虚拟现实及其应用概述.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,虚拟现实及其应用概述,虚拟现实及其应用概述,第1页,主要内容：,1,注意环境模型两种不一样表示方法。,2,人工几何建模两种路径。,3,人工几何建模主要困难。,4,三维扫描仪三个特点，六项技术和扫描设备。,5,增强现实技术主要问题。,6,物理建模应该考虑三类对象。,7,VR,图形绘制九项技术。,8,各类插值和变形方法。,9,微分方程数值解法。,10,由传递函数得到状态方程方法。,虚拟现实建模和仿真技术,虚拟现实及其应用概述,第2页,本章知识关键点：,虚拟现实及其应用概述,第3页,虚拟现实及其应用概述,第4页,4,1,虚拟现实几何建模技术,4,1,1,环境模型表示建模是,VR,关键,它定义物体形式、属性和外观。多模式,VR,一个主要技术难点是设计开发物体,表示、仿真和绘制,(RSR),技术。它支持实时与,VR,视听触觉交互。,RSR,处理有两个主要路径。,第一个路径使用统一,中央表示,，它取得物理仿真和绘制目标所要求全部几何、表面和物理性质。标准上，有限元建模类方法能够用作表示这些特征、物理仿真和绘制基础。第一个路径结构最精巧，并防止了保持每个模式,RSR,过程之间空间时间相关问题。,虚拟现实及其应用概述,第5页,在另一个路径中，,采取保持分离,表示，它只表示在单一模式中（如听觉）仿真和绘制交互相关物体特征。分别对视觉，听觉和触觉建立各自表示和模型。允许模式专用表示、仿真和绘制之间含有更加好配合。多数相关,VR,RSR,研究开发是视觉绘制系统。与两种,RSR,路径（或不一样多模式）相关理论和实际问题只引发极少关注，但这可能成为,VR,研究开发主要议题。比如，几何建模关系到声学环境和视觉环境，开发实际模型对产生和调整视听触觉显示能力是关键。利用听觉显示了解科学数据是新奇应用。,虚拟现实及其应用概述,第6页,4,1,2,人工几何建模方法,建立详细三维几何模型要求主要来自计算机辅助设计,(CAD),、计算机图形学和其它领域。尽管有丰富商业建模工具，人们经常还是把建模看成很繁重任务。因为建模迟缓，用户接口不便，不灵活，以及模型要求在低层次。所以多数试验室和商业动画企业宁愿使用自制建模工具，或在一些情况用自制建模工具与市场销售建模工具混合。为了了解，需要回顾三维几何模型怎样获取。下面回顾几个,VR,工作所汇报模型获取过程：,VR,几何建模普通经过基于,PC,或基于工作站,CAD,工具获取。在北卡大学漫游建筑项目中，,AutoCAD,用于产生组成一座教堂几何模型,1,个多边形。由,AutoCAD,产生文件取出三维几何并不困难，但问题是并非全部要求数据都以,VR,要求形式提供。,虚拟现实及其应用概述,第7页,尤其是没有提供相关建筑物实际物理数据、用于实时漫游算法划分信息、以后由手工或专用程序加入等。,VPL Reality Built for Two(RB2),系统使用,Macintosh,，作为固体建模设计站，用,IRIS,工作站作为绘制,/,显示站。,RB2,是用于设计和实现实时,VR,软件开发平台。在,RB2,下开发是快速交互，含有可实时编辑属性约束和交互。,在,NPSNET,项目中，初始三维插图集由,SIMNET,数据库得到。,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。,虚拟现实及其应用概述,第8页,4,1,3,自动几何建模方法三维扫描仪（,3 Dimensional Scanner,）又称为三维数字化仪（,3 Dimensional Digitizer,）。它是当前使用对实际物体进行三维建模主要工具。它能快速方便将真实世界立体彩色信息转换为计算机能直接处理数字信号，为,实物数字化,提供了有效伎俩。