虛擬場景制作與演示ch199

虛擬場景制作與演示華中師范大學2008第一章概概論基本概念念應用特點建模工具具MultigenCreator背景知知識基本概念念虛擬現(xiàn)實實技術(shù)虛擬顯示示技術(shù)仿真與可可視化在美國北北方邊陲陲的華盛盛頓州，，一隊隊隊中小學學生在教教師的帶帶領(lǐng)下，，走進了了停在路路邊的汽汽車教室室。教室室里沒有有黑板和和講臺，，只是在在每個座座位的前前方都設(shè)設(shè)有一頂頂特殊的的頭盔和和操縱桿桿。孩子子們只要要戴上頭頭盔，手手握操縱縱桿，眼眼前就會會出現(xiàn)一一幅幅栩栩栩如生生的景像像。如上上化學課課時，孩孩子們通通過電腦腦將采集集的一個個氧原子子和兩個個氫原子子合在一一起，眼眼前就會會出現(xiàn)一一個網(wǎng)狀狀的水球球，這是是孩子們們自己創(chuàng)創(chuàng)造的水水分子；；在物理理課上學學生們還還可以自自己動手手創(chuàng)造出出降水、、水汽蒸蒸發(fā)等自自然景觀觀，直觀觀有趣、、生動形形象。這這種新穎穎的教學學方式也也是通過過虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)術(shù)實現(xiàn)的的。美國德克克薩斯州州的第一一個“可可見人””虛擬圖圖像是由由5000多幀幀人體不不同截面面的射線線、磁和和光的圖圖像組成成的，所所有這些些信息經(jīng)經(jīng)技術(shù)處處理后被被存儲起起來，醫(yī)醫(yī)生們只只要通過過交互網(wǎng)網(wǎng)絡調(diào)用用，就可可以看到到詳細的的人體圖圖?！翱煽梢娙恕薄钡男畔⑾⒘咳绱舜酥?，，以至于于即使不不停地用用高速線線路傳送送，也需需要兩周周的時間間才能全全部傳送送完，它它所占用用的信息息空間相相當于““大不列列顛百科科全書””的50多倍，，這一虛虛擬人體體可以用用來進行行教育、、實習以以及研究究用。美國宇航航局Ames研研究中心心的科學學家將探探索到的的火星數(shù)數(shù)據(jù)進行行處理后后得到了了火星的的虛擬現(xiàn)現(xiàn)實圖像像。研究究人員可可以看到到全方位位的火星星表面景景象：高高山、平平川、河河流，以以及綜橫橫的溝壑壑里被風風化的班班駁的巨巨石，都都顯得十十分清晰晰逼真，，而且不不論你從從哪個方方向看這這些圖，，視野中中的景象象都會隨隨著你的的頭的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動而改改變，就就好象真真的置身身于火星星上漫游游、探險險一樣，，這無疑疑對天文文、氣象象的教學學有所幫幫助。基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（一一）虛擬現(xiàn)實實（VR，VirtualReality))：是一種可可以創(chuàng)建建和體驗驗虛擬世世界的計計算機系系統(tǒng)；VR用計算機機技術(shù)來來生成一一個逼真真的三維維視覺、、聽覺、、觸覺或或嗅覺等等感覺世世界，讓讓用戶可可以從自自己的視視點出發(fā)發(fā)，利用用自然的的技能和和某些設(shè)設(shè)備對這這一生成成的虛擬擬世界客客體進行行瀏覽和和交互考考察。虛擬世界界:是全體虛虛擬場境境或給定定仿真對對象的全全體；虛擬場境境：是由計算算機生成成的，通通過視、、聽、觸觸覺等作作用于用用戶，使使之產(chǎn)生生身臨其其境感覺覺的交互互式視景景仿真；；70年代代，M..W.Krueger曾提出出“人工工現(xiàn)實（（ArtificialReality，簡稱稱AR））”，它它用來說說明由IvansSutherland在1968年開創(chuàng)創(chuàng)的頭盔盔式三維維顯示技技術(shù)以來來的許多多人工仿仿真現(xiàn)實實；在1984年，，美國科科幻作家家WilliamGibson提提出另一一個詞““電腦空空間（CyberSpace）””,它是是指在世世界范圍圍內(nèi)同時時體驗人人工現(xiàn)實實；類似的詞詞還有：：

“人人工環(huán)境境（ArtificialEnvironments）”；；

“人人工合成成環(huán)境（（SyntheticEnvironments）””；““虛擬環(huán)環(huán)境（VirtualEnvironments）””；在1989年JaronLanier創(chuàng)創(chuàng)造VirtualReality一詞詞。基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（二二）主要特點點：逼真的感感覺視覺，聽聽覺，觸觸覺，嗅嗅覺等自然的交交互運動，姿姿勢，語語言，身身體跟蹤蹤等個人的視視點用戶的眼眼、耳、、身所感感到的感感覺信息息迅速的響響應感覺信息息根據(jù)視視點變化化和用戶戶輸入及及時更新新基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（三三）虛擬現(xiàn)實實的應用用軍事訓練練SIMNET&&DIS(美國DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)1983年開始始的一項項研究,,交付官官方使用用于1990年年,用于于模擬組組隊作戰(zhàn)戰(zhàn)環(huán)境)教育與培培訓pedagogicalagentSteve;JackMOO網(wǎng)絡會議議與遠程程協(xié)作Sony公司基于于DIVE的一個系系統(tǒng)娛樂和虛虛擬社區(qū)區(qū)Cybertown(使用Blaxxun）電子商務務VRcommerceofIBM基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（四四）虛擬現(xiàn)實實發(fā)展的的原動力力因特網(wǎng)技技術(shù)的廣廣泛使用用:Internet已經(jīng)成為為娛樂、、商業(yè)等等的重要要媒體;;硬件基礎(chǔ)礎(chǔ)：網(wǎng)絡絡帶寬的的提高（（寬帶網(wǎng)網(wǎng)的逐漸漸普及）），個人人計算機機圖形處處理能力力的增強強;軟件基礎(chǔ)礎(chǔ)：虛虛擬現(xiàn)實實技術(shù)和和網(wǎng)絡技技術(shù)的結(jié)結(jié)合;日益復雜雜的數(shù)據(jù)據(jù)使得原原來的界界面不能能滿足需需要，人人們希望望更加直直觀的表表達信息息，使用用更加自自然的方方式進行行人機交交互以及及通過網(wǎng)網(wǎng)絡實現(xiàn)現(xiàn)人與人人之間實實時、形形象的交交流.