虛擬現(xiàn)實整理

1、第一章虛擬現(xiàn)實概念1.虛擬現(xiàn)實：采用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技手段生成逼真的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶從自己的視點出發(fā)，借助特殊的輸入輸出設(shè)備，采用自然的方式與虛擬世界的物體進行交互，相互影響。虛擬現(xiàn)實是高度發(fā)展的計算機技術(shù)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用過程中的結(jié)晶和反映，不僅包括圖形學(xué)、圖像處理、模式識別、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、人工智能等高性能計算技術(shù)，而且涉及數(shù)學(xué)、物理、通信，甚至與氣象、地理、 美學(xué)、心理學(xué)和社會學(xué)等相關(guān)2.虛擬現(xiàn)實體驗：由交互式計算機仿真組成的一種媒體，能夠感知參與者的位置和動作，替代或增強一種或多種感覺反饋，從而產(chǎn)生一種精神沉浸或出現(xiàn)在仿真環(huán)境（虛擬

2、世界）中的感覺。3.虛擬現(xiàn)實體驗的四個要素：虛擬世界、沉浸、感覺反饋、交互性虛擬現(xiàn)實的特點：沉浸性、交互性、感知性、想象性。4.相關(guān)概念：人工現(xiàn)實（ Artificial Reality）：用戶可以交互參與的合成環(huán)境；根據(jù)參與者的身體與圖形世界的關(guān)系感知參與者的動作，并且產(chǎn)生響應(yīng)，以維持在這個世界中發(fā)生動作的錯覺；賽博空間（ Cyberspace）：僅在參與者心中存在的場所，通常指能夠使具有一定地理距離的人相互溝通的技術(shù)的產(chǎn)物；電話、聊天室、視頻會議、電話會議等；增強現(xiàn)實：（ Augmented Reality ）：把虛擬表現(xiàn)與物理世界中的感覺結(jié)合起來，提供關(guān)于物理世界的額外信息人自身感知能力

3、無法感知。工程承建者：看到管道和管道系統(tǒng)；醫(yī)生：看到病人身體外觀和內(nèi)部器官。5.虛擬現(xiàn)實與模擬仿真、與三維動畫的比較：虛擬現(xiàn)實是模擬仿真在高性能計算機系統(tǒng)和信息處理環(huán)境下的發(fā)展和技術(shù)拓展。模擬仿真是一種物理模擬技術(shù)的應(yīng)用，運用模擬仿真技術(shù)描述現(xiàn)實世界。三維動畫：又稱3D動畫，隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一新興技術(shù)。三維動畫軟件在計算機中首先建立一個虛擬的世界，設(shè)計師在這個虛擬的三維世界中按照要表現(xiàn)的對象的形狀尺寸建立模型以及場景，再根據(jù)要求設(shè)定模型的運動軌跡、虛擬攝影機的運動和其它動畫參數(shù)，最后按要求為模型賦上特定的材質(zhì)，并打上燈光。當這一切完成后就可以讓計算機自動運算，生成最后的畫面。

4、三維動畫和虛擬現(xiàn)實的異同：從3D數(shù)字內(nèi)容的角度來看，虛擬現(xiàn)實和三維動畫都是以計算機圖學(xué)模型為基礎(chǔ)所構(gòu)建的3D數(shù)字內(nèi)容，三維動畫技術(shù)是依靠計算機預(yù)先處理好的路徑上所能看見的靜止照片連續(xù)播放而形成的，不具有任何交互性，即不是用戶想看什么地方就能看到什么地方，用戶只能按照設(shè)計師預(yù)先固定好的一條線路去看某些場景，它給用戶提供的信息很少或不是所需的，用戶是被動的；而虛擬現(xiàn)實技術(shù)則截然不同，它通過計算機實時計算場景，根據(jù)用戶的需要把整個空間中所有的信息真實地提供給用戶，用戶可依自己的路線行走，計算機會產(chǎn)生相應(yīng)的場景，真正做到“想得到，就看得到（虛擬現(xiàn)實的特點：沉浸、交互、想象、多感知性）。6.虛擬現(xiàn)實的發(fā)

