第三章 虚拟现实系统的相关技术.ppt

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3.3.3 基于图像的实时绘制技术
与基于几何的传统绘制技术相比，基于图像的实时 绘制技术的优势在于： （1）计算量适中，对计算机的资源要求不高。 （2）作为已知的源图像既可以是计算机生成的，也可 以是用相机从真实环境中捕获，甚至是两者混合生 成，因此可以反映更加丰富的明暗、颜色、纹理等 信息。 （3）图像绘制技术与所绘制的场景复杂性无关，交互 显示的开销仅与所要生成画面的分辨率有关，因此 能用于表现非常复杂的场景。
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3.3.2 基于几何图形的实时绘制技术
（5）细节层次模型(Level of Detail,LOD)：首先对同一个场景或 场景中的物体，使用具有不同细节的描述方法得到的一组模型。 在实时绘制时，对场景中不同的物体或物体的不同部分，采用 不同的细节描述方法，对于虚拟环境中的一个物体，同时建立 几个具有不同细节水平的几何模型。 LOD模型是一种全新的模型表示方法，改变了传统图形绘制 中的“图像质量越精细越好”的观点，而是依据用户视点的主 方向、视线在景物表面的停留时间、景物离视点的远近和景物 在画面上投影区域的大小等因素来决定景物应选择的细节层次， 以达到实时显示图形的目的。 通过对场景中每个图形对象的重要性进行分析，使得最重要 的图形对象进行较高质量的绘制，而不重要的图形对象采用较 低质量的绘制，在保证实时图形显示的前提下，最大程度地提 高视觉效果。
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3.4.4 语音合成技术
语音合成技术（TTS, Test to Speech）：用人工的 方法生成语音的技术，当计算机合成语音时，如何能做 到听话人能理解其意图并感知其情感，一般对 “语音” 的要求是清晰、可听懂、自然、具有表现力。 实现语音输出有两种方法：
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3.2 环境建模技术
基于目前的技术水平，常见的是三维视觉建 模和三维听觉建模。而在当前应用中，环境 建模一般主要是三维视觉建模。 三维视觉建模可分为几何建模、物理建模、 行为建模。
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3.2.1几何建模技术
传统意义上的虚拟场景基本上都是基于几何 的，就是用数学意义上的曲线、曲面等数学 模型预先定义好虚拟场景的几何轮廓，再采 取纹理映射、光照等数学模型加以渲染。 主要研究对象是对物体几何信息的表示与处 理。它涉及几何信息数据结构及相关构造的 表示与操纵数据结构的算法建模方法。
3 虚拟现实系统的相关技术
现阶段计算机的运行速度达不到虚拟现实系统所需要的 情况下，相关技术就显得尤为重要。要生成一个三维场景， 并使场景图像能随视角不同实时地显示变化，只有设备是 远远不够的，还必须有相应的技术理论相支持。
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3.1 立体显示技术
人类从客观世界获得的信息的80%以上来自视觉。在 视觉显示技术中，实现立体显示技术成为虚拟现实的一 种极重要的支撑技术。 人的左右眼有大约6-8cm的距离，由于这种视差，使 得人的大脑能将两眼得到的细微差别图像进行融合而产 生有空间感的立体物体。 立体图的产生基本过程是对同一场景分别产生两个相应 于左右双眼的不同图像，让它们之间具有一定的视差。 在观察时借助立体眼镜等设备，使左右双眼只能看到与 之相应的图像，视线相交于三维空间中的一点上，从而 恢复出三维深度信息。 常见有彩色眼镜法、偏振光眼镜法、串行立体显示法等。
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3.3.3 基于图像的实时绘源自文库技术
目前基于图像的绘制的相关技术主要有以下 两种：
（1）全景技术：全景技术是指在一个场景中选择一个观察点，用相机 或摄像机每旋转一下角度拍摄得到一组照片，再采用各种工具软 件拼接成一个全景图像，它所形成的数据较小，对计算机要求低， 适用于桌面型虚拟现实系统中，建模速度快，但一般一个场景只 有一个观察点，因此交互性较差。 （2）图像的插值及视图变换技术：根据在不同观察点所拍摄的图像， 交互地给出或自动得到相邻两个图像之间对应点，采用插值或视 图变换的方法求出对应于其他点的图像，生成新的视图，根据这 个原理可实现多点漫游。
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3.4.3 语音识别技术
与虚拟世界进行语音交互是实现虚拟现实系统中一 个高级目标，语音技术在虚拟现实技术中的关键技 术是语音识别技术和语音合成技术。 语音识别技术(ASR, Automatic Speech Recognition)：将人说话的语音信号转换为可被 计算机程序所识别的文字信息，从而识别说话人的 语音指令以及文字内容的技术。包括：参数提取、 参考模式建立、模式识别等过程。