基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（五五）歷史回顧顧虛擬現(xiàn)實實和其他他技術(shù)一一樣，也也是在前前人大量量工作的的基礎(chǔ)上上發(fā)展起起來的。。立體電影影，立體體聲技術(shù)術(shù)飛行模擬擬器最早實際際使用的的仿真技技術(shù)；“星際旅行行”“宇宙飛船船”的演示機械手、、機器人人危險場合合進行各各類“遙遙控操作作”；游戲駕駛汽車車、潛艇艇航行基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（六六）重要事事件件HMDHead-MountedDisplay1968年Sutherland三維頭盔盔顯示器器；Videoplace1985年Krueger正式發(fā)表表；VIEW項目VirtualEnvironmentWorkstation美國宇航航局Ames研究中心心的虛擬擬場境工工作站；；DataGloveVPL公司采用用定位裝裝置Polhemus的數(shù)據(jù)手手套；VPL公司采用用三維定定位裝置置Polhemus的數(shù)據(jù)手手套示意意圖三維定位位裝置Polhemus原理基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（七七）重要事事件件BOOMBinocularOmni-OrientedMonitor美國宇航航局FakespaceLab的雙筒全全方位監(jiān)監(jiān)視器；；CAVE Audio-VisualExperienceAutomaticVirtualEnvironment1992年Cruz-Neira的墻式顯顯示屏自自動聲象象虛擬場場境；VRMLVirtualRealityModelingLanguage因特網(wǎng)上上1.0及2.0版本的虛虛擬現(xiàn)實實建模語語言CAVE墻式顯示示屏自動動聲象虛虛擬場境境Audio-VisualExperienceAutomaticVirtualEnvironment基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（八八）應用和需需求是技技術(shù)發(fā)展展的推動動力1）軍事美國國防防部和軍軍方認為為：虛擬擬現(xiàn)實將將在武器系統(tǒng)統(tǒng)性能評評價、武器操縱縱訓練及指揮大規(guī)規(guī)模軍事事演習三方面發(fā)發(fā)揮重大大作用。。他他們們制定了了戰(zhàn)爭綜合合演示廳廳計劃、防務仿真真交互網(wǎng)網(wǎng)絡計劃劃、綜合戰(zhàn)役役橋計劃劃、及虛擬座艙艙、衛(wèi)星塑造造者等應用環(huán)環(huán)境，并并在核武武器試驗驗及許多多局部戰(zhàn)戰(zhàn)爭中進進行了應應用，不不僅節(jié)省省了大量量的軍事事費用，，更重要要的是提提高了現(xiàn)現(xiàn)代化作作戰(zhàn)指揮揮方面能能力?；靖拍钅睿禾摂M擬現(xiàn)實技技術(shù)（九九）2）航天航航空美國宇航航局是虛虛擬現(xiàn)實實最早研研究的單單位和應應用者。。宇宙飛船船及各類類航空器器是需耗費費巨資的的現(xiàn)代化化工具，，而進入入宇宙有有大量未未知、危危險的因因素，因因而模擬各種航空空器可能能遇到的的環(huán)境，，不僅可可節(jié)省大大量費用用，而且且是十分分必要的的。虛擬風洞洞就是一例例?；靖拍钅睿禾摂M擬現(xiàn)實技技術(shù)（十十）3）計算機機輔助設(shè)設(shè)計虛擬樣機機、虛擬建筑筑物工業(yè)產(chǎn)品品均需要要反復構(gòu)構(gòu)思和設(shè)設(shè)計，但但用戶往往往仍不不滿意。。可否在在設(shè)計早早期就給給用戶一一個逼真真的產(chǎn)品品樣機？？美國波音音公司Butler設(shè)計了一一個稱為為VS-X的虛擬飛飛機，它可使使設(shè)計人人員有身身臨其境境觀察飛飛機外形形、內(nèi)部部結(jié)構(gòu)及及布局的的效果；；建筑設(shè)計計師可在在蓋樓前前通過虛擬建筑筑物，讓用戶戶自己來來觀察外外形和內(nèi)內(nèi)部房間間部位，，也便于于設(shè)計師師修改設(shè)設(shè)計?；靖拍钅睿禾摂M擬現(xiàn)實技技術(shù)（十十一）4）外科手術(shù)術(shù)和人體體器官的的模擬外科醫(yī)生生的培訓訓是一項項投資大大、時間間長的工工作，這這是因為為不能隨隨便讓實實習醫(yī)生生在病人人身上動動手術(shù)。?？墒遣徊挥H自動動手，又又如何學學會手術(shù)術(shù)呢？虛擬手術(shù)術(shù)臺已能部分分模仿外外科醫(yī)生生的現(xiàn)場場。同樣樣，提供供模擬的人人體器官官，可讓學學生逼真真地觀察察器官內(nèi)內(nèi)部的構(gòu)構(gòu)造和病病灶，具具有極高高的實驗驗價值。?；靖拍钅睿禾摂M擬現(xiàn)實技技術(shù)（十十二）5）科學研研究和計計算的可可視化各種分子結(jié)構(gòu)構(gòu)模型、大壩應力力計算的結(jié)果、、地震石油油勘探數(shù)數(shù)據(jù)處理理等，均十十分需要要三維（（甚至多多維）圖圖形可視視化的顯顯示和交交互瀏覽覽，虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)為科科學研究究探索微觀形態(tài)態(tài)等提供了了形象直直觀的工工具?；靖拍钅睿禾摂M擬現(xiàn)實技技術(shù)（十十三）6）遠程控控制虛擬現(xiàn)實實可采用用遙控手手段，通通過機械械手、機機器人對對危險或或有毒環(huán)環(huán)境進行行操作。。基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（十十四）7）教育、、游戲與與其他這是向人人們、尤尤其是青青少年提提供生動動的課堂堂和娛樂樂手段的的好機遇遇，它具具有三維維聲象效效果、能能進行交交互操作作的功能能，因而而已為商商家們看看好，紛紛紛開發(fā)發(fā)低檔虛虛擬現(xiàn)實實產(chǎn)品。。