虚拟现实建模技术

目录一、虚拟现实建模技术概述............................................................................1二、几何建模技术.............................................................................................12.1形状建模......................................................................................................12.2外观建模.......................................................................................................32.2.1纹理映射.........................................................................................................32.2.2光照...................................................................................................................4三、运动建模技术.............................................................................................63.2对象位置.......................................................................................................73.3碰撞检测.......................................................................................................8四、物理建模技术.............................................................................................84.1分形技术.......................................................................................................94.2粒子系统.......................................................................................................9五、模型管理技术.............................................................................................95.1细节水平分割...............................................................................................95.2单元分割.....................................................................................................10六、虚拟现实建模技术的最新发展方向......................................................10参考文献.............................................................................................................1111虚拟现实的建模技术及其最新研究方向史龙飞（电子信息学院物理电子学）一、虚拟现实建模技术概述虚拟现实技术是在虚拟的数字空间中模拟真实世界中的事物,这就需要一个逼真的数字模型,于是虚拟现实建模技术就产生了。虚拟现实与现实到底像不像,是与建模技术紧密相关的,所以建模技术的研究具有非常重要的意义。按照建模方式的不同,现有的建模技术主要可以分为:几何造型、扫描、基于图象等几种方法。基于几何造型的建模技术需要专业的设计人员掌握相关三维软件创建出物体的三维模型,对设计人员要求高,而且效率不高。三扫描仪以其高精度的优势而得到应用,但由于测量设备本身所占空间比较大,容易受到空间、地点等因素的限制,从而限制其在某些特定情况下的使用范围,再者还需要进行一些后期的专业处理。基于数码照片的三维建模技术则可以根据物体的不同方位运用不同的视角来拍摄的数码照片,只要依据确定的数码相机的内外部参数来确定物体的特征点的空间方位。开发一个应用的第一步就是要从数学上定义基本过程,并配备已有的硬件资源。第二步就是开发对象数据库和优化模型,即建立对象的形状、外表、行为、限制模型并将对应的I/0工具映射到仿真的世界。建立一个虚拟对象模型所要考虑的一些基本问题有以下几个方面：几何建模，运动建模，对象特征，模型分割等。二、几何建模技术几何建模描述虚拟对象的形状(多边形)三角形和顶点、以及它们的外表(纹理、表面反射系数、颜色)。2.1形状建模要表现三维物体，最基本的是绘制出三维物体的轮廓，利用点和线来构建整个三维物体的外边界，即仅使用边界来表示三维物体。