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3.2.1几何建模技术
几何建模通常采用以下两种方法：
（1）人工的几何建模方法
利用虚拟现实工具软件来进行建模，如OpenGL、Java3D、VRML等。 这类方法主要针对虚拟现实技术的特点而编写，编程容易，效率较高。 直接从某些商品图形库中选购所需的几何图形，可以避免直接用多边形拼 构某个对象外形时繁琐的过程，也可节省大量的时间。 利用常用建模软件来进行建模。如AutoCAD、3DS等，用户可交互式地 创建某个对象的几何图形，但并非所有要求的数据都以虚拟现实要求的形 式提供，实际使用时必须要通过相关程序或手工导入。 自制的工具软件。



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3.2.1几何建模技术
（2）自动的几何建模方法
采用三维扫描仪对实际物体机型三维扫描。 基于图片的建模技术。对建模对象实地拍摄两张以上的 照片，根据透视学和摄影测量学原理，根据标志和定位 对象上的关键控制点，建立三维网格模型。
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3.2.2物理建模技术
几何建模的下一步发展是物理建模，也就是 在建模时考虑对象的物理属性。虚拟现实系 统的物理建模是基于物理方法的建模，往往 采用微分方程来描述。 典型的物理建模方法有分形技术和粒子系统。
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3.3.3 基于图像的实时绘制技术
当前真实感图形实时绘制的其中一个热点问 题就是基于图像的绘制(IBR,Image Based Rendering)。IBR完全摒弃传统的先建模、 后确定光源的绘制方法，它直接从一系列已 知的图像中生成未知视角的图像。 基于图像的绘制技术是基于一些预先生成的 场景画面，对接近于视点或视线方向的画面 进行变换、插值与变形，从而快速得到当前 视点处的场景画面。
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3.2.3行为建模技术
行为建模主要研究的是物体运动的处理和对 其行为的描述。 行为建模就是在创建模型的同时，不仅赋予 模型外形、质感等表现特征，同时也赋予模 型物理属性和“与生俱来”的行为与反应能 力，并且服从一定的客观规律。
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3.2.3行为建模技术
在虚拟环境行为建模中，建模方法主要有基于数值插值 的运动学方法与基于物理的动力学仿真方法。 （1）运动学方法：通过几何变换（平移和旋转等）来描述 运动。 （2）动力学仿真：运用物理定律而非几何变换来描述物体 的行为，在该方法中，运动是通过物体的质量和惯性、 力和力矩以及其他的物理作用计算出来的。
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3.2 环境建模技术
虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环境 的三维数据，并根据其应用的需要，利用获 取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。只 有设计出反映研究对象的真实有效的模型， 虚拟现实系统才有可信度。
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3.2 环境建模技术
虚拟现实系统中的虚拟环境，可能有下列几 种情况：
（1）模仿真实世界中的环境（系统仿真） （2）人类主观构造的环境 （3）模仿真实世界中的人类不可见的环境（科学可视化）
（1）声音是用户和虚拟环境的另一种交互方法，人们可以 通过语音与虚拟世界进行双向交流。 （2）数据驱动的声音能传递对象的属性信息。 （3）增强空间信息，尤其是当空间超出了视域范围。
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3.4.2 三维虚拟声音的特征
在三维虚拟声音系统最核心的技术是三维虚拟声音 定位技术，它的特征主要有： （1）全向三维定位特征：在三维虚拟空间中把实际声音信 号定位到特定虚拟专用源的能力。 （2）三维实时跟踪特性：在三维虚拟空间中实时跟踪虚拟 声源位置变化或景象变化的能力。 （3）沉浸感与交互性：沉浸感是指加入三维虚拟声音后， 能使用户产生身临其境的感觉，有助于增强临场效果。 而三维声音的交互特性则是指随用户的运动而产生的临 场反应和实时响应的能力。
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3.3 真实感实时绘制技术
