中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地學(xué)可視化考試重點(diǎn)地學(xué)可視化復(fù)習(xí)

1、科學(xué)計(jì)算可視化：通過研制計(jì)算機(jī)工具、技術(shù)和系統(tǒng)，把實(shí)驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算獲得的大量抽象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人的視覺可以直接感受的計(jì)算機(jī)圖形圖像，從而可進(jìn)行數(shù)據(jù)探索和分析，是幫助科學(xué)家理解信息的計(jì)算方法。地學(xué)可視化：是將科學(xué)計(jì)算可視化應(yīng)用于地球科學(xué)觀察，對(duì)地學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及模型計(jì)算數(shù) 據(jù)進(jìn)行圖形表達(dá)、顯示和分析，以便于探索地學(xué)規(guī)律。虛擬現(xiàn)實(shí)：一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境。以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的由現(xiàn)代高科技技術(shù)生成的逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與 虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。虛擬地理環(huán)境：為用戶提供一個(gè)虛擬空間和世界，讓用戶以

2、化身虛擬地進(jìn)入該空間和世界， 并“身臨其境”地分析現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境中的現(xiàn)象和過程。數(shù)字地球：數(shù)字地球是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò) 為紐帶運(yùn)用海量地球信息對(duì)地球進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空和多種類的三維描述，并利用 它作為工具來支持和改善人類活動(dòng)和生活質(zhì)量。數(shù)字城市：指利用數(shù)字城市理論，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)、遙感、遙測(cè)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體及虛擬 仿真等關(guān)鍵技術(shù)，深入開發(fā)與應(yīng)用空間信息資源，對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施、功能機(jī)制進(jìn)行自動(dòng)采集、 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、管理和輔助決策的技術(shù)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)：(1)沉浸感(Immersion)用戶可以沉浸于計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，所看、所聽、所聞(嗅卜所觸完

3、全與真實(shí)環(huán)境感受一樣。三維、立體、多通道。(2)交互性(Interaction )可采取現(xiàn)實(shí)生活中習(xí)以為常的方式來操縱虛擬環(huán)境中的物體。對(duì)于用戶的交互虛擬環(huán)境會(huì)做出的響應(yīng)；(3)構(gòu)想(Imagination)用戶沉浸在“真實(shí)的”虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境進(jìn)行了各種交互作用，從而可以深化概念，萌 發(fā)新意，產(chǎn)生認(rèn)識(shí)上的飛躍虛擬現(xiàn)實(shí)的硬件：(1)三維定位跟蹤設(shè)備。用于跟蹤用戶當(dāng)前位置和方位的傳感器，佩戴于用戶身體的某 些部位可對(duì)相應(yīng)部位進(jìn)行跟蹤。6自由度(6-DOF),位置和方向各3自由度。(2)手持式交互設(shè)備(3)數(shù)據(jù)手套。 附有傳感器，分布在手掌和手指的關(guān)節(jié)處，以獲取用戶手形的準(zhǔn)確信 息。傳感器捕獲

4、的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，用于控制虛擬手的運(yùn)動(dòng)(4)三維鼠標(biāo)(5)運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備(6)觸覺和力反饋設(shè)備(7)輸出設(shè)備-大屏幕(8)輸出設(shè)備-3D顯示器(9)輸出設(shè)備-數(shù)字頭盔虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類：按照交互及浸入程度不同，可分為：(1)桌面式 VR 系統(tǒng)(Desktop VR)采用計(jì)算機(jī)屏幕作為立體顯示載體，輔以一定的聲音輸出設(shè)備、三維交互設(shè)備和立體 眼鏡等。缺點(diǎn)：受到周圍現(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾而不能獲得完全的沉浸感。優(yōu)點(diǎn)：便宜。(2)沉浸式 VR系統(tǒng)(Immersive VR)利用HMD等設(shè)備把用戶的視覺、聽覺對(duì)外界封閉起來優(yōu)點(diǎn)：用戶完全投入到虛擬環(huán)境中，能提供好的沉浸感缺點(diǎn)：阻斷了人與人間的交流利用大規(guī)

5、模投影顯示設(shè)備讓用戶完全融入虛擬環(huán)境。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生立體圖像，經(jīng)投 影儀分別投射到對(duì)應(yīng)的屏幕上。用戶戴著立體眼鏡站于CAVE的內(nèi)部。立體眼鏡上附有6-DOF跟蹤設(shè)備對(duì)用戶頭部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤(3)增強(qiáng)式 VR系統(tǒng)(Augmented VR)將計(jì)算機(jī)生成的圖形與用戶在真實(shí)物理世界獲取的視覺信息組合在一起，又被稱為疊 加式或補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)式VR系統(tǒng)。終極目標(biāo)：用戶感覺不到現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)物體與用于增強(qiáng) 視覺信息的虛擬物體之間的差別(4)分布式 VR系統(tǒng)(Distributed VR)指基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的虛擬環(huán)境，將位于不同物理位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相 連接并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達(dá)到一