如虛擬擬博物館館，網(wǎng)上上景點瀏瀏覽。虛擬房間間積木世界界基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（十十五）虛擬現(xiàn)實實的適用用特點：：1.需要要高成本制造的設(shè)設(shè)備，如如航天器器，軍用用設(shè)備。。2.對人有危危險的環(huán)境，，如核試試驗、飛飛行訓練練。3.目前前尚未出現(xiàn)現(xiàn)的環(huán)境，，如建筑筑物、天天體物理理基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（十十六）1992年Bryson主計算機機數(shù)據(jù)手套套（傳感器器）（信號源源）BOOM雙筒全方方位監(jiān)視器器關(guān)鍵技術(shù)術(shù)(系統(tǒng)統(tǒng)框圖)基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（十十七）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：1.大規(guī)模數(shù)數(shù)據(jù)的場場景建模模技術(shù)；；2.動態(tài)實時時的立體體視覺、、聽覺等等生成技技術(shù);3.三維定位位、方向向跟蹤、、觸覺反反饋等傳傳感技術(shù)術(shù)和設(shè)備備；4.符合人類類認知心心理的三三維自然然交互技技術(shù);5.三維交互互軟件及及系統(tǒng)集集成技術(shù)術(shù)基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（十十八）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：影響（沉浸感）立體視視覺因因素寬視野（（１８００X１５５０）立體顯示示彩色高分辨率率頭部跟蹤蹤基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（十十九）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：視覺設(shè)備備紅藍濾色色眼鏡三維頭盔盔顯示器器（HMD）雙筒全方方位監(jiān)視視器（BOOM）墻式顯示示屏自動動聲象虛虛擬場境境（CAVE）基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（二二十）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：雙眼立體體視圖的的生成三維場景景上任一一點P(x,,y,z)，對于左右眼視視點L、R，在投影平平面z=0上的成象象點Pl(xl,yl)、Pr(xr,yr)計算如下：xl==(x*k--z**d/2)/((k+z)xr=(x*k++z*d/2))/(k+z))yl=yr=y*k/(k+z)可推導得得：xl==(x+d/2)/((1++z//k)--d/2xr=(x-d//2)//(1++z/k))+d/2可用硬件件實現(xiàn)基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（二二一）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：聽覺：3D&&Stereo聲源定位位：強度度（高頻頻）和時時差（低低頻）問題：聲聲音從頭頭里發(fā)出出，隨強強度差而而偏左或或偏右原因：與與耳朵形形狀有關(guān)關(guān)解決：耳耳內(nèi)錄音音++計計算基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（二二二）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：觸覺（Haptic)Haptic::機械械感受器器（壓力力與紋理理）與本本體感受受器(proprioceptor)（重重量、形形狀、大大?。C械臂，，空氣囊囊，記憶憶金屬，，小馬達達，小探探針。Sandpaper((Minsky,1990)將將小小馬達連連到游戲戲桿；攪攪動三維操縱縱棍,力力反饋原原理圖基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（二二三）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：適當?shù)模ǎê唵蔚牡模┯|覺覺和/或或聽覺提提示與反饋能能極大地地改善人人機交互互質(zhì)量兩個基本本的性能能指標::幀頻>10fps，響響應時時間<0.1s基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（二二三）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：身體跟蹤蹤：位置的跟跟蹤（位位置+方方向）及角度的的度量（（指關(guān)節(jié)節(jié)、光纖纖）；眼動跟蹤蹤位置跟蹤蹤技術(shù)：：正交電磁磁場Polhemustrackers超聲波信信號Logitec.MattelPowerGlove機械連接接FakeSpaceLabs視頻信號號處理MyronKruegerLED視視頻傳感感UNCatChapelHill慣性跟蹤蹤（加速速度）SpaceballDHM手勢傳感感裝置原原理圖PowerGlove示意圖三維鼠標標器示意意圖基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（二二四）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：市場上已已有的產(chǎn)產(chǎn)品：（（硬件））液晶開關(guān)關(guān)的體視視眼鏡SEGALCDGlasses,StereoGraphicsCrystalEyes,Toshiba3DScopeLCDGlasses三維頭盔盔顯示器器（HMD）LEEPSystemsCyberface2/3PolhemusLaboratoriesLookingGlassRPIHMSI(Head-MountedSensoryInterface)VirtualRealityGroupHMDVirtualResearchFlightHelmet基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（二二五）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：市場上已已有的產(chǎn)產(chǎn)品：（（硬件））控制和接接口設(shè)備備:VPLDataGlove（數(shù)據(jù)手套套）MattelPowerGloveGlobal3Dcontroller((三維定位位器）Logitech3DMouseandHeadTracker（三維鼠標標、頭部部跟蹤器器）PolhemusIsotrak/FastrakISCANHead-MountedEyeImagingSystem（視線跟蹤蹤器）SENSibleTechnologiesPHANToM（觸覺反饋饋設(shè)備））頭盔系統(tǒng)統(tǒng)跟蹤系統(tǒng)統(tǒng)三維觸覺覺系統(tǒng)交戰(zhàn)技能能訓練者者基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（二二六）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：市場上已已有的產(chǎn)產(chǎn)品：（（系統(tǒng)））SGI公司虛擬現(xiàn)實實中心(RealityCenter)) CAVE仿真工作作室((RealityStudio)Onyx2((8CPU)仿真工作作站((RealityStation) Onyx2桌上型仿仿真工工作站((RealityDesktop)Octane320NT工作作站SGIIRISPerformer仿真開發(fā)發(fā)環(huán)境SGIOpenGLOptimizer((OpenInventor)仿真開發(fā)發(fā)環(huán)境((中、、低檔））SGIFahrenheit((沸點）三三維圖形形接口庫庫(forWindowsNT)MultiGen,Paradigm/Vega三維應用用建模軟軟件基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（二二七）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：市場上已已有的產(chǎn)產(chǎn)品：（（軟件））MultiGen,Paradigm/Vega三維應用用建模軟軟件DimensionSuperscapeVirtualRealitiesSense8WorldToolKit(WTK)VirtusWalkThroughVREAMDivisionPROVISION100VRXStrayLightPhotoVRTheVividGroup-----MandalaWIndustriesVirtuality原型基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（二二八）最新進展展：1）使用基于圖像像的繪制制技術(shù)（或與圖圖形繪制制相結(jié)合合），以以提高圖圖形生成成的速度度；如蘋果公司司開發(fā)的的QuickTimeVR。2）各種新的交互互設(shè)備:雙手輸入入技術(shù)；；三維力力反饋設(shè)設(shè)備等；；基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（二二九）3）增強現(xiàn)實實(AugmentedReality))也稱混合合現(xiàn)實。。它是是將真實實環(huán)境和和虛擬現(xiàn)現(xiàn)實的景景象結(jié)合合起來的的一種技技術(shù)，既既可減少少生成復復雜環(huán)境境的開銷銷，又便便于對實實際物體體的操作作；4）分布式虛虛擬現(xiàn)實實環(huán)境。在因特特網(wǎng)（包包括高速速Internet）環(huán)境下，，充分利利用各地地資源的的優(yōu)勢，，協(xié)同開開發(fā)虛擬擬現(xiàn)實的的應用，，如美國國大型軍軍用交互互仿真系系統(tǒng)NPSNET及因特網(wǎng)網(wǎng)上多人人游戲MUD等；5）多通道人人機交互互技術(shù)。即采用用人體多多種自然然交互手手段，向向系統(tǒng)輸輸入，如如手勢、、語音、、頭部或或身體動動作等。。基本概念念：虛擬擬現(xiàn)實技技術(shù)（三三0）實際應用用的虛擬擬現(xiàn)實系系統(tǒng)大體體可分為為四類：：1）桌面虛擬擬現(xiàn)實系系統(tǒng)，也稱窗窗口中的的VR，成本低，，主要用用于CAD//CAM、建筑設(shè)計計等領(lǐng)域域；2）沉浸虛擬擬現(xiàn)實系系統(tǒng)，使用頭頭盔顯示示器把用用戶的視視覺、聽聽覺及其其他感覺覺封閉起起來，產(chǎn)產(chǎn)生一種種身臨其其境的錯錯覺；3）分布式虛虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)，它建立立在沉浸浸虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)和分布布式交互互仿真(DIS-DistributedInteractionSimulation))的基礎(chǔ)上上；4）增強現(xiàn)實實(AugmentedReality))也稱混合合現(xiàn)實。。也有采用用其他的的分類方方法，在在此不再再贅述。。基本概念念：虛擬擬顯示技技術(shù)虛擬現(xiàn)實實技術(shù)的的關(guān)鍵技技術(shù)之一一；大規(guī)模數(shù)數(shù)據(jù)的場場景建模模技術(shù)；；使人能夠夠具有身身臨其境境的感覺覺；仿真與可可視化技技術(shù)的結(jié)結(jié)合?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（一一）仿真：角角色扮演演，通過過模擬來來認識世世界；仿真基本本步驟：建立模模型；獲獲取參數(shù)數(shù)來控制制系統(tǒng)；；對于不確確定性和和隨機性性的系統(tǒng)統(tǒng)，計算算機仿真真技術(shù)具具有顯著著優(yōu)勢。?