它与传统平面扫描仪、摄像机、图形采集卡相比有很大不一样。首先，其扫描对象不是平面图案，而是立体实物。其次，经过扫描，能够取得物体表面每个采样点三维空间坐标，彩色扫描还能够取得每个采样点色彩。一些扫描设备甚至能够取得物体内部结构数据。而摄像机只能拍摄物体某一个侧面，且会丢失大量深度信息。第三，它输出不是二维图像，而是包含物体表面每个采样点三维空间坐标和色彩数字模型文件。这能够直接用于,CAD,或三维动画。彩色扫描仪还能够输出物体表面色彩纹理贴图。,虚拟现实及其应用概述,第9页,1,三维信息获取技术：早期用于三维测量是坐标测量机（,CMM,）。当前，,CMM,仍是工厂标准立体测量装备。它将一个探针装在三自由度（或更多自由度）伺服装置上，驱动探针沿三个方向移动。当探针接触物体表面时，测量其在三个方向移动，就可知道物体表面这一点三维坐标。控制探针在物体表面移动和触碰，能够完成整个表面三维测量。其优点是测量精度高。其缺点是价格昂贵，物体形状复杂时控制复杂，速度慢，无色彩信息。,机械测量臂借用了坐标测量机接触探针原理，把驱动伺服机构改为可准确定位多关节随动式机械臂，由人牵引装有探针机械臂在物体表面滑动扫描。利用机械臂关节上角度传感器测量值，能够计算探针三维坐标。因为人牵引使其速度比坐标测量机快，而且结构简单，成本低，灵活性好。但不如光学扫描仪快。也没有彩色信息。,虚拟现实及其应用概述,第10页,借助雷达原理，发展了用激光或超声波等媒介代替探针进行深度测量。这是激光或超声波测距器。测距器向被测物体表面发出信号，依据信号反射时间或相位改变，能够推算物体表面空间位置，称为“飞点法”或“图像雷达”。不少企业开发了用于大尺度测距产品（如用于战场和工地）。小尺度测距困难在于信号和时间准确测量。,Leica,和,Acuity,推出了采取激光或红外线测距器。,Senix,企业推出了超声波测距器。它受遮挡影响较小。但要求测量精度高，扫描速度慢，而且受到物体表面反射特征影响。基于计算机视觉原理提出了各种三维信息获取原理。这包含单目视觉法、立体视觉法、轮廓恢复形状法、运动恢复形状法、结构光法、编码光法等。其中结构光法，编码光法成为当前多数三维扫描设备基础。这些方法能够分为被动式和主动式两大类。被动式法代表是立体视觉法。主动式法代表是结构光法，编码光法。光学扫描装置比较复杂，价格偏高，存在不可视区，也受到物体表面反射特征影响。,虚拟现实及其应用概述,第11页,几个惯用方法比较：,用于取得物体内腔尺寸方法之一是工业,CT,。它以高能,X,射线对零件内部进行分层扫描。它缺点是精度不高，价格昂贵，且存在放射性危害。美国,CGI,企业生产自动断层扫描仪能够克服这些缺点。但要求对被测物体进行破坏。,虚拟现实及其应用概述,第12页,2,三维扫描系统关键技术,在硬件和控制技术方面，扫描运动伺服装置要求精度高，运行平稳，可定位性好。用,电子扫描代替机械扫描,是当前趋势。各类传感器要求精度高，分辨率高，噪声小。三维信息获取技术方面，三维信息获取原理应综合考虑,精度，速度，易实现性，易使用性，成本，使用背景,等。原理确定后，还要注意实施方案，采取巧妙技术策略，提升产品性能。还要研究计算模型和误差模型，了解误差原因，误差传递，误差校正和消除。往往还要包含数据预处理和后处理技术。色彩信息获取方面，物体色彩由三个原因确定,:,照明类型，物体表面反射特征，眼睛按三条不一样光谱灵敏度曲线感知光线能力。,彩色是一个心理感觉,。它与光源辐射能量分布及观看者视觉感受相关。当前三维扫描仪普通得到不是物体表面材质和对入射光反射特征，而是在某种照明条件下所展现色彩。,虚拟现实及其应用概述,第13页,三维构型，显示及修改技术方面,，扫描仪获取是物体表面离散采样点坐标和色彩。