6、個(gè)更高的境界。主要被應(yīng)用于遠(yuǎn)程虛擬會(huì)議、虛擬醫(yī)學(xué)會(huì)診、多人網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬戰(zhàn)爭(zhēng)演習(xí)等領(lǐng)域。 三維數(shù)據(jù)模型分類：TIN模型：用連續(xù)但不重疊的不規(guī)則三角網(wǎng)，來描述三維物體的表面；Grid模型：采用規(guī)則的網(wǎng)格來描述三維物體表面。等高線模型：采用等值線來描述三維物體表面邊界表示模型(B-Rep): 一個(gè)實(shí)體可以通過它的面的集合來表示，而每一個(gè)面又可以用邊來描述，邊通過點(diǎn)表示，點(diǎn)通過三個(gè)坐標(biāo)值來定義。線框模型(Wire Frame):把目標(biāo)空間輪廓上兩兩相鄰的采樣點(diǎn)或特征點(diǎn)用直線連接起來， 形成一系列多邊形，然后把這些多邊形面拼接起來形成一個(gè)多邊形網(wǎng)格來模擬三維物體的表面 斷面模型：傳統(tǒng)地質(zhì)制圖方法的計(jì)算

7、機(jī)實(shí)現(xiàn)，即通過平面圖或剖面圖來描述礦床，以記錄 地質(zhì)信息。構(gòu)造實(shí)體幾何模型(CSG)預(yù)定義一些形狀規(guī)則的基本體元，由體元之間的幾何變換和正則 布爾操作(并、交、差)，組合成復(fù)雜形體。體素模型(VoxeD： 2D grid模型的擴(kuò)展，以一組規(guī)則的3D體素來剖分所要模擬的空間。TEN模型：用互不相交的直線將 3D空間中無重復(fù)的散亂點(diǎn)集兩兩連接形成三角面片，再 由互不穿越的三角面片構(gòu)成四面體格網(wǎng)TIN-CSG昆合模型：TIN描述地形，CSG的述建筑物，適于城市應(yīng)用。生成真實(shí)感圖形的步驟：1 .構(gòu)造三維場(chǎng)景的幾何描述。(造型)2 .投影轉(zhuǎn)換為二維透視圖。(投影)3 .確定可見面。(消隱)4.計(jì)算可見面

8、的顏色。(光照)顏色模型：(1)面向硬件的顏色模型：RGB模型(加色)CMY模型(Cyan青、Magenta 品紅、Yellow黃)(減色)(2)面向用戶的顏色模型HSV模型 H(Hue艷彩,S(Saturation的和度，V(Value明度光照模型：當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，光線可能被吸收、反射和透射。被物體吸收的部分轉(zhuǎn) 化為熱，反射、透射的光進(jìn)入人的視覺系統(tǒng)，使我們能看見物體。為模擬這一現(xiàn)象，需要建立 一些數(shù)學(xué)模型來替代復(fù)雜的物理模型，這些模型就稱為明暗效應(yīng)模型或者光照(明)模型。光照模型分類：(1)局部光照模型：假定物體是不透明的，只考慮光源的直接照射，而將光在物體之間 的傳播效果籠統(tǒng)地模擬

9、為環(huán)境光。(2)整體光照模型：可以處理物體之間光照的相互作用的模型稱為整體光照模型局部光照模型：局部光照模型模擬物體表面的對(duì)光的反射作用。物體被定義為不透明物體，只考慮物體對(duì)直接光的反射，物體間的光反射作用采用環(huán)境光 來表示。光源被定義為點(diǎn)光源，反射分為鏡面反射(Specular Reflection和漫反射(Diffuse Reflection)典型代表：Phong光照模型整體光照模型：從視點(diǎn)觀察到的物體A表面的亮度來源于三方面的貢獻(xiàn)：(1)光源直接照射到A的表面，然后被反射到人眼中的光產(chǎn)生的。(2)光源或其它物體的光經(jīng) A物體折射到人眼中的光產(chǎn)生的。(3)物體B的表面將光反射到物體A的表面