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（二二）人類的80%的的信息來來源于視視覺可視化：：利用計計算機圖圖形圖象象信息技技術(shù)將一一維數(shù)據(jù)據(jù)轉(zhuǎn)化為為可觀察察的二維維或三維維幾何表表示?？梢暬鞘遣捎帽肀硎久襟w體來表征征數(shù)據(jù)的的計算方方法?？梢暬址譃椋河嬘嬎憧茖W學的可視視化和空空間信息息的可視視化。空間信息息的可視視化目標標是使得得用戶能能夠與真真實三維維世界的的可視化化模型進進行實時時的可控控制的交交互。即即在虛擬擬場境中中體驗真真實世界界?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（三三）可視化仿仿真與計計算機動動畫技術(shù)術(shù)相同點：：（1）均均采用三三維模型型表現(xiàn)虛虛擬場境境；（2）通通過渲染染技術(shù)來來再現(xiàn)真真實世界界；區(qū)別：（1）仿仿真實時時生成；；動畫預預先渲染染（2）交交互性差差別；（3）畫畫面細節(jié)節(jié)的可變變性與否否；（4）重重點不同同，仿真真重在交交互性，，動畫重重在視覺覺效果。?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（四四）視景仿真真的特點點：三維維、沉浸浸、交互互、實時時三維是視視景仿真真與二維維動畫的的最根本本區(qū)別，，通過立立體顯示示來增強強真實感感。沉浸感是是指觀眾眾在瀏覽覽場景時時能產(chǎn)生生身臨其其境的感感覺，這這主要是是由環(huán)繞繞的屏幕幕和立體體聲來形形成。交互是指指觀眾可可以通過過鼠標或或控制桿桿來對場場景中的的物體進進行控制制或者切切換自己己的視角角在場景景中漫游游。實時是指指對場景景中物體體的控制制命令可可以即時時得到響響應。基本概念念：仿真真與可視視化（五五）要營造一一個具有有真實感感的虛擬擬世界，，對人來來說視覺覺是最重重要的因因素。所所以虛擬擬現(xiàn)實場場景的真真實感最最終取決決于模型型的真實實感?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（六六）虛擬世界界中對象的定義在VR系系統(tǒng)中，，當用圖圖形表示示所創(chuàng)建建和成像像的數(shù)據(jù)據(jù)時，稱稱為構(gòu)造造場景，，也稱為為創(chuàng)建虛虛擬場境境。場景是由由一系列列對象組組成的，，而對象象就是虛虛擬場境境中的成成員。場景一般般包括幾幾何對象象、光源源、視點點、入口口、動畫畫對象等等。通過過對這些些對象的的描述來來構(gòu)造虛虛擬場境境?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（七七）（1）幾幾何對對象它是場景景的基本本元素，，它的形形狀特征征是利用用已有造造型軟件件制作的的，其中中一部分分具有靜態(tài)特征征，它包括括位置、、方向、、材料、、屬性等等特征；；另一部部分還具具有運動特征征，它反映映物體對對象的運運動、行行為、約約束條件件(如碰碰撞等))以及力力的作用用等。運運動特征征是通過過作業(yè)指指派的，，給出行行為特征征，按層層次組織織存入已已建立的的幾何數(shù)數(shù)據(jù)庫。?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（八八）（2）傳傳感器器對象傳感器的的概念適適用于任任何為計計算機提提供輸入入線索的的外部設(shè)設(shè)備，這這些輸入入主要用用于控制制對象的的位置和和方向，，改變場場景對象象的行為為，以及及控制參參與者的的視點等等?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（九九）（3）光光源對對象光源有點點光源、、平行光光源、面面光源，，還包括括環(huán)境光光，也可可以使用用任意多多的有向向光源置置于場景景中的任任何位置置和方向向。（4）視視點對象象用戶可指指定觀測測參數(shù)，，以便于于在任何何位置、、任何方方向和任任意視角角觀察虛虛擬場境境。在同同一場景景還可保保留幾個個不同的的視點，，但同一一時刻只只能使用用一個。。它可與與傳感器器連接，，根據(jù)傳傳感器的的運動動動態(tài)地改改變視點點，從而而可使參參與者在在所構(gòu)造造的環(huán)境境中漫游游和瀏覽覽?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（十十）幾何對象象的描述述和建模模技術(shù)的的分類對象的幾幾何模型型是描述述了對象象內(nèi)部固固有的幾幾何性質(zhì)質(zhì)的抽象象模型。。它所表表示的內(nèi)內(nèi)部性質(zhì)質(zhì)包括對對象的基基本輪廓廓和形狀狀，反映映對象表表面特點點的屬性性；基本本結(jié)構(gòu)或或?qū)ο蟮牡耐負涮靥匦裕辉谠趹弥兄幸蟮牡恼f明信信息等。。對象的基基本輪廓廓和形狀狀可以用用點、直直線、多多邊形、、曲線和和曲面方方程甚至至貼圖等等方法來來表示，，用什么么方法取取決于對對消耗計計算機系系統(tǒng)存儲儲和運算算資源的的綜合考考慮。通通常過于于抽象的的表示方方法有利利于存儲儲，但需需要較大大的運算算量；反反之，過過于具體體細致的的表示方方法可以以節(jié)省運運算時間間，但存存儲和搜搜索遍歷歷的時間間和空間間開銷比比較大。?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（十十一）一般的幾幾何模型型具有兩兩個信息息，一個個包含點點的位置置信息，，另一個個是它的的拓撲結(jié)結(jié)構(gòu)信息息，用來來說明這這些點之之間的連連接。這這樣就可可以使用用局部圖圖形庫把把這些信信息轉(zhuǎn)化化成線框框模型或或已成型型的物體體模型。?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（十十二）幾何模型型的描述述與建立立是計算算機圖形形學中的的傳統(tǒng)方方法。首先，在在計算機機中建立立起三維維幾何模模型，一一般均用用多邊形形表示。。在給定定觀察點點和觀察察方向后后，使用用計算機機的硬件件功能，，實現(xiàn)消消隱、光光照以及及投影這這一成像像的全過過程，從從而產(chǎn)生生幾何模模型的圖圖像。?