这些采样点集合称为,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,组成,形,。一样点集进行不一样连接，可能得到不一样三维模型。,定标技术方面,，确定相关装置参数就是定标。它与计算模型和误差模型相关。定标精度和可靠程度直接影响测量精度。定标还能够校正装置误差。对彩色扫描，还有色彩定标问题。,虚拟现实及其应用概述,第14页,3,三维扫描设备,FARO,企业,机械测量臂包含,Gold,系列，,Silver,系列，,Sterling,系列。其优点为,:,轻便，易用，量程大，精度高，可靠性好，便于与其它装置配套，价格廉价。,Immersion,企业,机械测量臂更多关注动画业应用。一样轻便和易用，可与,PC,、,Macintosh,、,SGI,连接，三维形状描述支持点、线、多边形、,Spline,曲线，输出数据格式包含,DXF,、,OBJ,、,TXT,等。,Cyberware,企业,三维扫描仪，在,80,年代就被迪斯尼等动画和特技企业采取，用于,终止者,II,，,侏罗纪公园,，,蝙蝠侠,II,，,机械战警,等影片。还用于快速雕塑系统。,90,年代扫描仪可对人体全身扫描，给出对象多边形、,NURBS,曲面、点、,Spline,曲线方式描述，用于动画、人类学研究、服装设计等方面。,虚拟现实及其应用概述,第15页,Cyberware,代表产品是,3030,系列，其适用范围宽，价格适中，性能好。除了,3030R,外，都可进行彩色扫描。扫描速率可达,1.4,万点,/,秒。,3030RGB,型扫描物体尺寸在,30cm,，深度方向测量精度,100-400m,，测量单元重,23kg,，主机为,SGI,工作站。,3D Scanner,企业,Reversa,是非接触式双相机激光扫描头，基于线状结构光测距原理，实现上采取,相机,-,激光源,-,相机,方案。它制作精巧，重量仅,600g,，尺寸仅,198mm82mm70mm,，激光线最窄,40m,，深度方向测量精度,10m,。,Reversa,能够进行四轴或五轴扫描运动，扫描采样速率为,1-1.5,万点,/,秒。其软件提供扫描方式控制，数据格式转化，三维显示，等高线显示，百分比缩放，指定点坐标显示，修补界面等功效。输出可转化为一些标准格式，如,DXF,、,STL,、,ASCII,等，用于产品测量、设计开发、模具制造、珠宝设计、快速制造、特技制作、制陶、制鞋及医学。,虚拟现实及其应用概述,第16页,3D Scanner,企业,ModelMake,是最新激光扫描头，能够安装在多关节机械测量臂上，作多轴扫描。装置体积小，重量轻，可进行彩色扫描，输出支持,DXF,、,STL,、,ASCII,、,EYE,、,OBJ,、,3DS,格式，适合用于特技制作、虚拟现实、,VRML,产品设计、测量、医学等。,CGI,企业自动断层扫描仪,CSS-1000,，能同时取得物体外形和内腔结构。用材料逐层磨去与逐层光学平面扫描相结合方法测量物体内外尺寸。这是破坏性扫描，但可靠性好，自动化程度高，能与,CAD,软件直接接口，比工业,CT,廉价，且精度较高。其它产品有,Inspeck,企业,三维光学扫描装置。,Digibot,企业,Digbot II,采取点状结构光测量深度。,Steinbichler,企业,三维扫描系统有,COMET,、,Tricolite,、,AutoScan,。,华中理工大学,3DLCS95,。,虚拟现实及其应用概述,第17页,下列图表示，日本住商株式会社激光扫描三维建模产品，,ModelMaker,。它激光测量器安装在美国,FARO Technologies,企业机械臂,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,120-220mm,。测量精度,0.2mm,。