5、展歷程和發(fā)展趨勢（發(fā)展歷程：教材3頁）：發(fā)展趨勢：(1)動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)；(2)實時三維圖形生成和顯示技術(shù)；（3）媒介與人的融合，新型交互設(shè)備的研制；(4)大型網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實的研究與應(yīng)用；（5）智能化語音虛擬現(xiàn)實建模。發(fā)展方向：計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、投影技術(shù)等的發(fā)展，出現(xiàn)了分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、CAD Wall、VR Center、CAVE、IDesk等新技術(shù)；與專業(yè)技術(shù)相融合，產(chǎn)生了數(shù)字地球研究、虛擬規(guī)劃設(shè)計、虛擬現(xiàn)實機械裝備、虛擬考古、虛擬手術(shù)、虛擬駕駛、虛擬管線設(shè)計、虛擬軍事對抗等應(yīng)用系統(tǒng)7.虛擬現(xiàn)實的主要技術(shù)（教材97頁）：實時三維計算機圖形學(xué)技術(shù)：能夠?qū)崟r的根據(jù)準確的模型，生成不同

6、光照條件下各種物體的精確圖像，涉及圖像的刷新，圖像質(zhì)量，復(fù)雜的虛擬環(huán)境；廣角（寬視野）的立體顯示技術(shù)：雙目立體視覺：兩只眼睛在不同的顯示屏上看到不同的圖像；單個顯示器：一只眼睛看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛看到偶數(shù)幀圖像，產(chǎn)生立體感頭眼手的跟蹤技術(shù)：確定用戶的位置，頭部眼部位置。觸覺力覺反饋技術(shù)：抓握、碰撞檢測、穿越、材質(zhì)手感立體聲技術(shù)：頭部轉(zhuǎn)動時聽到聲音的方向會改變語音輸入輸出技術(shù)等技術(shù)：交互8.虛擬現(xiàn)實分類及各種系統(tǒng)的特點（教材17頁，ppt第一章92頁）（1）桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（經(jīng)濟的）：沉浸感較差，易受干擾；設(shè)備要求低；成本低，易于實現(xiàn)，易于普及（2）沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（高級的，較理想的，

7、沉浸感很強）：高度的實行性；高度的沉浸感；良好的系統(tǒng)集成度和整合性能；良好的開放性；支持多種輸入與輸出設(shè)備并行工作。（3）增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（將真實世界和虛擬世界組合在一起）：真實世界和虛擬世界融為一體；具有人機實時交互功能；真實世界和虛擬世界在三維空間中融合（4）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)物）：共享虛擬工作空間；偽實體的行為真實感；實時交換、共享時鐘；多用戶以多種方式通信；資源共享，允許用戶操縱虛擬世界中的對象9.虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實的比較：增強現(xiàn)實技術(shù)能夠把虛擬信息（物體、圖片、視頻、聲音等等）融合在現(xiàn)實環(huán)境中，將現(xiàn)實世界豐富起來，構(gòu)建一個更加全面、更加美好的世界。G

8、oogle Glass開始，增強現(xiàn)實眼鏡開始不斷出現(xiàn)，但都還是初級產(chǎn)品，這些眼鏡能夠做到給用戶呈現(xiàn)一些簡單的輔助信息，但復(fù)雜信息就無能為力了。增強現(xiàn)實（AugmentedReality，簡稱AR），是在虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，是通過計算機系統(tǒng)提供的信息增加用戶對現(xiàn)實世界感知的技術(shù)，并將計算機生成的虛擬物體、場景或系統(tǒng)提示信息疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實的“增強”。AR通常是以透過式頭盔顯示系統(tǒng)和注冊（AR系統(tǒng)中用戶觀察點和計算機生成的虛擬物體的定位）系統(tǒng)相結(jié)合的形式來實現(xiàn)的第二章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備（詳細參照ppt）一、虛擬現(xiàn)實硬件的系統(tǒng)集成（1）虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要：一個以計算機