三维图形物体中运用边界表示的最普遍方式是使用一组包围物体内部的表面多边形来存储物体的描述，多面体的多边形表示精确的定义了物体的表面特征，但对其它物体，则可以通过把表面嵌入到物体中来生成一个多边形网格逼近，曲面上采用多边形网格逼近可以通过将曲面分成更小的多边形加以改进。由于线框轮廓能快速显示以概要的说明表面结构，因此，这种表示在设计和实体模型应用中普遍采用。通过沿多边形表面进行明暗处理来消除或减少多边形边界，以实现真实性绘制。对于对象的形状建模常常可以利用现有的图形库来创建，常用的图形库有：图形核心系统GKS(GraphicalKerna1System)、程序员级分层结构交互图形系统PHIGS、开放式图形库OpenGL(OpenGraphicsLibrary)等。下图是使用OpenGL创建的几个几何形体：2staticvoiddisplay(void){constdoublet=glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME)/1000.0;constdoublea=t*90.0;glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT);glColor3d(1,0,0);glPushMatrix();glTranslated(-2.4,1.2,-6);glRotated(60,1,0,0);glRotated(a,0,0,1);glutSolidSphere(1,slices,stacks);glPopMatrix();glPushMatrix();glTranslated(0,1.2,-6);glRotated(60,1,0,0);glRotated(a,0,0,1);glutSolidCone(1,1,slices,stacks);glPopMatrix();…………glutSwapBuffers();}由上面代码可以看出，要创建出一个三维模型来需要提供详细的坐标信息，并且在创建过程中需要完全依靠想象力来进行布局，这对技术人员的要求比较高。为了避免直接用多边形或三角形拼构某个对象形状时繁琐的过程，可以直接购买商品化几何图形库。目前比较著名的是美国ViewpointDatalabs公司的ViewPointCatalog图形库。然而，规则三维立体可以用上述方法进行建模，那么对于某些特殊的几何对象，现3有的图形库不能满足要求时，需通过对三维物体表面的测试得到离散的三维数据，然后将这些数据用多边形描述出来从而构造出对象的形状。近年来三维扫描技术得到了迅速发展。三维扫描仪，又称为三维数字化仪，是一种将真实世界的立体彩色图形转换为计算机能直接处理的数字信号的装置。它在VR技术、影视特技制作、高级游戏、文物保护等方面有着广泛的应用。事实上，在VR系统中,靠人工构造大量的三维彩色模型费时费力，且真实感差。利用三维扫描技术可为VR系统提供大量的、与现实世界完全一致的三维彩色模型数据。2.2外观建模对象的外表是一种物体区别于其它物体的质地特征，VR系统中虚拟对象的外表真实感主要取决于它的表面反射和纹理。一般来讲，只要时间足够宽裕，用增加物体多边形的方法可以绘制出十分逼真的图形表面。但是VR系统是典型的限时计算与显示系统，对实时性要求很高。因此，省时的纹理映射(TextureMapping)技术在VR系统几何建模中得到广泛应用。用纹理映射技术处理对象的外表，一是增加了细节层次以及景物的真实感；二是提供了更好的三维空间线索；三是减少了视景多边形的数目，因而提高了帧刷新率，增强了复杂场景的实时动态显示效果。2.2.1纹理映射所谓纹理映射，就是把给定的纹理图像映射到物体表面上，并不是特定的几何模型，使用纹理映射可以避免对场景的每个细节都使用多边形性来表示，进而可以大大减少环境模型的多边形数目，提高图形的显示速度。从物体表面的质地特征来看，纹理映射分为颜色纹理映射和凹凸纹理映射。前者是通过颜色色彩或明暗度的变化来表现物体的表面细节；后者则是通过对景物表面各采样点法向量的扰动来表现物体几何形状凹凸不平的粗糙质感。从具体算法来看，纹理映射可分为标准纹理映射和逆向纹理映射。标准纹理映射是对纹理表面均匀扫描，并直接映射到屏幕空间。逆向纹理映射是对屏幕上的每一像素，通过逆映射寻找到物体空间上的对应点，再在纹理空间找到相应的像素点，取得纹理值经滤波后显示该像素。纹理映射的过程如下图所示：),(DDYXE代表眼点，),,(ZYXP代表物体上的点，),(vuq代表纹理上的像素点。所以，纹理映射实际上是屏幕空间、物体空间和纹理空间之间的一系列的变换过程。虚拟对象的纹理可通过拍摄对应物体的照片、然后将照片扫描进计算机的方法得到，也可用4图像绘制软件建立。物体空间与纹理空间之间映射关系的确定是实现纹理映射的关键。这种映射关系可以描述为),,(),(ZYXPvuq对于比较简单的二次曲面，其纹理映射函数可解析地表达出来。例如圆柱面)10(122zyx，可以用参数方程表示为vzvuyuux10)2cos(10)2sin(给定vu,，可以根据上式确定zyx,,。而给定圆柱上的),,(zyx，也可以根据其逆映射求出vu,：其他情况zxyyxyzxxzyvu,0),(0),(),(22。但对于复杂的高次参数曲面来说，求解析表达式往往是不可能的，这是应采用数值求解方法来离散求的。下图是使用OpenGL做出的纹理贴图示例：2.2.2光照当光照射到物体表面是，可能被吸收、反射或者折射。被物体吸收的部分抓华为热，而那些被反射、投射的光传到我们的视觉系统，使我们能看见物体。为了模拟这一物理现象，我们使用一些数学公式来近似计算物体表面按照什么样的规律，什么样的比例来5反射或者折射光线。这种公式称作明暗效应模型。假设物体不透明，那么物体表面呈现的颜色仅仅由其反射光决定。通常，反射光由三个分量表示，分别是：环境反射光，漫反射光，镜面反射光。1）环境反射光：环境反射光在任何方向上的分布相同。环境反射光用于模拟从环境中周围物