10、，再經(jīng)物體A的表面反射到人眼中產(chǎn)生的。局部光照模型僅考慮了( 1)phong光照模型：由物體表面上一點(diǎn)P反射到視點(diǎn)的光強(qiáng)I為環(huán)境光的反射光強(qiáng)Ie、理想漫反射光強(qiáng)Id、和 鏡面反射光Is的總和。環(huán)境光：在空間中近似均勻分布，即在任何位置、任何方向上強(qiáng)度一樣，記為Ia環(huán)境光反射系數(shù)Ka在分布均勻的環(huán)境光照射下，不同物體表面所呈現(xiàn)的亮度未必相同，因?yàn)樗鼈兊沫h(huán)境光反射系數(shù)不同Is為鏡面反射光強(qiáng)Ip點(diǎn)光源的亮度Ks是與物體有關(guān)的鏡面反射系數(shù)。n為鏡面反射指數(shù)phon g存在的問題：顯示出的物體(如塑料)沒有質(zhì)感環(huán)境光是常量，沒有考慮物體之間相互的反射光鏡面反射的顏色是光源顏色，與物體的材料無關(guān)鏡面反射的

11、計(jì)算在入射角很大時(shí)會(huì)產(chǎn)生失真什么是OpenGL:OpenGL是一個(gè)功能強(qiáng)大白開放圖形庫（Open Graphics Library,是圖形與硬件的接口，包 含250個(gè)函數(shù)，用戶使用這些函數(shù)來建立模型機(jī)進(jìn)行三維交互。什么是三維圖形借口 3D API:3D API : Application Programming Interface是許多程序的大集合。一個(gè) 3D API能讓編程人 員所設(shè)計(jì)的3D軟件只要調(diào)用其API內(nèi)的程序，讓API自動(dòng)和硬件的驅(qū)動(dòng)程序溝通，啟動(dòng)3D芯 片內(nèi)強(qiáng)大的3D圖形處理功能，從而大幅度地提高了 3D程序的設(shè)計(jì)效率。常見的3D API:SGI公司的 OpenGL Micros

12、oft 公司的 Direct3D、Apple 公司的 Quick-Draw 3H 3Dfx 公司的 Glide、Autodesk公司的 HeidiOpenGL 的庫：核心庫glgl.hopengl32.li bopengl32.dll115描述、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、光照、紋理、材質(zhì)、像素、位圖、文 字處理等實(shí)用庫gluglu.hglu32.libglu32.dll43主要功能包括繪制二次曲面、NURBS#線曲面、復(fù)雜多邊形以及 紋理、矩陣管理等，是由OpenGL基本庫函數(shù)來編寫的輔助庫auxglaux.hglaux.libglaux.dll31一些基本的窗口管理函數(shù)、事件處理函數(shù)和一些簡(jiǎn)單模型的

13、制作 函數(shù)等，例如，定義窗口的大小、處理鍵盤時(shí)間、鼠標(biāo)擊鍵事件、繪制多面體 等等。工具庫glutglut.hglut32.libglut.dll30可以創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè) OpenGL窗口，響應(yīng)、處理用戶的交互操作、 簡(jiǎn)單的彈出式菜單以及一些內(nèi)置的繪圖和字體處理功能。專用庫wgl16主要用于連接OpenGL和Window的應(yīng)用，用來管理顯示列表，字體位圖和 繪圖描述表系統(tǒng)擴(kuò)展的函數(shù) 庫glx針對(duì) X-windowsOpenGL是怎么實(shí)現(xiàn)三維圖形繪制的世界坐標(biāo)系中的三維物體三維幾何變換 投影三維剪裁視口變換 屏幕坐標(biāo)系中的圖形顯示。幾何變換過程：1 .模型/造型變換：它確定模型的位置和方向，對(duì)模型進(jìn)

14、行旋轉(zhuǎn)、平移和縮放。用到三個(gè) 子函數(shù)：glTranslate*(x, y, z)、 glRotate*(x, y, z)、 glScale*(x, y, z)。每個(gè)函數(shù)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 矩陣，并右乘當(dāng)前矩陣。2 .視圖變換：它類似將照相機(jī)指向物體，即確定視點(diǎn)(觀察點(diǎn))的位置和觀察方向。一般 用的函數(shù)為glu封裝的函數(shù)：void gluLookAt(GLdouble eyex, GLdouble eyey, GLdouble eyez,觀察點(diǎn)GLdouble centrex, GLdouble centrey, GLdouble centrez,-視線方向： 從 eye 指向 centreGLdou