9、為核心、將多種I/O交互設(shè)備協(xié)調(diào)組合在一起的硬件平臺。（2）計算機系統(tǒng)的功能：保障虛擬三維場景的實時計算和顯示，盡量減少延遲；協(xié)調(diào)各種I/O交互設(shè)備之間的工作，確保系統(tǒng)整體運行的性能。（3）虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺VIEW：2.典型輸入輸出裝置（六個）（1）三維跟蹤傳感設(shè)備：跟蹤器；不良跟蹤；衡量跟蹤器性能的參數(shù)（五個）：精度、抖動、偏差、延遲、更新率；三維跟蹤器類型（五個），各類跟蹤器優(yōu)缺點、定義、原理機械、電磁、超聲波、光學(xué)、混合慣性跟蹤器（2）漫游和操縱借口：立體鼠標，三維鼠標（3）手勢接口：測量手指和手腕的實時位置的設(shè)備，（4）立體顯示器：立體顯示原理：立體圖繪制，立體圖像顯示、繪制，立體視覺

10、；裝置：眼鏡，頭盔顯示器，立體顯示投影，3D顯示器（5）觸覺和力覺反饋裝置：分類：接觸反饋，力反饋觸覺反饋借口要求：真實性，安全性，輕便舒適性，折中性分類：觸覺鼠標、手套，溫度反饋手套人類觸覺系統(tǒng)感知類型（四個）觸覺感知，溫度感知，本體感知，肌肉運動感知力反饋接口：特點：機械帶寬概念操縱桿，臂，手套（特點）（6）3D聲音生成器：3.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中人的因素（四個）（1）虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)組成：計算機，借口和用戶（2）眼睛（調(diào)節(jié)、視覺暫留、臨界融合頻率、立體視覺）視場、），耳朵（聲音、聲音感覺、聲音方向），身體感覺（深部感覺，內(nèi)臟感覺，本體感覺，外感受感覺），平衡與運動眩暈第三章虛擬現(xiàn)實建模技術(shù)1.虛擬

11、現(xiàn)實建模（即虛擬環(huán)境的建模）概述：（1）虛擬現(xiàn)實中三類虛擬環(huán)境：真實世界環(huán)境的模仿、人類主觀構(gòu)造的環(huán)境、真實世界人類不可見環(huán)境的模仿（2）虛擬環(huán)境（五個）：虛擬物體、虛擬光、物理仿真、動畫、碰撞檢測（這些環(huán)境特點參照第三章ppt）（3）如何完整描述出模型？答：模型包括動態(tài)模型和靜態(tài)模型。首先詳細描述包括模型信息（視覺外形、物理特性、實體信息和環(huán)境信息）；虛擬現(xiàn)實建模（視覺建模），包括幾何模型、物理模型、運動模型、行為模型和模型分割。層次建模方法：用樹形結(jié)構(gòu)表示實體的各個組成部分，呈分層結(jié)構(gòu)；如自頂向下分解一個幾何對象或自底向上構(gòu)造一個幾何對象。分層結(jié)構(gòu)：子對象和其之間的連接，能表現(xiàn)子對象之間的

12、拓撲特性；各節(jié)點具有自己的局部坐標系，可以相互轉(zhuǎn)換一種簡便自然的復(fù)雜實體對象的分割方法，對模型修改十分有利。屬主建模方法：同一種對象擁有同一個屬主（母體），類似于面向?qū)ο蟮睦^承，屬主：類對象的詳細的結(jié)構(gòu)和屬性特征；簡單高效、易于修改、一致性好自主智能體（Agent）：一個具有自適應(yīng)性和智能性的軟件實體，能代表用戶或其它程序，以主動服務(wù)的方式完成一項工作。行為模型，基于其建模包括感知部分、認知處理部分、行為輸出部分。單元分割：虛擬環(huán)境分割成較小的單元。只當前模型中的物體被渲染, 極大減少模型的復(fù)雜度。大型建筑模型分割后,模型的大部分在給定的視景中是不起作用的。每個視野中的多邊形數(shù)基本不隨視點的移