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（十十三）當前應用用三維圖圖形的場場合相當當多，所所以場景景的建立立不必從從零開始始?？墒故褂靡恍┬┈F(xiàn)有的的圖形庫庫中的成成像功能能來創(chuàng)建建多邊形形物體形形狀，有有時也可可以從商商業(yè)數(shù)據(jù)據(jù)庫比如如ViewpointCatalog購購買現(xiàn)成成的模型型。有時時模型對對象在現(xiàn)現(xiàn)有數(shù)據(jù)據(jù)庫中不不存在，，這時可可以使用用三維數(shù)數(shù)字化儀儀構(gòu)造虛虛擬模型型。三維維數(shù)字化化儀有一一個測量量頭用來來獲取三三維點信信息。用用戶首先先制作一一個所需需物體((比如一一輛汽車車)的固固態(tài)模型型，然后后把測量量探頭放放在模型型表面以以獲得框框架頂點點信息。。一個內(nèi)內(nèi)置編輯輯器允許許線段和和多邊形形沿著任任何軸重重新定位位，線段段上的點點和多邊邊形連接接點可按按貝塞爾爾(Bezier)曲曲線重新新分布。。例如用用激光三三維掃描描儀對物物體的三三維模型型或物體體本身進進行掃描描，生成成物體輪輪廓的三三維點云云，再利利用專用用的軟件件包對得得到的試試驗點云云數(shù)據(jù)進進行三維維重構(gòu)，，得到物物體的三三維模型型。基本概念念：仿真真與可視視化（十十四）創(chuàng)建常規(guī)規(guī)物體的的另一方方法是使使用建模模軟件比比如AutoCAD、、Multigen--Paradigm公公司的Creator、3DS和工工作站上上運行的的造型系系統(tǒng)等。。用戶交交互地創(chuàng)創(chuàng)建對象象模型，，例如房房屋內(nèi)的的各種移移動物體體，如前前門等。?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（十十五）建模技術(shù)術(shù)有多種種分類。。一般大大致分為為兩類：：幾何建建模和動動態(tài)建模模。幾何建模模主要研研究和處處理物體體的輪廓廓和形狀狀，研究究圖形數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)等基本本問題；；動態(tài)建模模主要研研究和處處理的是是物體的的動態(tài)特特征?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（十十六）對象表面面紋理虛擬對象象的外表表真實感感主要取取決于它它的表面面反射和和紋理?！，F(xiàn)實世世界中的的物體，，其表面面往往有有各種紋紋理，這這些表面面細節(jié)是是通過色色彩或明明暗度的的變化體體現(xiàn)出來來的，這這種紋理理稱為顏顏色紋理理。生成顏色色紋理的的一般方方法是在在一個平平面區(qū)域域(即紋紋理空間間)上預預先定義義紋理圖圖案，然然后建立立物體表表面的點點與紋理理空間的的點之間間的映射射關(guān)系。。當物體體表面的的可見點點確立之之后，以以紋理空空間的對對應點的的值乘以以寬度值值，就可可把紋理理圖案附附到物體體表面上上?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（十十七）用多邊形形表示物物體沒有有直接的的方法，，這是由由于多邊邊形內(nèi)部部沒有一一個好的的參數(shù)定定義方法法。目前有多多種方法法：一類類采用投投影方法法，它是是將紋理理區(qū)域部部分地映映射到多多邊形中中；另一一類采用用參數(shù)表表示的方方法，它它是將紋紋理區(qū)域域全部映映射到多多邊形中中。無無論采用用何種方方法生成成紋理，，只要看看起來像像就可以以了，不不必精確確模擬，，以使在在不顯著著增加計計算時間間的前提提下，較較大幅度度地提高高圖形的的真實感感。這一一特點被被廣泛應應用于虛虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的場景創(chuàng)創(chuàng)建上，，因為對對于要求求實時顯顯示的VR系統(tǒng)統(tǒng)來說，，盡可能能減少系系統(tǒng)生成成的計算算量是一一個關(guān)鍵鍵因素，，因此三三維建模模的幾何何對象的的表面模模型，就就采用紋紋理生成成技術(shù)進進行處理理?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（十十八）隨著技術(shù)術(shù)的發(fā)展展，對象象的細節(jié)節(jié)層次越越來越復復雜，就就目前計計算機圖圖形學的的水平而而言，只只要有足足夠的時時間，就就能生成成準確度度相當高高的近似似照片的的逼真圖圖像。然然而這種種提高真真實感的的方法是是采用增增加物體體多邊形形來獲得得，從而而使計算算復雜，，繪圖速速度大大大降低。。但VR系統(tǒng)要要求最小小的刷新新率為每每秒15幀，最最好能達達到30幀。由由于時間間的限制制，僅使使用造型型軟件來來創(chuàng)建幾幾何模型型的方法法耗時太太多。因因此不得得不限制制虛擬場場境的幾幾何復雜雜度，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)而采用用其它方方法，諸諸如紋理理細節(jié)的的方法來來提高環(huán)環(huán)境的逼逼真度。?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（十十九）面片處理理在動態(tài)顯顯示的場場景中，，有些物物體非常常復雜如如各種樹樹木、花花草及建建筑上的的各種雕雕琢等，，如果用用三維模模型表示示，將需需要大量量的多邊邊形面片片，而實實際上在在實時動動態(tài)顯示示中，并并沒有必必要將這這些物體體表示得得十分精精致。有有效的方方法便是是采用二二維紋理理來代替替三維模模型。方方法是將將樹木、、花草及及雕琢等等復雜物物體的圖圖像通過過掃描儀儀輸入計計算機內(nèi)內(nèi)，將其其貼在一一個平面面上并放放置在場場景中。。在實現(xiàn)現(xiàn)三維復復雜場景景的實時時動態(tài)顯顯示時，，令該平平面的法法向始終終指向觀觀察點。。這樣，，就形成成了這些些復雜物物體無論論從哪個個方向看看過去都都只有一一種形態(tài)態(tài)。這當當然是不不真實的的，但是是在復雜雜場景的的實時動動態(tài)顯示示中，這這些細節(jié)節(jié)上的近近似處理理是不會會影響視視覺效果果的。