按三条不同的光谱灵敏度曲线感知光线的能力。三维构型，显示及修改技术方面，扫描仪获取的是物体表面离散采样点的坐标和色彩。这些采样点的集合称为“点云”（PointCloud）。必须用点，多边形，曲线，曲面等形式描述立体模型，即将“点云”构成“形”。定标技术方面，确定有关的装置参数就是定标。它与计算模型和误差模型有关。定标精度和可靠程度直接影响测量精度。现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术三维扫描系统的关键技术9三维扫描设备日本MINOLTA公司的激光扫描三维建模产品，VIVID700。测量距离0.6m-2.5m。扫描区域可达1.1m×1.1m。分辨率(x,y,z)为200×200×256点。扫描时间0.6秒.VIVID700的使用情况激光扫描三维建模产品，ModelMaker。它的激光测量器安装在美国FAROTechnologies公司的机械臂FAROArm上。测量速度为14000点/秒。测头移动速度0.4-5mm/秒。测量距离120-220mm。测量精度0.2mm。激光扫描三维建模产品ModelMaker使用的美国FAROTechnologies公司的机械臂FAROArm。10用于人体外形建模的大型激光扫描系统三维扫描设备11增强现实的建模问题增强现实使用看穿的头盔显示，它在真实环境的视场上重叠合成图形。在传统的叠加显示中，合成的图形与背景没有直接关系。但在增强现实中，合成的物体应看起来是真实环境的一部分。例如，把合成的物体放在真实桌子上并使得在观察者通过环境移动桌子时该物体也停在桌上一起移动，这要求知道桌子在空间什么地方，观察者怎样运动。为了完全真实，要求有关场景照明和表面性质的信息，以便在真实物体上产生合成的明暗。此外，还要求有关三维场景结构的信息，以便允许真实物体遮挡合成物体或被合成物体遮挡。自然，在不可控的不可予测的观察者运动中，这些都是实时发生的。现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术12虚拟演播室-原理现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术虚拟演播室的三个关键技术：色键合成，同步跟踪和虚拟布景生成。右图中：真实摄像机拍摄的前景图像，与在真实摄像机拍摄参数控制下的虚拟摄像机产生的虚拟背景图像，在色度键控制器中实时地进行色键合成，形成一幅完整的彩色图像。13前景图像的背景是蓝色（或绿色）的幕，其色调与前景中人物区别极大的高饱和度彩色。于是，前景图像的色调与蓝色（或绿色）幕的色调之差值，形成键控（抠像）电压波形。用这个电压波形去抠虚拟背景图像，抠掉的部分对应着前景中人物的图像。然后，在抠掉的部分填上前景中人物的图像。这样就把前景图像中人物部分从蓝（或绿）背景中分离出来，与虚拟背景图像合成为一幅完整的图像。可以从另一个思路理解抠像技术。利用前景图像中人物部分色调与蓝（或绿）背景色调的差别，把前景图像中人物部分从蓝（或绿）背景中分离出来，再把人物部分覆盖在（或代替）虚拟图像中对应的像素。要求前景图像的动作方向，与虚拟图像的动作方向一致。也就是要求虚拟环境对准真实环境。这样，人们才能感觉两个环境构成一个整体，不会感到真实人物在虚拟环境中移动。在真实摄像机运动时，真实图像会变化。为了使虚拟图像精确跟踪真实图像的变化，需要使用同步跟踪技术。虚拟演播室关键技术-色键合成技术现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术14真实图像的获取，是通过真实摄像机的推、拉、摇、移来拍摄的。虚拟摄像机应该与真实摄像机保持同步运动，二者保持相同的焦距、位置和角度。同步跟踪技术应该具有这种功能。采用以下方法。虚拟演播室关键技术-同步跟踪技术现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术1）传感器跟踪技术它使用安装在镜头上的编码传感器，检测聚焦（Focus）、变焦（Zooming）、及光圈（Iris）；采用安装在云台上的基座旋转编码器，检测机头摇移（Panning）和俯仰（Tilt）；采用在云台上安装辅助摄像机扫描拍摄固定在天花板上或墙上的同心环标或条码，检测云台的位置。这些编码数据，在视频场的逆程期间送入摄像机定位的分析计算机，计算摄像机的位置、方向和视角。