第7章 虚拟现实第三部分建模和仿真技术

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现代仿真技术与应用
第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术
虚拟演播室关键技术-虚拟布景生成技术
虚拟布景生成的过程如下：
1) 把计算机制作的三维数学模型以及贴在模型表面的纹理映射存储在图形工 作站的数据库中； 2) 然后在真实摄像机运动参数的控制下，虚拟摄像机对存储的三维模型进行 三维重建，即把三维模型提供给虚拟场景制作软件，选定适当的投影关系， 生成虚拟布景。 虚拟摄像机硬件采用图形图像处理功能强大的ONYX图形工作站。要求虚拟
增强现实的建模问题
第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术
增强现实使用看穿的头盔显示，它在真实环境的视场上重叠合成图形。在传统的叠 加显示中，合成的图形与背景没有直接关系。但在增强现实中，合成的物体应看起
来是真实环境的一部分。
例如，把合成的物体放在真实桌子上并使得在观察者通过环境移动桌子时该物体也 停在桌上一起移动，这要求知道桌子在空间什么地方，观察者怎样运动。为了完全 真实，要求有关场景照明和表面性质的信息，以便在真实物体上产生合成的明暗。 此外，还要求有关三维场景结构的信息，以便允许真实物体遮挡合成物体或被合成 物体遮挡。自然，在不可控的不可予测的观察者运动中，这些都是实时发生的。
虚拟演播室关键技术-同步跟踪技术 2）图形识别跟踪技术 在真实环境中蓝幕上画上两种蓝色深浅不同、线条粗细不等、线间空格不均匀的网格 图像。通过网格图案特征的分析，可以得到摄像机的机头和镜头参数，以及摄像机位 置参数。 图形识别技术的计算量较大，导致虚拟图像比前景图像滞后6-7帧，而传感器方式的延 迟只有3帧。为了保证前景运动和背景运动的时间同步性，前景图像要求经过硬件的延 时器。 优点：对摄像机机型无限制，无需附加设备，不必改造演播室。 缺点：跟踪精度低，摄像机散焦或网格在3格以下时跟踪失常。为了保持网格的高清晰 度，限制了摄像机景深；为保证网格的数量，限制了演员的活动范围；为保证网格的 识别，要求色键的高质量。
可以从另一个思路理解抠像技术。利用前景图像中人物部分色调与蓝（或绿）背景 色调的差别，把前景图像中人物部分从蓝（或绿）背景中分离出来，再把人物部分 覆盖在（或代替）虚拟图像中对应的像素。
要求前景图像的动作方向，与虚拟图像的动作方向一致。也就是要求虚拟环境对准 真实环境。这样，人们才能感觉两个环境构成一个整体，不会感到真实人物在虚拟 环境中移动。在真实摄像机运动时，真实图像会变化。为了使虚拟图像精确跟踪真 实图像的变化，需要使用同步跟踪技术。
这些编码数据，在视频场的逆程期间送入摄像机定位的分析计算机，计算摄像机的 范围；增加传感器会加大经费。 位置、方向和视角。然后，译码成位置参数指令，通过虚拟摄像机控制设备控制虚 拟背景图像，跟踪真实图像。
传感器的性能，直接影响到跟踪精度、跟踪分辨率、跟踪速度。
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第一种途径：使用统一的中央表示，它取得物理仿真和绘制目的要求的 所有几何、表面和物理性质。结构精致，并避免了保持每个模式RSR过程 之间空间时间相关的问题。 第二种途径：保持分离的表示，它只表示在单一模式中（如听觉）仿真 和绘制交互有关的物体特性。就是对视觉，听觉和触觉分别建立各自的
表示和模型。
日本MINOLTA公司的激光扫描三维建 模产品，VIVID 700。测量距离0.6m2.5m。扫描区域可达1.1m×1.1m。 分辨率(x, y, z)为200×200×256点。 扫描时间0.6秒. VIVID 700的使用情况
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三维扫描设备
用于人体 外形建模 的大型激 光扫描系 统
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自动的几何建模方法
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三维扫描仪（3 Dimensional Scanner）又称为三维数字化仪（3 Dimensional Digitizer）。它是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具。它能快速方便 的将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数 字化提供了有效的手段。 特点： 1、其扫描对象不是平面图案，而是立体的实物。 2、通过扫描，可以获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，彩色扫描还可以获 得每个采样点的色彩。 3、他输出的不是二维图像，而是包含物体表面每个采样点的三维空间坐标和色彩 的数字模型文件。这可以直接用于CAD或三维动画。彩色扫描仪还可以输出物 体表面色彩纹理贴图。 6