要实现虚拟现实系统中的虚拟世界，仅有立 体显示技术是远远不够的，虚拟现实中还有 真实感与实时性的要求，也就是说虚拟世界 的产生不仅需要真实的立体感，而且虚拟世 界还必须实时生成，这就必须要采用真实感 实时绘制技术。
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3.3.1 真实感绘制技术
真实感绘制：在计算机中重现真实世界场景的过程。其 主要任务是要模拟真实物体的物理属性，即物体的形状、 光学性质、表面纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位 置、遮挡关系等等。 实时绘制：当用户视点发生变化时，他所看到的场景需 要及时更新，这就要保证图形显示更新的速度必须跟上 视点的改变速度。
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3.3.2 基于几何图形的实时绘制技术
传统的虚拟场景基本上都是基于几何的，就 是用数学意义上的曲线、曲面等数学模型预 先定义好虚拟场景的几何轮廓，再采用纹理 映射、光照等数学模型加以渲染。 大多数虚拟现实系统的主要部分是构造一个 虚拟环境，并从不同的方向进行漫游。要达 到这个目标，首先是构造几何模型，其次模 拟虚拟摄像机在六个自由度运动，并得到相 应的输出画面。
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3.2.1几何建模技术
几何模型一般可分为面模型与体模型：
面模型用面片来表现对象的表面，其基本几何元素多为 三角形；建模与绘制技术相对成熟，处理方便，但难以 进行整体形式的操作（如拉伸、压缩等），多用于刚体 对象的几何建模。 体模型用体素来描述对象的结构，其基本几何元素多为 四面体。拥有对象的内部信息，可以很好地表达模型在 外力作用下的体特征（如变形、分裂等），但计算的时 间与空间复杂度也相应增加，多用于软体对象的几何建 模。
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3.3.1 真实感绘制技术
为了提高显示的逼真度，加强真实性，常采用下列方法：
（1）纹理映射：纹理映射是将纹理图像贴在简单物体的几何表面，以 近似描述物体表面的纹理细节，加强真实性。实质上，它用二维 的平面图像代替三维模型的局部。 （2）环境映射：采用纹理图像来表示物体表面的镜面反射和规则透视 效果。 （3）反走样：走样是由图像的像素性质造成的失真现象。反走样方法 的实质是提高像素的密度。
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3.4 三维虚拟声音的实现技术
虚拟现实系统中的三维声音，使听者能感觉 到声音是来自围绕听者双耳的一个球形中的 任何地方。因此把在虚拟场景中能使用户准 确地判断出声源的精确位置、符合人们在真 实境界中听觉方式的声音系统称为三维虚拟 声音。
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3.4.1 三维虚拟声音的作用
声音在虚拟现实系统中的作用，主要有以下 几点：
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3.3.2 基于几何图形的实时绘制技术
（3）3D剪切：将一个复杂的场景划分成若干个子场 景，系统针对可视空间剪切。虚拟环境在可视空间 以外的部分被剪掉，这样就能有效地减少在某一时 刻所需要显示的多边形数目，以减少计算工作量， 从而有效降低场景的复杂度。 （4）可见消隐：系统仅显示用户当前能“看见”的场 景，当用户仅能看到整个场景很小部分时，由于系 统仅显示相应场景，可大大减少所需显示的多边形 的数目。
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3.3.2 基于几何图形的实时绘制技术
除了在硬件方面采用高性能的计算机，提高 计算机的运行速度以提高图形显示能力外， 还可以降低场景的复杂度，即降低图形系统 需处理的多边形数目。 有下面几种用来降低场景复杂度的方法：
（1）预测计算：根据各种运动的方向、速率和加速度等运动规律，可 在下一帧画面绘制之前用预测、外推法的方法推算出手的跟踪系 统及其他设备的输入，从而减少由输入设备所带有的延迟。 （2）脱机计算：在实际应用中有必要尽可能将一些可预先计算好的数 据进行预先计算并存储在系统中，这样可加快需要运行时的速度。
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3.2 环境建模技术
虚拟现实系统中的环境建模技术与其他图形 建模技术相比，主要有以下三个特点：
（1）虚拟环境中可以有很多的物体，往往需要建造大量完全不同类型 的物体模型。 （2）虚拟环境中有些物体有自己的行为，而一般其他图形建模系统中 只构造静态的物体，或是物体简单的运动。 （3）虚拟环境中的物体必须有良好的操纵性能，当用户与物体进行交 互时，物体必须以某种适当的方式来做出相应的反应。