,虚拟现实及其应用概述,第18页,下列图表示，日本住商株式会社激光扫描三维建模产品,ModelMaker,使用美国,FARO Technologies,企业机械臂,FARO Arm,虚拟现实及其应用概述,第19页,下列图表示，日本,MINOLTA,企业激光扫描三维建模产品，,VIVID 700,。测量距离,0.6m-2.5m,。扫描区域可达,1.1m1.1m,。分辨率,(x,y,z),为,200200256,点。扫描时间,0.6,秒,虚拟现实及其应用概述,第20页,下列图表示，日本,MINOLTA,企业激光扫描三维建模产品，,VIVID 700,使用情况,虚拟现实及其应用概述,第21页,用于人体外形建模大型激光扫描系统,虚拟现实及其应用概述,第22页,4,1,4,增强现实建模问题增强现实使用看穿头盔显示，它在真实环境视场上重合合成图形。在传统叠加显示中，合成图形与背景没有直接关系。,但在增强现实中，合成物体应看起来是真实环境一部分。,这就是说它们应与观察者交互，与真实物体交互，好象也是真。在一个极端条件下，产生全增强现实幻觉要求真实世界和合成物体完全模型。比如，把合成物体放在真实桌子上并使得在观察者经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，要求相关场景照明和表面性质信息，方便在真实物体上产生,合成明暗,。另外，还要求相关三维场景结构信息，方便允许真实物体遮挡合成物体或被合成物体遮挡。自然，在不可控不可予测观察者运动中，这些都是实时发生。,虚拟现实及其应用概述,第23页,真实和虚拟这种混合已在动画图像特技效果中实现。一些效果产生是经过绘制三维模型并产生得到图形与真实场景组合，这正是增强现实要求。但这个过程很慢很费劲，要求每步人工干预。在场景被拍摄后，摄象机和物体运动模型被人工提取，这利用一帧一帧手工测量，有大量尝试和错误。即使小几何错误也轻易破坏幻觉，使合成物体似乎浮出真实场景以外。自动生成增强现实效果还是正在研究问题。两个主要问题是,：（,1,）观察者运动准确测量；（,2,）获取和维持场模型。,虚拟现实及其应用概述,第24页,增强显示技术一个卓有成效应用就是,虚拟演播室,。传统电视节目制作要使用演播室，搭建、拆卸、储备、搬运实物道具和布景，浪费时间财力。日益增多节目制作量和有限演播室空间，存在突出矛盾。,20,世纪,80,年代，虚拟现实研究给影视行业提供了虚拟演播室技术，适时提供了先进影视制作工具。,1978,年,Eugene L,。提出了电子演播室布景构想。,1988,年日本,NHK,把二维计算机图形实时合成系统,Sythe Vision,用于汉城奥运会新闻演播室。,1993,年英国,BBC,利用虚拟演播室系统,Virtual Scenario,制作电视新闻背景，以三维模型形式报道选举。,1997,年美国,Evans&Sutherland,企业推出首套基于,Windows NT,和实时图形工作站虚拟演播室系统,Mindset,。,1999,年美国,Play,企业推出性能价格比高，带虚拟场景数字编辑系统,Trinity,。,虚拟现实及其应用概述,第25页,当前市场上已经有十多个虚拟演播室产品。按照摄像机跟踪方式不一样，能够分为两类：,机械传感方式,（占,73%,）和,图形识别方式,（占,27%,）。按照模型，能够分为两类：,二维虚拟场景,（占,23%,）和,三维虚拟场景,（占,77%,）。全球已经采取了,100,多套虚拟演播室系统。如美国电影,泰坦尼可号,虚拟背景制作。,1998,年法国世界杯足球赛电视转播。,1998,年以来，中央电视台已经采取了,4,套不一样虚拟演播室系统。不过，这些系统多以图形工作站为硬件平台，价格在,20-40,万美元，比较昂贵。只有,Play,企业数字编辑系统,Trinity,性能价格比高，受到欢迎。