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虚拟演播室关键技术-同步跟踪技术 真实图像的获取，是通过真实摄像机的推、拉、摇、移来拍摄的。虚拟摄像机应该与 真实摄像机保持同步运动，二者保持相同的焦距、位置和角度。同步跟踪技术应该具有 这种功能。采用以下方法。 1）传感器跟踪技术 它使用安装在镜头上的编码传感器，检测聚焦（Focus）、变焦（Zooming）、及光 圈（Iris）； 优点：计算延迟时间3帧左右，跟踪速度快，跟踪精度高。 采用安装在云台上的基座旋转编码器，检测机头摇移（Panning）和俯仰（Tilt）； 缺点：摄像机机位固定，更换位置要求重新调整；摄像机锁定和镜头校 采用在云台上安装辅助摄像机扫描拍摄固定在天花板上或墙上的同心环标或条码， 检测云台的位置。 准困难，限制了拍摄自由度；对摄像机机型和云台有要求，限制了选择
1．注意VR几何建模各种方法的对比。
2．注意VR各种绘制技术的思想。 3．注意VR各种动画技术的思想。
7．各类插值和变形方法。
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虚拟现实的几何建模技术
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虚拟现实几何建模得到的建筑物场景
1）环境模型的表示 建模是VR的核心,它定义物体的形式、属性和外观。VR的一个 重要的技术难点是设计开发物体表示、仿真和绘制(RSR)技术。 RSR处理有两个主要途径。
第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术
1．了解VR几何建模和物理建模的有关问题。
2．了解VR仿真中绘制和动画的有关问题。 〖学习指南〗
〖难重点〗
1．注意环境模型的不同表示法。 2．人工几何建模的两种途径。 3．三维扫描仪的特点。 4．获取三维信息的技术。 5．增强现实技术的主要问题。 6．VR图形绘制的关键技术。
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三维扫描设备
激光扫描三维建模产品， ModelMaker。它的激光测量 器安装在美国FARO Technologies公司的机械臂 FARO Arm上。测量速度为 14000点/秒。测头移动速度 0.4-5mm/秒。测量距离120220mm。测量精度0.2mm。
激光扫描三维建模产品ModelMaker使 用的美国FARO Technologies公司的 机械臂FARO Arm。
背景图像连续平稳的变化，图形工作站应该有每秒25帧的处理能力。
虚拟背景的生成包括建模和重建两步。第一步利用建模工具建立三维模型和 纹理贴图。第二步由图形计算机控制物体在虚拟环境中的位置，建立整个虚 拟环境。
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虚拟现实的物理建模技术
第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术
点击观看虚拟现实几何和物理建模得到的场景
第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术
虚拟演播室关键技术-色键合成技术
前景图像的背景是蓝色（或绿色）的幕，其色调与前景中人物区别极大的高饱和度 彩色。于是，前景图像的色调与蓝色（或绿色）幕的色调之差值，形成键控（抠像） 电压波形。用这个电压波形去抠虚拟背景图像，抠掉的部分对应着前景中人物的图 像。然后，在抠掉的部分填上前景中人物的图像。这样就把前景图像中人物部分从 蓝（或绿）背景中分离出来，与虚拟背景图像合成为一幅完整的图像。
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三维扫描系统的关键技术
第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术
