虚拟现实课件_第5章(教师-王洪群)39

1虚拟现实技术讲课老师：王洪群[e-mail]2第五章建模几何建模运动建模物理建模模型管理行为建模3VR的硬件保障虚拟世界的对象数据库VR创作工具智能行为物理建模运动建模模型管理几何建模IO映射实时仿真4一、几何建模几何建模：描述虚拟对象的形状（多边形、三角形、顶点和样条）以及它们的外观（表面纹理、表面强度和颜色）。三角形网格参数表面xxxxdtctbtatx23)(yyyydtctbtaty23)(zzzzdtctbtatz23)(1、虚拟对象的形状5工具包编辑器对象表面造型方法3DStudioAutoCAD导入CAD文件三维数字化仪创建对象三维数字化扫描化仪创建商业三维数据库1、虚拟对象的形状MiraImaging公司HyperSpace微型三维跟踪器4200纹理多边形，Beizer曲线Polhemus铁笔工作范围小，精度1mmRaindropGeomagic公司GeomagicWrap软件扫描得到的点云状图三角形网格简化用参数表面NURBS样条改良成新的多边形参数表面PolhemusFastScan3D扫描仪62、对象的视觉外观场景光照纹理映射局部场景光照整体场景光照孤立地处理对象和光源之间的交互，而忽略对象之间的相互依赖关系。模拟对象之间的相互反射和阴影效果，从而得到真实感更强的场景。是在图形流水线的光栅化阶段执行的一种技术，其目的是更改对象模型的表面属性，如颜色、漫反射率和象素法向量。Gouraud明暗处理局部光照处理方法法向量插值Phong明暗处理光线跟踪算法辐射度算法72、对象的视觉外观基于辐射度的整体光照处理法向量插值Phong明暗处理平面明暗处理局部光照处理方法辐射度处理与图形绘制流水线的同步82、对象的视觉外观场景光照纹理映射是在图形流水线的光栅化阶段执行的一种技术，其目的是更改对象模型的表面属性，如颜色、漫反射率和象素法向量。纹理映射创建方法画图程序产生的纹理位图电子扫描方式利用解析函数商业纹理数据库92、对象的视觉外观45992个多边形通过表面纹理减少多边形数目一个纹理多边形混合叠加原理凹凸映射的例子凹凸纹理是表现表面高度信息的单色纹理,用灰度级表示102、对象的视觉外观光线的多纹理映射标准的二维光线映射纹理叠加的光映射纹理另一类混合叠加纹理映射:光线映射:低分辨率的灰度级纹理,模拟给定光源锁产生的光。11二、运动建模运动建模：主要用于确定三维对象在世界坐标系中的位置，以及它们在虚拟世界中的运动或者虚拟相机的运。1、齐次变换矩阵,PzyxRzyxwww所谓齐次坐标就是将一个原本是n维的向量用一个n+1维向量来表示。如向量(x1,x2,…,xn)的齐次坐标表示为(hx1,hx2,…,hxn,h)其中h是一个实数。显然一个向量的齐次表示是不唯一的，齐次坐标的h取不同的值都表示的是同一个点，比如齐次坐标[8,4,2]、[4,2,1]表示的都是二维点[2,1]。1),,(1110001000100011'''zyxtttTtztytxzyxtttzyxzyxzyxzyx12缩放变换110000000000001'''zyxssszyxzyx11000100010001100000000000010001000100011'''zyxzyxssszyxzyxfffzyxfff相对于原点缩放相对于(xf,yf,zf)点缩放13旋转变换1)(110000cossin00sincos000011'''zyxRzyxzyxx1.绕x轴旋转变换2.绕y轴旋转变换1)(110000cos0sin00010sin0cos1'''zyxRzyxzyxy3.绕z轴旋转变换1)(11000010000cossin00sincos1'''zyxRzyxzyxz14旋转变换1),,(110000coscossincossin0sincoscossinsincoscossinsinsincossin0sinsincossincoscossinsinsincoscoscos1'''zyxRzyxzyx1.相对原点任意角度旋转变换10001333PRTBA1000)(331PRRTTTTBAAB对象的位置100011111PkjiTwwww1000)()()()()(11111tPtktjtitTwwww)1(1)()()(iwwiVtTtV15变换不变式ballrecieverecievesourcesourcewballwTtTTtT)()(handirecievesourcesoucewwiVtTTtV)()(16变换不变式ballrecieverecievesourcesourcewballwTtTTtT)()(17对象层次对象层次：定义了作为一个整体一起运动的一组对象，但是各部分也可以独立运动。至少分为两级：上一级对象是父对象，下一级称为子对象。父对象的运动会被其所有子对象复制，而子对象的运动却不会影响父对象的位置。