价格昂贵虚拟演播室受到欢迎，反应了其巨大优势：节约制作成本，保持前景和背景正确透视关系，且可依据想象力自由创作。,虚拟现实及其应用概述,第26页,1,虚拟演播室原理同时跟踪技术用于虚拟图像和真实图像对准。色键合成技术用于虚拟图像和真实图像合成。虚拟演播室原理以下列图所表示,虚拟现实及其应用概述,第27页,有真实摄像机拍摄前景图像，与在真实摄像机拍摄参数控制下虚拟摄像机产生虚拟背景图像，在色度键控制器中实时地进行色键合成，形成一幅完整彩色图像。他关键技术包含：色度键控合成（简称色键合成）技术，同时跟踪技术，虚拟背景生成技术等。,下面介绍虚拟演播室三个关键技术：,色键合成，同时跟踪和虚拟布景生成,：,2,色键合成技术 前景图像背景是蓝色（或绿色）幕，其色调为与前景中人物区分极大高饱和度彩色。于是，前景图像色调与蓝色（或绿色）幕色调之差值，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，抠掉部分对应着前景中人物图像。然后，在抠掉部分填上前景中人物图像。这么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图像。,虚拟现实及其应用概述,第28页,利用前景图像中人物部分色调与蓝（或绿）背景色调差异，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）虚拟图像中对应像素。要求前景图像动作方向，与虚拟图像动作方向一致。也就是要求虚拟环境对准真实环境。这么，人们才能感觉两个环境组成一个整体，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，真实图像会改变。为了使虚拟图像准确跟踪真实图像改变，需要使用同时跟踪技术。,虚拟现实及其应用概述,第29页,3,同时跟踪技术,真实图像获取，是经过真实摄像机推、拉、摇、移来拍摄。虚拟摄像机应该与真实摄像机保持同时运动，二者保持相同焦距、位置和角度。同时跟踪技术应该含有这种功效。,对二维虚拟演播室，虚拟摄像机应该跟踪真实摄像机左右摇摆（,A,），上下俯仰（,B,），以及前后推拉（,C,）。其跟踪函数为：,T2=f,（,A,，,B,，,C,）。对三维虚拟演播室，还应该跟踪机位横向移动（,D,），机位纵向移动（,E,），机座高度升降（,F,），摄像机旋转（,G,），以及镜头光圈变动（,H,）。其跟踪函数为：,T3=f,（,A,，,B,，,C,，,D,，,E,，,F,，,G,，,H,）。跟踪函数是复杂非线性函数，而且摄像机旋转（,G,）和镜头光圈变动（,H,）难以得到。,虚拟现实及其应用概述,第30页,第一个方法是传感器跟踪技术。它使用安装在镜头上,编码传感器,，检测聚焦（,Focus,）、变焦（,Zooming,）、及光圈（,Iris,）；采取安装在云台上基座旋转编码器，检测机头摇移（,Panning,）和俯仰（,Tilt,）；采取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同心环标或条码，检测云台位置。这些编码数据，在视频场逆程期间送入摄像机定位分析计算机，计算摄像机位置、方向和视角。然后，译码成位置参数指令，经过虚拟摄像机控制设备控制虚拟背景图像，跟踪真实图像。传感器性能，直接影响到跟踪精度、跟踪分辨率、跟踪速度。同时跟踪系统现有产品有，,8,个传感器托马系统，虚拟现实编码头（,Radamec Virtual Reality Encoder Head,）。,虚拟现实及其应用概述,第31页,同时跟踪技术优点是：计算延迟时间,3,帧左右，跟踪速度快，跟踪精度高。其缺点是：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，限制了选择范围；增加传感器会加大经费。