因因而，這這一技術(shù)術(shù)在VR系統(tǒng)中中為提高高實時三三維運算算速度得得到了廣廣泛的應應用?；靖拍钅睿悍抡嬲媾c可視視化（二二十）用表面紋紋理的方方法來處處理其逼逼真度也也是VR建模技技術(shù)中采采用的一一種最佳佳方法，，它具有有以下優(yōu)優(yōu)點：（1）它它增加了了細節(jié)層層次以及及景物的的真實感感；（2）依依靠透視視變換，，紋理提提供了更更好的三三維空間間線索；；（3）紋紋理大大大減少少了視景景多邊形形的數(shù)目目，加快快了刷新新頻率，，提高了了復雜場場景的實實時動態(tài)態(tài)顯示效效果?；靖拍钅睿簯糜昧畠r、安安全（1）對對商業(yè)和和軍事時時間的排排練和演演習模擬擬，如飛飛行訓練練模擬；；（2）對對復雜時時間進行行深入直直觀的再再現(xiàn)，如如交通救救護仿真真；（3）對對突發(fā)事事故進行行預演，，如消防防救災仿仿真；（4）交交互式三三維視頻頻游戲仿仿真；（5）對對不確定定事件進進行預覽覽?；靖拍钅睿合到y(tǒng)統(tǒng)組成（1）TheImageGenerator(IG)-圖圖像生成成器顧名思義義，就是是指生成成圖像的的計算機機硬件設(shè)設(shè)備，機機器配置置由仿真真需求來來決定。。包括：SGI的的渲染效效果；虛虛擬現(xiàn)實實引擎；；完全虛虛擬現(xiàn)實實效果；；其性能由由每幀處處理的多多邊形數(shù)數(shù)決定；；（2）VisualDatabase——可視數(shù)數(shù)據(jù)庫（（模型））用于描述述when、howandwhat場場景，場場景中的的模型，，例如地地形、房房子、車車輛等等等都需要要建模。。模型的的格式是是Openflight格式式（雙精精度doubleprecision））。（3）SimulationApplication－仿真真應用程程序控制虛擬擬場景中中動態(tài)元元素和隨隨機事件件，處理理用戶的的輸入事事件信息息?？梢暬ń５奶靥攸c（一一）模型的多多邊形數(shù)數(shù)量盡量量要少；；模型數(shù)據(jù)據(jù)的構(gòu)造造要盡可可能簡單單；模型數(shù)據(jù)據(jù)庫的結(jié)結(jié)構(gòu)要便便于進行行遍歷操操作；模型數(shù)據(jù)據(jù)庫要能能夠被應應用程序序快速讀讀取；模型數(shù)據(jù)據(jù)庫要包包含各種種約束限限制信息息?？梢暬ń５奶靥攸c（二二）其他3維維建模：：其它軟件件追求視視覺效果果為第一一建模目目標、不不用考慮慮其模型型的渲染染效率，，不能應應用于虛虛擬現(xiàn)實實仿真；；追求炫目目的光影影效果、、復雜的的材質(zhì)效效果、逼逼真的光光線追蹤蹤效果、、惟妙惟惟肖的任任務動畫畫，進而而渲染出出質(zhì)感極極強的畫畫面效果果；包含復雜雜的多邊邊形和曲曲線曲面面MultigenCreator背景知知識（一一）MultigenCreator是一個個高度專專業(yè)化的的工具，，幫助建建模者創(chuàng)創(chuàng)建高效效的三維維模型和和地形用用于交互互式實時時應用。。交互式應應用據(jù)其其性質(zhì)有有多種，，范圍從從用于軍軍事的個個人飛行行和駕駛駛訓練模模擬到建建筑項目目的視景景演示。。不僅僅是是一個基基本的建建模工具具，Creator也也是一個個設(shè)計工工具，用用來創(chuàng)建建低多邊邊形數(shù)的的模型來來簡化和和減少實實時應用用的程序序要求。。Creator提供了了一個用用戶界面面用于建建造模型型、地形形和場景景，并包包括符合合OpenFlight（..flt）文件件格式標標準的層層次視景景數(shù)據(jù)庫庫。OpenFlight文件在在輸入到到運行軟軟件后，，如Multigen-Paradigm公司司的Vega，，就成為為了實時時應用的的一部分分。MultigenCreator背景知知識（二二）一、實時時應用與與動畫的的區(qū)別實時和動動畫應用用都是模模擬真實實和想象象的世界界，用高高度細節(jié)節(jié)模型，，產(chǎn)生平平滑連續(xù)續(xù)的運動動，并以以一定的的FPS（禎//秒）進進行繪制制來達到到無縫的的演示。。動畫主要要用于電電影、印印刷圖畫畫以及預預先設(shè)計計好的演演示。實實時應用用主要用用于仿真真，需要要對用戶戶輸入做做出反應應，如：：飛行訓訓練、影影視游戲戲和交互互式建筑筑演示。。MultigenCreator背景知知識（三三）主要區(qū)別別：實時應用用：每幀幀都是實實時繪制制。動畫：每每幀是預預先繪制制好的。。實時應用用是高度度交互的的，用戶戶控制場場景中物物體的運運動；動動畫沒有有用戶交交互，用用戶只是是被動的的觀察者者。實時應用用的重點點是交互互性和意意圖實現(xiàn)現(xiàn)。實時時應用中中的模型型與動畫畫模型相相比較，，通常有有較少的的細節(jié)，，以提高高繪制速速度并減減少“滯滯后時間間”（指指用戶輸輸入和應應用程序序做出相相應反應應之間的的時間））。為了了達到真真實的實實時仿真真效果，，“滯后后時間””要盡可可能短到到用戶無無法發(fā)覺覺。動畫的重重點是非非交互的的美學和和視覺效效果。在在動畫中中的模型型常有很很多細節(jié)節(jié)，因為為每幀都都是預先先繪制的的，繪制制速度的的效果就就能被預預先決定定。實時應用用可以用用多種幀幀速率來來顯示，，從16－60FPS,取決決于應用用的目的的和屏幕幕場景的的復雜性性；動畫畫常以24幀每每秒的速速度來顯顯示預先先繪制好好的影像像序列，，是既定定的。MultigenCreator背景知知識（四四）二、什么么是三維維圖形計算機生生成的二二維圖形形僅在X/Y軸軸有水平平和垂直直的坐標標，而三三維圖形形除了有有X/Y坐標外外，還有有Z軸的的維度來來定義深深度信息息。當光光照和紋紋理應用用于三維維物體時時，這個個物體顯顯得比二二維的物物體要真真實得多多。而且且，你能能在三維維空間中中穿過或或環(huán)繞三三維模型型和圖形形，就如如同在虛虛擬的世世界中游游覽一樣樣。你創(chuàng)創(chuàng)建的三三維模型型網(wǎng)格化化（Tessellate））為簡單單的凸((Convex)多邊邊形。網(wǎng)格化（（Tessellation）是一一個將物物體的數(shù)數(shù)學表達達轉(zhuǎn)化為為多個多多邊形的的過程。。