13、動而變化。2.基于圖形學(xué)的真實感圖形實時繪制（具體參照ppt）（1）計算機圖形學(xué)：定義，結(jié)果，計算機圖形學(xué)常用算法 （2）虛擬環(huán)境三個組成部分：內(nèi)容，幾何，動態(tài)特性 （3）真實感：維持真實感的條件（三個），計算機圖形學(xué)中真實感含義（三個）幾何真實感：定義，用處，三維幾何圖形構(gòu)成（兩個）光照真實感：計算復(fù)雜，光照計算（兩種） 行為真實感 （4）真實感和實時之間的沖突，真實感三個部分構(gòu)造難度 （5）實時：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：真實+ 實時，實時三維圖形生成技術(shù) （6）VR系統(tǒng)中，三維圖形主要通過人工對物體及環(huán)境進行三維建模 （7）計算機圖形學(xué)圍繞著生成、表示和渲染具有真實感虛擬物體與場景的算法 （8）幾何

14、造型：多面體造型，（優(yōu)點）曲面造型 （9）光照模型：來自光源和周圍環(huán)境的光照射到景物表面時，出現(xiàn)情況Lambert漫反射模型Phong 模型：鏡面反射 鏡面反射遵循光的反射定律 （10）三維觀察：三維圖形顯示等 （11）紋理映射：紋理給VR仿真帶來的好處紋理生成 紋理分類 常用紋理映射方法，繪制流程 3.基于圖象的建模技術(shù) （1）VR特性，VR對計算機圖形學(xué)的挑戰(zhàn)，經(jīng)典圖形學(xué)問題 （2）QuickTime VR 是不是 VR 系統(tǒng)？ （3）IBMR 、計算機圖形學(xué)、計算機視覺 （4）圖形、圖象建模比較 （5）基于圖象的建模定義 （6）IBMR 的優(yōu)點 （7）基于圖象的造型與繪制（IBMR），基

15、于圖象的造型（ IBM ） （8）IBMR 技術(shù)兩種方法：基于計算機視覺，基于圖像的渲染（ IBR ） （9）虛擬友誼廣場 （10）IBR技術(shù)全光函數(shù)，四維光圖函數(shù)，光場技術(shù)，同心拼圖技術(shù) （11）虛擬全景空間基于圖像渲染的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：全景圖像：二維的全光函數(shù)；N維虛擬空間（VPS）；局部圖像；全景圖像定義、制作、特點、應(yīng)用全景，全景攝影怎么生成三維全景？全景圖像的制作拍攝云臺，魚眼鏡頭，取景與用光360度全景圖像是否是真正的虛擬現(xiàn)實？（12）虛擬現(xiàn)實的人機交互信息導(dǎo)航4.模型分割：層次細節(jié)模型（LOD）（1）LOD方法基本思想：對場景中的不同物體或物體的不同部分，采用不同的細節(jié)描述方法；繪

16、制時：物體離視點較遠或物體較小，用較粗的LOD模型繪制；物體離視點比較近或物體比較大，用較精細的LOD模型繪制；運動速度快或處于運動中的物體，采用較粗的LOD；靜止的物體，采用較細的LOD。（2）LOD應(yīng)用：實時圖像通信；交互式可視化；虛擬現(xiàn)實；地形表示；飛行模擬；限時圖形繪制等；（3）虛擬場景LOD模型生成的方法：去掉不需要用圖形顯示硬件繪制的細節(jié)；去掉無法用圖形硬件繪制的細節(jié)，如基于距離和物體尺寸標準的方法；去掉人類視覺覺察不到的細節(jié)，如基于偏心率，視野深度，運動速度等標準的方法；保持恒定幀率；有剔除法；距離標準；尺寸標準；偏心率；視野深度；運動速度；固定幀率（具體參照ppt）圖形生成速度

17、是VR場景的瓶頸，LOD模型是解決這一問題的一個優(yōu)化。第四章虛擬現(xiàn)實軟件平臺1.虛擬現(xiàn)實的五個核心系統(tǒng)：（1）顯示設(shè)備： 營造高度逼真、自然的虛擬世界（2）交互設(shè)備： 虛擬和現(xiàn)實之間的“媒介”（3）3D內(nèi)容： 虛擬現(xiàn)實的靈魂（4）軟件平臺： 虛擬現(xiàn)實的核心系統(tǒng)（5）高性能計算機系統(tǒng)： 虛擬現(xiàn)實的大本營2.軟件平臺概述（詳細參照ppt）（1）比較主流的國外虛擬現(xiàn)實引擎（2）五大類虛擬現(xiàn)實軟件：虛擬現(xiàn)實整合軟件及平臺：Virtools，Quest3D；游戲開發(fā)引擎：Unity3D，Nibiru虛擬現(xiàn)實游戲平臺；語言類虛擬現(xiàn)實工具：虛擬現(xiàn)實建模語言VRML，三維圖像標記語言X3D；視覺類虛擬現(xiàn)實工具