,第二种方法是,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一样、线条粗细不等、线间空格不均匀网格图像。,1994,年，欧洲,BBC,与,Radamec,系统进行了试验。能够依据真实图像分析，计算摄像机机头和镜头参数，但还不能计算摄像机位置参数。,1996,年，以色列,Gamir,企业以每组,4,个相邻网格组合为识别最小单位，而且各组互不相同。经过网格图案特征分析，能够得到摄像机机头和镜头参数，以及摄像机位置参数。,虚拟现实及其应用概述,第32页,图形识别技术计算量较大，造成虚拟图像比前景图像滞后,6-7,帧，而传感器方式延迟只有,3,帧。为了确保前景运动和背景运动时间同时性，前景图像要求经过硬件延时器。图形识别方式优点是：对摄像机机型无限制，无需附加设备，无须改造演播室。图形识别方式缺点是：跟踪精度低，摄像机散焦或网格在,3,格以下时跟踪失常。为了保持网格高清楚度，限制了摄像机景深；为确保网格数量，限制了演员活动范围；为确保网格识别，要求色键高质量。,虚拟现实及其应用概述,第33页,4,虚拟布景生成技术,虚拟布景生成过程以下：把计算机制作三维数学模型以及贴在模型表面纹理映射存放在图形工作站数据库中；然后在真实摄像机运动参数控制下，虚拟摄像机对存放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，选定适当投影关系，生成虚拟布景。虚拟摄像机硬件采取图形图像处理功效强大,ONYX,图形工作站。要求虚拟背景图像连续平稳改变，图形工作站应该有每秒,25,帧处理能力。虚拟背景生成包含,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位置，建立整个虚拟环境。,虚拟现实及其应用概述,第34页,5,虚拟演播室系统,虚拟演播室系统有：,Cyberset,、,Larus,、,3DK,、,MingSet,等。,Cyberset,系统采取图形识别跟踪技术。系统包含：,ONYX-2,主机（有图形加速功效），图形识别信号插入器（用于识别摄像机识别码），数字视频处理器（用于提取摄像机机头和镜头参数），,O2,工作站，以及色度键控制器，,Cyberset,特点是：（,1,）计算机能够,提取摄像机运动参数和位置参数,，摄像机移动不受限制；（,2,）摄像机机型不受限制，且安装简单；（,3,）多个摄像机能够共同使用一套虚拟演播室；（,4,）跟踪系统无须校正和预热，调整简单，工作稳定且准确；（,5,）安装和操作简单。,虚拟现实及其应用概述,第35页,Larus,采取,传感器跟踪,（,Thoma System,），测量左右摇摆、上下俯仰、聚焦和变焦。,Larus,有三个信道，分别采取：,SGI ONYX-2,主机、,SGI O2,工作站,1,、,SGI O2,工作站,2,。另外有一台,PC,，运行二维贴图软件；有一台,SGI Indigo-2,建立与修改虚拟场景；有一台,SGI O2,作用户界面。系统有以下特点：（,1,）,采取通用图形工作站和图形工具库,OpenGL,，开放性好，便于升级和扩展；（,2,）延迟时间短，仅,1,帧；（,3,）用,阴影摄像机拍摄主持人影子，并显示，增加真实感,；（,4,）界面为多级弹出式菜单，易学易用；（,5,）用,空间球,控制虚拟场景推、拉、摇、移、俯、仰，很方便；（,6,）实用程序多，便于系统管理及数据转换；（,7,）用,Kevin Effect,功效，使虚拟摄像机在虚拟场景中采取飞行镜头技术，使效果更逼真；（,8,）操作员用魔幻效果，准确控制动画开始时间和位置；（,9,）采取导演专用小切换盒，不影响技术人员操作；（,10,）图形功效较全。