15、ble upx, GLdouble upy, GLdouble upz視圖體自下而上的方向)3 .投影變換：確定一個(gè)取景體積：確定物體投影到屏幕的方式，及是透視投影還是正交 投影。確定從圖形上裁剪掉的范圍。4 .視口變換：視口就是窗口中矩形繪圖區(qū)域。用窗口管理器在屏幕上打開一個(gè)窗口時(shí)，已經(jīng)自動(dòng)把視口設(shè)為整個(gè)窗口的大小，可以用 glViewport命令設(shè)定一個(gè)較小的繪圖區(qū)。void glViewport(GLint x,GLint y,GLint width,GLint height);(x,y)：視區(qū)左下角點(diǎn) width , height:視區(qū)的寬和高紋理映射：也叫做紋理貼圖，把一幅圖像貼到三

16、維物體的表面上，來增強(qiáng)真實(shí)感g(shù)lBegin glEnd glColor平行投影 glOrtho(GLdouble left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdouble near, GLdouble far);透視投影 1: void glFrustum(GLdouble left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdouble near, GLdouble far);透視投影2:void gluPerspective (GLdouble fovy, GLdou

17、ble aspect, GLdouble zNear, GLdouble zFar);視口變換 void glViewport (GLint x,GLint y,GLint width,GLint height);(x,y):視區(qū)左下角點(diǎn)width , height:視區(qū)的寬和高gluLookAt (GLdoble eyex,GLdouble eyey,GLdouble eyez,GLdouble centerx,GLdouble centery,GLdouble centerz,GLdouble upx,GLdouble upy,GLdouble upz);它選取 eyex,eyey, ey

18、ez®定相機(jī)的位置，然后centerx, centery,centerz規(guī)定往哪里看，看的 方向用在那里的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)表示，upx,upy,upz是觀察者(相機(jī))頭頂朝向，用頭頂指向的方向向量示。平移 void glTranslate fd (TYPE x, TYPE y, TYPE z);旋轉(zhuǎn) void glRotate fd (TYPE angle, TYPE x, TYPE y, TYPE(z1度，繞哪個(gè)軸)縮放void glScale fd(TYPEx, TYPE y, TYPEz沿三個(gè)軸縮放的比例因子)壓棧 void glPushMatrix (void)前彈棧 void

19、glPopMatrix (void)后光照glClearColor (0.0, 0.0,0.0,0.0 );glShadeModel (GL_SMOOTH);/設(shè)置參數(shù)GLfloat light_position = 1.0, 1.0 , 1.0,0.0 ;頒四個(gè)參數(shù)為0,方向性光源，前三個(gè)參數(shù) 指定方向。若第四個(gè)參數(shù)不為0,則為位置光源，前三個(gè)參數(shù)指定位置。GLfloat light_ambient = 0.0, 0.0,0.0 , 1.0 ;/環(huán)境光GLfloat light_diffuse = 1.0, 1.0,1.0 , 1.0 ;/漫反射GLfloat light_specular

20、= 1.0, 1.0 , 1.0 , 1.0 ;/1面反射GLfloat lmodel_ambient =0.1, 0.1,0.1 ,1.0;/ 光照模式中用到的參數(shù)用glLightfv設(shè)置光源屬性(指定光源，光源屬性，屬性值)glLightfv(GL_LIGHT0 , GL_POSITION, light_position)W 位置glLightfv(GL_LIGHT0 , GL_AMBIENT,light_ambient淡的環(huán)境強(qiáng)度glLightfv(GL_LIGHT0 , GL_DIFFUSE,light_diffuse>5勺散射強(qiáng)度glLightfv(GL_LIGHT0 , GL

21、_SPECULAR,light_speculaT);的鏡面強(qiáng)度GLfloat mat_ambient = 0.2, 0,0 ,1.0 ;GLfloat mat_diffuse = 0.8, 0,0 ,1.0 ;GLfloat mat_specular = 0.0, 0.0,0.0 , 1.0 ;用glMaterialfv設(shè)置材質(zhì)屬性，(face即材質(zhì)屬性應(yīng)用于哪個(gè)面，材質(zhì)屬性，屬性值 ) glMaterialfv (GL_FRONT, GL_AMBIENT, mat_ambient );glMaterialfv (GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse );glMa

22、terialfv (GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular );glLightModelfv (GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT,lmodel_ambien步光照模式/(參數(shù)名，參數(shù)值)GL_LIGHT_MODEL_AMBIEN曲個(gè)場(chǎng)景的環(huán)境光的 RGBA雖度。glEnable(GL_LIGHTING )沒置光照開關(guān)，相當(dāng)于電閘glEnable(GL_LIGHT0 );/£置 light0 可用，相當(dāng)于打開燈 light0 glEnable(GL_DEPTH_TEST );VRML的概念：VRML (Virtual Reality Modeling La