18、：Flash3D，3D播播；觸覺類虛擬現(xiàn)實工具：Haptics技術(shù)3.虛擬現(xiàn)實建模工具（1）MultigenCreator建模與Vega：主要內(nèi)容城市建模的實現(xiàn)；數(shù)據(jù)的準備和處理模型的分解和組織建模：樹的建模實例分析：虛擬校園建模Vega場景漫游（2）3DSMAX建立場景的基本步驟粒子系統(tǒng)4.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)圖形程序設(shè)計接口OpenGL（1）顯示：軟件，硬件，接口（2）OpenGL優(yōu)勢，定義，發(fā)展歷史，組成，特點，基本工作流程，基本操作（3）OpenGL程序的基本結(jié)構(gòu)（4）在C語言中調(diào)用OpenGL的函數(shù)5.虛擬現(xiàn)實建模語言：VRML（1）VRML基本概念由來特點（2）VRML的瀏覽與編輯：瀏覽條

19、件；編輯方法；文件結(jié)構(gòu)：文件頭，文件注釋，節(jié)點，事件和路由（3）地理虛擬建模語言（GeoVRML）：特性6.實例分析一：虛擬校園建模（1）從軟件工程角度看：需求分析：校園規(guī)劃、校園管理、學(xué)生發(fā)展、校園風(fēng)光欣賞、招生宣傳等。系統(tǒng)總體設(shè)計：根據(jù)校園的現(xiàn)實場景對校園進行建模，其中包括校園里的各種對象，如體育場、樓房、道路、樹木、草坪、校門、噴泉池等，通過建模可以描繪出校園的整個框架，獲得一個整體感覺，再提供豐富的交互功能，以供用戶與整個虛擬環(huán)境進行交流。對校園的建模，可以分為外部建模，如樓房的外觀、操場、道路等的建模，以及內(nèi)部建模，包括教學(xué)樓的內(nèi)部，辦公大樓的內(nèi)部漫游建模。在第一步的基礎(chǔ)上，加入一些

20、動態(tài)的元素，如道路上行走的人物，樹木上飛來飛去的小鳥，迎風(fēng)飄揚的國旗，動態(tài)的噴泉等等；加入一些聲音、文字說明、視屏介紹等輔助內(nèi)容，以介紹學(xué)校的方方面面。功能分解：主場景漫游功能、漫游模式控制功能、環(huán)境效果控制功能、聲音效果控制功能、系統(tǒng)信息查詢功能、模型建立與場景數(shù)據(jù)管理功能等實施步驟：校園空間數(shù)據(jù)的獲取與處理：獲取手段、格式、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)；校園物體建模：先基礎(chǔ)建筑物建模，再重點建筑建模，最后其他地物建模；建模技術(shù)和方法、模型選擇、模型數(shù)據(jù)的處理與存儲環(huán)境建模（三維模型的渲染）：紋理、光照、消影、碰撞等模型集成和發(fā)布：統(tǒng)一的接口、VR引擎（2）場景繪制及渲染的流程：場景顯示的方法：（

21、2）場景繪制：通過數(shù)碼相機或其他儀器對地物進行拍照，獲得地物正面的圖片；然后利用專門的軟件（如3Dmax）進行處理；對其紋理進行處理使其具有層次感。也可以通過三維建模軟件建立地物模型，然后通過貼紋理使其更逼真。也可以通過測量的方式獲得地物信息，然后對其進行建模貼紋理。渲染：渲染技術(shù)是指在三維場景中模擬物理環(huán)境的光線照明、物理世界中物體的材質(zhì)質(zhì)感來得到較為真實的圖像的過程。渲染不是獨立存在的一個概念，它是將三維模型、紋理、燈光、相機和效果過程中的所有工作集合在一起形成最終圖形序列的過程。渲染流程：1.構(gòu)圖：鏡頭的選擇，頁面的創(chuàng)建；2.測試參數(shù)：以最快的時間內(nèi)把握光影關(guān)系，包括采樣器、輸出、渲 染