,虚拟现实及其应用概述,第36页,4,2,虚拟现实物理建模技术,为了使,VR,可靠，并把用户定位在其中，虚拟物体,(,包含用户图像,),必须象真一样。最少固体不应彼此穿过，物体在被推拉抓取时应按予期方式运动。,VR,物理属性往往用微分方程来描述，它组成动力学系统。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物理仿真。经典力学仿真广泛用于帮助工程设计和分析。即使这些传统仿真提供属性数值规律，但还没有满足,VR,要求。在工程实践中，仿真是长推理活动。工程师普通花很多时间手工开发系统数学模型。模型再转换成仿真软件和参数选择。这么仿真才能运行。在进行设计时，初始方程必须修改，并重新运行仿真。,虚拟现实及其应用概述,第37页,与此对比，,VR,力学仿真必须,可靠地,、,无缝地、自动地、实时地,运行。在世界建模范围内，任何可能发生情况必须正确处理。近年来，计算机图形研究开始包括这类仿真提出问题，这称为,基于物理建模,。下面综述现有技术。基于物理模型动画技术，尽管比传统动画技术计算复杂性高，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,虚拟现实及其应用概述,第38页,4,2,1,固体建模,刚体运动模拟方面，重点在于采取,牛顿动力学方程,来模拟。,Witkin,利用,Lagrangian,动力学方程及时空约束和能量约束方程来进行运动仿真。,Hahn,采取解析方法来计算刚体碰撞时产生冲量。他假设两个刚体在接触时只有一点接触。这是理想化。为了预防非完全弹性碰撞时刚体间相互贯通，把碰撞接触模拟为一个一再发生碰撞序列。,Hahn,采取,层次包围盒技术,来加速多面体场景碰撞检测。,Moore,提出了两个有效碰撞检测算法，其一处理三角剖分物体表面，另一个处理多面体环境碰撞检测。他利用一个刚体上各顶点运动轨迹与另一刚体上各面片进行,求交测试,。,固体不能彼此穿过，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。在抵达和抓取时，我们依靠固体手与物体接触（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接触。,虚拟现实及其应用概述,第39页,预防穿透问题有三个主要部分。首先，必须,检测碰撞,。其次，为响应碰撞应,调整物体速度,。最终，假如碰撞，响应不引发物体立刻分开，必须,计算和施加接触力,，直到分开。碰撞检测处理通常是经过检测每次修改位置时物体重合。假如发觉重合，就发出碰撞信号，系统状态就返回碰撞时刻，碰撞响应就计算并施加。确定任意一对物体是否重合几何问题有大量研究。这个问题在机器人学，机械,CAD,，计算机图形学方面都引发关注。,虚拟现实及其应用概述,第40页,4,2,2,约束和联接物体建模,除了简单物体,(,如刚体,),外，还应该能处理有运动部件物体（开关门，转动把手和开关等）。标准上，仿真简单物体（如刚体）能力，加上预防穿透能力，足够建模多数复合物体。比如，运动桌子抽屉结构经过建模在导槽中滑动块，结构门是经过详细建模铰链刚性部件。实际上，用直接几何约束综合这种详细交互效果还不很有效。比如，滑动块和导槽构想为一对重合直线，每个物体上一条线。铰链表示为理想转动关节。,铰链物体（,刚体关节装配,）仿真和分析被广泛应用，尤其是在机械手中。除了传统技术（如,拉格朗日动态法,），还开发了,流线递归,方程，可能在线性时间内仿真运动链动态，而拉格朗日动态要求,N,3,时间。这些方法只适于较长链（,N9,），而且其初始形式不轻易处理在部件连接图中闭环。,虚拟现实及其应用概述,第41页,仿真约束系统另一个路径建立在经典拉格朗日乘法之上，每个时间步解一个线性方程，得到一组约束力。这个路径有几个优点。