簡單多邊邊形是指指其每邊邊（Edge））僅僅交交匯于多多邊形的的頂點（（Vertices））,而且且交點是是在邊的的頂點（（vertex）上,,如一個個圓。凸凸多邊形形指沒有有缺口并并且任何何多邊形形內(nèi)部兩兩點的連連線也存存在于多多邊形的的內(nèi)部。。MultigenCreator背景知知識（五五）Creator將非規(guī)則則形狀的的物體分分解為三三角形和和其它規(guī)規(guī)則的形形狀，使使計算機機容易管管理。三角形的的使用，，還有以以下原因因：三角形的的三個頂頂點能表表達為三三維空間間的X//Y/Z坐標；；三角形的的頂點總總是在一一個平面面上，使使得當物物體在三三維空間間旋轉(zhuǎn)時時，Creator能夠正確確繪制。。當面的的頂點不不共面時時，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時就會會復雜（（Complex）和和凹(Concave)，使使得Creator不能正確確繪制。。MultigenCreator背景知知識（六六）三、基本本的實時時應用過過程ADF：：程序定定義文件件Lynx：圖形形用戶界界面MultigenCreator背景知知識（七七）用Creator的地地形（Terrain）工具具，你能能將源數(shù)數(shù)據(jù)，如如衛(wèi)星照照片和數(shù)數(shù)字高程程數(shù)據(jù)，，轉(zhuǎn)成Creator的文件件格式并并用這些些文件在在Creator中創(chuàng)創(chuàng)建地表表。源數(shù)數(shù)據(jù)也包包括特征征數(shù)據(jù)，，你也能能轉(zhuǎn)化并并引入到到Creator中，，用來在在地形上上加入文文化特征征，如道道路和建建筑物等等。用Creator的建建模（Modeling）工工具，你你能手工工創(chuàng)建三三維模型型。并且且，可對對地形、、特征、、模型加加入如顏顏色、材材質(zhì)、紋紋理等以以使其更更真實。。所有的的這些元元素：地地形、特特征、模模型和各各種屬性性，組成成了Creator視視景數(shù)據(jù)據(jù)庫，且且OpenGLAPI是支支持的。。視景數(shù)數(shù)據(jù)庫存存成Multigen-Paradigm的OpenFlight((.flt)文文件格式式，它已已成為大大多數(shù)實實時系統(tǒng)統(tǒng)標準的的文件格格式。你能用Vega開發(fā)環(huán)環(huán)境來創(chuàng)創(chuàng)建實時時應用。。Vega的Lynx功能提提供了一一個圖形形用戶界界面，用用來創(chuàng)建建用于實實時應用用的ADF（應應用定義義文件））文件。。ADF描述了了用于實實時應用用的OpenFlight文文件、運運動體及及路徑、、如爆炸炸等的特特殊效果果、環(huán)境境效果及及其他功功能。在在ADF之外，，你也可可以自己己寫程序序來滿足足你仿真真的需求求。MultigenCreator背景知知識（八八）你最好在在VEGA的開開發(fā)環(huán)境境和功能能庫中寫寫自己的的代碼，，以產(chǎn)生生獨立的的實時應應用。Vega開發(fā)環(huán)環(huán)境包括括API、自定定義的代代碼和運運行引擎擎，如用用于SGIIRIX的、基基于IRISPerformer的Per-Fly。。在圖形生生成器（（IG，，繪制場場景的圖圖形硬件件）中，，IRISPerformer裝裝載器將將Creator中創(chuàng)創(chuàng)建的OpenFlight文件引引入到VEGA中。IG可以以是SGI的圖圖形工作作站，也也可以是是PC。。ADF文件和和其他用用戶程序序也將載載入到VEGA中。在實時應應用編譯譯后，就就可以運運行了。。實時應應用程序序和計算算機平臺臺常常被被一起稱稱為運行行系統(tǒng)（（RuntimeSystem））。MultigenCreator背景知知識（九九）四、WhatHappensatRuntime實時應應用中運運行系統(tǒng)統(tǒng)是如何何工作的的？如果你理理解運行行系統(tǒng)是是如何處處理數(shù)據(jù)據(jù)的，你你就可以以預先計計劃如何何設(shè)計你你的數(shù)據(jù)據(jù)庫。你你所創(chuàng)建建的數(shù)據(jù)據(jù)庫需要要依從于于運行系系統(tǒng)的運運行限制制。因為為許多運運行系統(tǒng)統(tǒng)的表現(xiàn)現(xiàn)會影響響你的實實時應用用的質(zhì)量量，所以以你可以以針對數(shù)數(shù)據(jù)庫做做一些事事情，來來優(yōu)化性性能。仔仔細地計計劃數(shù)據(jù)據(jù)庫的設(shè)設(shè)計是得得到成功功結(jié)果的的關(guān)鍵。。這些運運行的因因素影響響你的數(shù)數(shù)據(jù)庫規(guī)規(guī)劃：MultigenCreator背景知知識（十十）運行系統(tǒng)統(tǒng)對數(shù)據(jù)據(jù)庫每一一幀的繪繪制分為為三個階階段，Application(應應用程序序),Cull（截取?。?Draw（繪制制）。運運行系統(tǒng)統(tǒng)在Application階段將將數(shù)據(jù)庫庫載入后后，必須須在另兩兩個階段段繪制可可見場景景。在Cull階段，，運行系系統(tǒng)遍歷歷整個數(shù)數(shù)據(jù)庫結(jié)結(jié)構(gòu)來發(fā)發(fā)現(xiàn)可見見數(shù)據(jù)。。在Draw階階段，運運行系統(tǒng)統(tǒng)繪制可可見數(shù)據(jù)據(jù)。為了了優(yōu)化性性能，你你必須設(shè)設(shè)計數(shù)據(jù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)構(gòu)使得Cull和Draw的的階段的的處理時時間能夠夠平衡。。數(shù)據(jù)庫場場景中的的物體用用ViewingVolume((視錐，，觀測體體)投射射到屏幕幕上。MultigenCreator背景知知識（十十一）多邊形在在繪制到到屏幕之之前會轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為屏屏幕像素素。重疊疊的多邊邊形會的的像素會會繪制多多次，這這增加了了繪制時時間和