22、引擎的設(shè)置等；3.布光：VR陽光天光與矩形光的配合；4.材質(zhì)：室外背景天空材質(zhì)，室內(nèi)材質(zhì)調(diào)整；5.最終出圖：參數(shù)、燈光、材質(zhì)三者間的平衡；6.后期處理：亮度、對比度、飽合度等的處理。（3）繪制優(yōu)化方法：LOD模型：批的優(yōu)化：批是場景優(yōu)化中的最重要的概念之一，它指的是一次渲染調(diào)用（DP），批的尺寸是這次渲染調(diào)用所能渲染的多邊形數(shù)量。每個批的調(diào)用都會消耗一定的CPU時間，對于顯卡來說，一個批里的多邊形數(shù)量遠達不到最大繪制數(shù)量。因此盡可能將更多的多邊形放在一個批里渲染，以此來減少批的數(shù)目，最終降低CPU時間，是批的優(yōu)化基本原則。然而事情往往不盡如人意，有些情況下原有的批會被打破，造成額外的開銷，如紋

23、理的改變或不同的矩陣狀態(tài)。針對這些問題，我們可以采用一些方法來盡量避免它，已達到批尺寸的最大化。合并多個小紋理為一張大紋理在某個場景中，地面上有十多種不同的植被，它們除了紋理不同外，渲染狀態(tài)都是一樣。我們就可以把它們的紋理打包成一個大紋理，再為每個植被模型指定UV，這樣我們就可以用一個渲染調(diào)用來渲染所有的物體，批的數(shù)量就從十多個降為一個。這種方法比較適合對紋理精度要求不高，面數(shù)不會太多的物體。利用頂點shader 來統(tǒng)一不同矩陣的情況即使場景中的所有物體材質(zhì)都一樣，如果它們的矩陣狀態(tài)不同（特別是場景圖管理的引擎），也會打碎原有的批。利用頂點shader技術(shù)可以避免這種情況，因為可以把要乘的變換

24、矩陣通過常量寄存器傳到shader程序中，這樣統(tǒng)一了物體的矩陣狀態(tài)，可以放在一個批里渲染。渲染狀態(tài)管理：渲染狀態(tài)是用來控制渲染器的渲染行為，在D3D中是setRenderState,通過改變渲染狀態(tài)，我們可以設(shè)置紋理狀態(tài)、深度寫入等等。改變渲染狀態(tài)對顯卡來說，是個比較耗時的工作，因為顯卡執(zhí)行API必須嚴格按照渲染路徑，當渲染狀態(tài)變化時，顯卡就必須執(zhí)行浮點運算來改變渲染路徑，因此給CPU和GPU帶來時間消耗（CPU必須等待），渲染狀態(tài)變化越大，所要進行的浮點運算越多。因此將渲染狀態(tài)進行有效的管理，盡可能 減少其變化，對渲染性能影響巨大。（新六代的顯卡Geforce8系列中將一些常見的狀態(tài)參數(shù)集存

25、儲在顯卡核心中，當渲染狀態(tài)狀態(tài)發(fā)生變化，可以直接讀取保存的參數(shù)集，以消除不必要的開銷）。絕大部分的3D引擎都會按照渲染狀態(tài)對PASS進行分組渲染。場景管理的優(yōu)化：包括場景分割，可見性剔除等?，F(xiàn)在的室外場景一般采用quadtree或octree，當我們在性能評測時發(fā)現(xiàn)遍歷樹的過程比較慢時，有可能有兩個原因。一是樹的深度設(shè)置的不合理，我們可以很容易尋找到一個最佳的深度。另一個原因可能是我們?yōu)樘鄶?shù)量眾多，但體積很小的物體分配了結(jié)點，造成結(jié)點數(shù)量的冗余。解決方法是把這些小物體劃分到他們所在的大的結(jié)點中?？梢娦蕴蕹亲畛Ｒ妰?yōu)化方法，我們常用的是視錐裁減，這也是非常有效的。視錐裁減也是許多優(yōu)化方法，這里