grandchildchildchildparentgrandchildparentTTT分段模型的层次树图结构18对象层次fingertipreceiverreceiversourcesourcewfingertipwTtTtTtTtTtTtT332211)()()()()()(虚拟相机观察到的虚拟手层次结构)()()(tTtTtTfingertipwwglobalfingertipglobal19几何处理阶段：1）把虚拟对象映射到照相机坐标系；2）光照计算；3）透视投影；4）剪裁和屏幕映射。观察三维世界观察变换：世界坐标系到照相机坐标系的变换，称为观察变换。frustrum近平面远平面规范的观察体0100200020002nffnnfnfbtbtbtnlrlrlrnTprojection20三、物理建模物理建模：描述虚拟对象的物理特性，如：重量、惯性、表面硬度、柔软度和变形模式（弹性的还是塑性的）等。物理建模的计算负荷分派到触觉绘制流水线。碰撞检测1、碰撞检测方向包围盒（orientedboundingbox,OBB）－沿主轴方向轴向包围盒（axis-alignedboundingbox,AABB）－沿世界坐标系的坐标轴近似检测精确检测碰撞检测包围盒检测AABBOBB包围盒：包围给定三维对象所有顶点的棱柱。fpsvd1使用Voronoi区域使用代数方法，隐函数方法检测不到碰撞的情况：解决办法：1）提高绘制速度2）利用场景相关性。21三、物理建模2、表面变形表面切割22三、物理建模3、受力计算弹性虚拟对象塑性虚拟对象弹性虚拟对象ddFdddddKdKdddKFdiscdiscdiscdiscmaxmaxmax211,),(0,nmresidualmundkuFudkF)()1(21ndumdunm,0,0单位步进函数虚拟墙23三、物理建模3、受力计算弹性虚拟对象塑性虚拟对象塑性虚拟对象松弛过程,00,mddKFelastic松弛过程中,0maxmax,0,maxddFddudKFm虚拟墙24三、物理建模3、受力计算弹性虚拟对象塑性虚拟对象虚拟墙0',0','ddKddBdKFwallwall虚拟墙25三、物理建模4、力的平滑与映射ddNFddNdKFobjectsmoothedimaxmaxmax,0,力的渐变处理(forceshading)通过改变与多边形表面交互过程中产生的反馈力的方向，来模拟与光滑的曲面表面接触时候的感觉。26三、物理建模4、力的平滑与映射)cos(_meshhapticdisplayedFF－－触觉手套激励器与最后得到的网格力之间的夹角。surfaceimeshballimeshhapticNdKF___imeshd_是网络点i处的穿透距离，即内部触点和该网络点当前位置之间的距离。surfaceN是触点处多边形的加权表面法向量。表面细节触点I的渐变处理虚拟球表面变形27三、物理建模4、触觉纹理映射PHANToM产生的触觉纹理xhAFxtexture_yhAFytexture_)sin()sin(nymxAFtexturefrictiontextureconstraresistFFFFint用户感觉到的阻力28五、行为建模虚拟人(agent)：是一个具有人的行为特征的三维角色。一组agents称为人群，他们具有群组行为。虚拟环境的自主程度取决于各个组件（称为交互对象，agent,或人群的自主程度。程序控制的(programmed)被指导的(guided)自主级别levelofautonomy,简称LOA自主的(autonomous))](),()],([groupsLOAagentsLOAobjectsLOAfSautonomy仿真的自主级别：Agent行为模型情绪行为规则动作Agent行为的层次基于情绪的行为反射行为29五、行为建模相同的感觉数据产生了不同的行为反射行为表现为：每当看见对手就阻截。基于情绪的行为：通过喜欢、不喜欢、生气和恐惧过滤感知数据，比反射行为的层次要高。Dexter智能agent表现反射行为的agent,模仿用户手势的agent用户控制30五、行为建模包含自主和程序控制agent组的游行示威一组agent形成群体，群体可以是被指导的、程序控制的或者自主的。31五、模型管理模型管理：包含那些用于帮助VR引擎以交互速度绘制复杂虚拟环境，同时对仿真质量不会产生重大影响的技术。对象细节等级管理模型管理的方法单元划分离线预计算数据库管理静态LOD管理：基于对象的离散几何、alpha融合和形状渐变。静态LOD管理自适应的LOD管理细节等级管理：(Level-of-detail,简称LOD)管理那些通过选择对象相应的细节等级来提高图形流水线吞吐量的技术。32五、模型管理离散几何LOD管理：它把场景划分成虚拟相机的位置为中心的同心圆区域，同心圆半径由用户定义。“跃变问题“改变模型的多边形数目Alpha融合：把一个模型的透明度设置为与虚拟相机之间距离的函数。越近的模型越不透明。自适应的LOD管理：解决静态LOD管理无法解决的一些问题。33五、模型管理自适应LOD管理：考虑光照信息。其预计算阶段根据特定的光照条件和观察角度确定顶点折叠和分裂的方法。单个对象的自适应LOD管理边折叠8192低密度球局部分裂537512自适应LOD管理均匀的高密度球0.115秒0.024秒34五、模型管理0.305秒0.99秒标准偏差0.30535五、模型管理0.1秒