然后，译码成位置参数指令，通过虚拟摄像机控制设备控制虚拟背景图像，跟踪真实图像。传感器的性能，直接影响到跟踪精度、跟踪分辨率、跟踪速度。优点：计算延迟时间3帧左右，跟踪速度快，跟踪精度高。缺点：摄像机机位固定，更换位置要求重新调整；摄像机锁定和镜头校准困难，限制了拍摄自由度；对摄像机机型和云台有要求，限制了选择范围；增加传感器会加大经费。15在真实环境中蓝幕上画上两种蓝色深浅不同、线条粗细不等、线间空格不均匀的网格图像。通过网格图案特征的分析，可以得到摄像机的机头和镜头参数，以及摄像机位置参数。图形识别技术的计算量较大，导致虚拟图像比前景图像滞后6-7帧，而传感器方式的延迟只有3帧。为了保证前景运动和背景运动的时间同步性，前景图像要求经过硬件的延时器。优点：对摄像机机型无限制，无需附加设备，不必改造演播室。缺点：跟踪精度低，摄像机散焦或网格在3格以下时跟踪失常。为了保持网格的高清晰度，限制了摄像机景深；为保证网格的数量，限制了演员的活动范围；为保证网格的识别，要求色键的高质量。虚拟演播室关键技术-同步跟踪技术现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术2）图形识别跟踪技术16虚拟布景生成的过程如下：1)把计算机制作的三维数学模型以及贴在模型表面的纹理映射存储在图形工作站的数据库中；2)然后在真实摄像机运动参数的控制下，虚拟摄像机对存储的三维模型进行三维重建，即把三维模型提供给虚拟场景制作软件，选定适当的投影关系，生成虚拟布景。虚拟摄像机硬件采用图形图像处理功能强大的ONYX图形工作站。要求虚拟背景图像连续平稳的变化，图形工作站应该有每秒25帧的处理能力。虚拟背景的生成包括建模和重建两步。第一步利用建模工具建立三维模型和纹理贴图。第二步由图形计算机控制物体在虚拟环境中的位置，建立整个虚拟环境。虚拟演播室关键技术-虚拟布景生成技术现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术17点击观看虚拟现实几何和物理建模得到的场景虚拟现实的物理建模技术现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术VR的物理属性往往用微分方程来描述，它构成动力学系统。这种动力学系统由系统分析和系统仿真来研究。系统仿真实际上就是动力学系统的物理仿真。经典力学的仿真广泛用于帮助工程设计和分析。虽然这些传统仿真提供属性的数值规律，但还没有满足VR要求。在工程实践中，工程师一般花很多时间手工开发系统的数学模型。模型再转换成仿真软件和参数选择。与此对比，VR的力学仿真必须可靠地、无缝地、自动地、实时地运行。在世界建模的范围内，任何可能发生的情况必须正确处理。近年来，计算机图形的研究开始涉及这类仿真提出的问题，这称为基于物理的建模。基于物理模型的动画技术，尽管比传统动画技术的计算复杂性高，但能逼真地模拟自然物理现象。基于物理模型的动画，大致可分为三类，刚体运动模拟、塑性物体变形运动模拟、流体运动模拟。18刚体运动模拟方面，重点在于采用牛顿动力学方程、时空约束和能量约束方程，进行运动仿真，用解析方法来计算刚体碰撞时产生的冲量。可以采用层次包围盒技术，计算多面体场景的碰撞检测。Moore提出了两个有效的碰撞检测算法，其一处理三角剖分的物体表面，另一个处理多面体环境的碰撞检测。利用一个刚体上各顶点的运动轨迹与另一刚体上各面片进行求交测试。虚拟现实的物理建模技术—刚体的建模现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术问题的提出：固体不能彼此穿过，这是我们日常见到的物理世界的一个方面。在放一个杯子在桌上时，杯子稳定地放在桌上，不会浮起也不会穿进去。在到达和抓取时，我们依靠固体的手与物体接触（机械手利用力控制和柔顺运动）。在站立和行走时也依靠与地面的接触。防止穿透问题有三个主要部分：a)首先，必须检测碰撞。b)其次，为响应碰撞应调节物体速度。c)最后，如果碰撞，响应不引起物体立刻分开，必须计算和施加接触力，直到分开。19碰撞检测的处理通常是通过检测每次修改位置时的物体重叠。确定任意一对物体是否重叠，在几何论中有大量的研究。通过检查一个凸多面体的每个顶点与另一个物体的每个面，可以直接检测凸多面体的强重叠。如果发现重叠，就发出碰撞信号，系统状态就返回碰撞的