26、就不詳說了。遮擋裁減也是經(jīng)常被用到的方法，常見的有地平線裁減。但是在有些情況下，遮擋裁減的效果并不明顯，如當CPU使用率已經(jīng)是100%時,CPU端是瓶頸，這時進行遮擋裁減計算消耗CPU時間，效果就不明顯。但是有些情況下利用一些預(yù)生成信息的方法，降低遮擋裁減計算的復(fù)雜度,提高遮擋裁減計算的效率,對場景性能會一定的改善。（4）既能提高場景繪制速度也不損失場景效果的策略：影響一幀渲染時間的因素包括：清屏?xí)r間、幾何特性處理（光照、紋理效果等）、幾何圖形的視圖變換、一幀中的像素點數(shù)(分辨率乘以深度復(fù)雜度)以及視頻刷新率等。這些因素所消耗的硬件資源與要求的處理時間都圍繞著一個核心要素，那就是傳遞給圖形系統(tǒng)

27、的數(shù)據(jù)量。因此，大多數(shù)的三維場景加速方法都圍繞降低場景模型復(fù)雜性和減少光柵化過程中的被處理像素的數(shù)量來展開。另外一些方法圍繞著數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重組織與渲染算法優(yōu)化展開，以提高處理數(shù)據(jù)的效率?？梢娦蕴蕹ū趁嫣蕹⒁曇婓w剔除、遮擋剔除，利用這些方法，從模型坐標轉(zhuǎn)換階段之前剔除對最終圖像渲染沒有貢獻的場景部分，然后將剩余場景發(fā)送到繪制管道，能有效降低場景的復(fù)雜程度和圖形流水線的負擔(dān)，是提高場景繪制效率的一種非常有效的方法。多邊形簡化技術(shù)為處理大數(shù)據(jù)量場景提供了一種解決途徑。簡化掉場景中不重要和遠端的部分，同時保證視覺顯示不會失真。能夠產(chǎn)生場景中物體的細節(jié)層次模型，來提高整個場景的渲染速度。除了場景的層

28、次細節(jié)模型技術(shù)外，紋理映射是另一個用來簡化復(fù)雜幾何體的有效方法。相當于紋理LOD的Mipmap方法可以提高場景渲染的質(zhì)量，采用剪切紋理（Clipmap）方法，能緩解內(nèi)存消耗過大的問題。采用多幅圖像壓縮成單幅紋理或消除細小紋理等方法可提高紋理內(nèi)存的使用效率。所以，這些紋理優(yōu)化技術(shù)對實時交互繪制系統(tǒng)來說是非常重要的。使用一系列圖像采樣代替場景的部分或全部幾何信息來繪制場景，是基于圖像的繪制和建模技術(shù)的基本思想，優(yōu)勢是比三維模型文件體積小，并能完整保留場景真實模樣，當然也存在著三維模型操作困難等缺點。而基于圖像加速的方法即加強了圖形畫面的真實性而又能減少圖形生成的負擔(dān)，是一種有效的三維幾何大數(shù)據(jù)量場

29、景繪制方法。圖形處理單元GPU已經(jīng)演化成一個十分靈活、強大的處理器，擁有可編程性、較高精度等能力。GPU的出現(xiàn)，降低了CPU負擔(dān)，可以加快圖形程序的運行速度，另外，針對GPU的模型數(shù)據(jù)優(yōu)化表示方法，如三角形條帶與緩存布局等技術(shù)，能進一步加速三維場景渲染。采用樹結(jié)構(gòu)或場景圖等表示法，將場景信息按空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織，可用于場景的可見性計算和碰撞檢測，從而加速場景的處理。數(shù)據(jù)調(diào)度策略與數(shù)據(jù)組織方法之間有著密切的聯(lián)系。隨著原始數(shù)據(jù)無法被一次性裝入RAM內(nèi)存問題的出現(xiàn)，針對外存數(shù)據(jù)的高效調(diào)度算法，可以控制內(nèi)外存數(shù)據(jù)調(diào)度，減少無效數(shù)據(jù)頁面的載入并相應(yīng)減少無效場景部分的繪制。第五章虛擬現(xiàn)實相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢1.