在硬件和控制技术方面，扫描运动的伺服装置要求精度高，运行平稳，可定位性好。 三维信息获取技术方面，三维信息获取的原理应综合考虑精度，速度，易实现性， 易使用性，成本，使用背景等。 色彩信息获取方面，物体的色彩由三个因素确定: 照明类型，物体表面的反射特性， 眼睛按三条不同的光谱灵敏度曲线感知光线的能力。 三维构型，显示及修改技术方面，扫描仪获取的是物体表面离散采样点的坐标和色 彩。这些采样点的集合称为“点云”（Point Cloud）。必须用点，多边形，曲线， 曲面等形式描述立体模型，即将“点云”构成“形”。 定标技术方面，确定有关的装置参数就是定标。它与计算模型和误差模型有关。定 标精度和可靠程度直接影响测量精度。
VR的物理属性往往用微分方程来描述，它构成动百度文库学系统。这种动力学系统由系统分
析和系统仿真来研究。系统仿真实际上就是动力学系统的物理仿真。 经典力学的仿真广泛用于帮助工程设计和分析。虽然这些传统仿真提供属性的数值规律， 但还没有满足VR要求。在工程实践中，工程师一般花很多时间手工开发系统的数学模 型。模型再转换成仿真软件和参数选择。 与此对比，VR的力学仿真必须可靠地、无缝地、自动地、实时地运行。在世界建模的 范围内，任何可能发生的情况必须正确处理。近年来，计算机图形的研究开始涉及这类
可以采用层次包围盒技术，计算多面体场景的碰撞检测。
Moore提出了两个有效的碰撞检测算法，其一处理三角剖分的物体表面，另一个处理 多面体环境的碰撞检测。利用一个刚体上各顶点的运动轨迹与另一刚体上各面片进行 求交测试。

问题的提出：固体不能彼此穿过，这是我们日常见到的物理世界的一个方面。在放一个 杯子在桌上时，杯子稳定地放在桌上，不会浮起也不会穿进去。在到达和抓取时，我们 依靠固体的手与物体接触（机械手利用力控制和柔顺运动）。在站立和行走时也依靠与 地面的接触。 防止穿透问题有三个主要部分： a) 首先，必须检测碰撞。 b) 其次，为响应碰撞应调节物体速度。 c) 最后，如果碰撞，响应不引起物体立刻分开，必须计算和施加接触力，直到分开。 17
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人工的几何建模方法
第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术
建立详细的三维几何模型的要求是来自计算机辅助设计(CAD)，计算机图形学，
和其它领域。 由构造VR的观点看，几何建模是致命的技术。它的限制可能妨碍VR的进展。VR 研究将受益于共享的开放的建模环境，包括物理的建模环境。 VR的几何建模一般通过基于PC或基于工作站的CAD工具获取。 许多VE应用要复制真实世界。不是用手建立模型，最好利用视觉或其它感觉自 动获取模型。自动获取复杂环境模型(如工厂环境)当前还不现实，但这是合适 的课题。同时，自动或接近自动获取几何模型，现在在某些情况是现实的。部 分自动的交互式获取在不久将是可行的。现在已有利用激光扫描建立实际物体 三维外形的设备出售。
仿真提出的问题，这称为基于物理的建模。
基于物理模型的动画技术，尽管比传统动画技术的计算复杂性高，但能逼真地模拟自然 物理现象。基于物理模型的动画，大致可分为三类，刚体运动模拟、塑性物体变形运动 模拟、流体运动模拟。
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第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术
虚拟现实的物理建模技术—刚体的建模 刚体运动模拟方面，重点在于采用牛顿动力学方程、时空约束和能量约束方程，进行 运动仿真，用解析方法来计算刚体碰撞时产生的冲量。
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虚拟演播室-原理
右图中：
第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术
真实摄像机拍摄的前景图像，与 在真实摄像机拍摄参数控制下的虚 拟摄像机产生的虚拟背景图像，在
色度键控制器中实时地进行色键合
成，形成一幅完整的彩色图像。
虚拟演播室的三个关键技术：色键合成，同步跟踪和虚拟布景生成。
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章节安排
第一章
第二章 第三章 第四章 第六章 第七章
概述
系统的数学模型 连续系统的数字仿真 离散事件系统仿真 分布式交互仿真 可视化、多媒体、虚拟现实仿真
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第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术
虚拟现实第三部分 建模与仿真技术
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现代仿真技术与应用
〖课前思考〗 1．VR环境怎样建模? 2．VR仿真中绘制的技术。 3．VR仿真中动画的技术。 〖学习目标〗