30、虛擬地理環(huán)境（1）地理環(huán)境：概念（2）虛擬地理環(huán)境（比較）（3）環(huán)境層次結(jié)構(gòu)（4）虛擬地理環(huán)境組成的層次特征（5）虛擬社群（6）虛擬地理環(huán)境特點（7）發(fā)展演化：虛擬群落，虛擬村落，虛擬城市（8）虛擬地理環(huán)境概念的發(fā)展：地理學(xué)，社會學(xué)，計算機技術(shù)、GIS（9）虛擬GIS（10）虛擬地理學(xué)語言，虛擬地理學(xué)，虛擬地圖學(xué)2地學(xué)可視化（1）基本概念：1、可視化：科學(xué)計算可視化，地學(xué)計算可視化2、地圖可視化與GIS可視化（2）地形三維顯示基本過程 數(shù)據(jù)準備，DEM遞歸細分，透視投影變換，光照模型，消隱與裁剪，圖形繪制和存儲，三維圖形的后處理，基于三維地形的分析（3）地形三維動態(tài)顯示方法：三個層次（4）地形

31、三維可視化軟件地形三維可視化與虛擬地理環(huán)境的比較：相同點：地學(xué)三維可視化與地學(xué)虛擬環(huán)境有著密切的關(guān)系，從技術(shù)層面上，兩者都要把多維地學(xué)數(shù)據(jù)空間轉(zhuǎn)換映射成三維圖形空間，用于地學(xué)三維可視化的許多技術(shù)和方法直接可用于地學(xué)虛擬環(huán)境的設(shè)計和開發(fā)；從研究主體層面上，從事地學(xué)虛擬環(huán)境系統(tǒng)的研究人員，大多也同時從事計算機圖形學(xué)和可視化的研究；不同點：從系統(tǒng)目標層次上：地學(xué)可視化是針對大量（海量）多維復(fù)雜地形數(shù)據(jù)，通過計算機圖形，圖象表達，經(jīng)過人的視覺大腦系統(tǒng)的快速處理，在反復(fù)動態(tài)交互中，增強對數(shù)據(jù)的洞察力，從而從數(shù)據(jù)中抽象出新的關(guān)系和特征，即獲取新的地學(xué)知識；地學(xué)虛擬環(huán)境，是應(yīng)用多維地學(xué)數(shù)據(jù)建立一個三為虛擬地

32、理空間，地學(xué)研究人員通過多感知或化身人進入到該虛擬空間，并可在虛擬空間中行走，觀察地學(xué)現(xiàn)象的分布或地學(xué)過程的演化，人的“體驗”起著重要的作用；從技術(shù)層面上：地學(xué)可視化一般沒有考慮雙眼立體視覺，也不要求與三維圖形的實時交互；投入式虛擬地學(xué)環(huán)境，雙眼立體視覺的應(yīng)用是必須的，并要求實時的交互能力，即每秒鐘至少產(chǎn)生15幀以上的供左右眼觀察的一對三維立體圖；分布式地學(xué)虛擬環(huán)境，雖然沒有應(yīng)用雙眼立體視覺，但應(yīng)用化身技術(shù)，增強人對虛擬空間的投入感，也要求實時交互能力；從認識和時間層面上：地學(xué)可視化屬于“外觀察”方式，僅使用了視覺觀察方式，人是旁觀者，人的觀察空間與地學(xué)三維圖形空間不合一；地學(xué)虛擬環(huán)境屬于“內(nèi)觀察”方式，并應(yīng)用多感知觀察和體驗方式，人是一個參與者，人的觀察空間、感知空間與三維虛擬空間合一；如虛擬海洋環(huán)境人可以通過“魚化身”體驗海洋魚的生活OpenGL繪制流水線及平衡其負載：圖形流水線的主要任務(wù)是將給定照相機參數(shù)、三維物體、光源、照明模式以及紋理等條件組成的三維場景繪制成一幅屏幕上顯示的二維圖像。從過程上可以劃分為以下幾個階段：應(yīng)用程序階段、幾何處理階段及像素處理階段。(1)應(yīng)用程序階段部分主要處理場景數(shù)