首先，它是普通方法，允许任意完全约束施加于任意物体。其次，它提供在进行中结构和修改，这对,VR,是主要。最终，形成线性系统约束矩阵是稀疏，这反应了通常每个物体不是直接连到另一物体。使用这种稀疏数值方法能够得到与递归方法可比性能。,虚拟现实及其应用概述,第42页,4,2,3,非刚体建模,真实物理世界中，许多物体在运动中会产生变形，这就是,柔性物体,。,Terzopoulos,采取连续弹性理论来模拟物体变形和运动。考虑物体分布式物理属性（如质量和弹性等），模拟了柔性物体对外力动力学响应。不过当物体刚性增加时，模型会出现数值不稳定（病态）现象。以后完善了变形模型能够模拟各种变形效果，包含：,完全弹性变形、非完全弹性变形、塑性变形、断裂,等。,大量工作是用,有限元法,仿真连续动态。多数研究可能仅仅关系到结构普通,VR,，这些环境不要求细粒度非刚性建模，可能例外是虚拟手术。不过对科学和工程,交互式连续分析,可能成为,VR,主要专门应用，只要计算能力能够支持。,虚拟现实及其应用概述,第43页,Baraff,等人提出,柔软物体动态简化模型,。模型普通概念是只用少许全局参数表示物体形状，并依据这些变量形成动态方程。这些简化模型只注意物体粗略变形，但最终提供了很高性能。这可能是要求简单非刚性,VR,最适当选择。特殊形式非刚性建模，是交互地,雕刻自由形式表面,。普通思想是用仿真柔软材料作为雕刻媒体。,Celniker,使用软薄纸，,Szeliski,用一团定向粒子形成平滑表面。,流体运动模拟，从流体力学中选取适当流体运动方程，进行适当简化，经过数值求解得到各时刻流体形状和位置。现在已经有模拟水流、波浪、瀑布、喷泉、溅水、船迹、气体等流体效果模型。,虚拟现实及其应用概述,第44页,4,2,4,自主智能体,(Agent),建模,许多,VR,应用领域要求仿真自主智能体，如训练、教育和娱乐等领域。这些智能体起作用是对手，训练者，同伴，或只是增加信任感多出者。让被仿真人完全可信，还只是科学幻想小说素材，但简单智能体对,VR,往往是足够。结构仿真自主智能体引用很多技术，包含机器人学、计算机动画、人工智能和最优化，也包括社会学和心理学等领域。,Agent,建模不一样于普通数学建模，它是行为建模。行为建模一个应用是计算机生成兵力（,Computer Generated Forces,，,CGF,）建模。,CGF,是用计算机模型实现参加仿真作战人员和武器系统等仿真对象，目标在于降低真实作战人员和武器系统参加仿真。,虚拟现实及其应用概述,第45页,密歇根大学开发了基于符号表示和规则推理,Agent,建模环境,Soar,，能够建立行为模型规则库和推理引擎。由美国陆军,STRICOM,资助，,Loral System,企业和,Saic,企业分别开发了半自主兵力生成系统,ModSAF,和,CCTT SAF,。前者行为模型采取有限状态机，后者采取基于规则知识。基于,Agent,建模框架包含三个部分。（,1,）,感知部分，用来接收外界信息,。（,2,）,认知处理部分,，包含形势评定、决议制订、规划、学习等，还与工作存放器（存放当前信息）和长久存放器（存放知识和任务）。（,3,）,行为输出部分,，输出行为并影响外界环境。,虚拟现实及其应用概述,第46页,1,形势评定技术形势评定是对当前形势预计和对未来形势预测。主要技术包含：,黑板系统,在黑板系统中，当前状态被分解为不一样部分，并加到黑板上适当位置。分析这些信息，并预测未来发展，结果也加在黑板上。,教授系统,即产生式规则系统，包含规则库、事实库、推理引擎。遵照“匹配,-,选择,-,应用”循环。这是惯用技术。,基于范例推理,系统知识用一组范例库表示，一个范例用一组特征来表示。全部范例有一样数据结构。当出现新形势（目标范例）时，它与库中范例比较，找出最靠近范例，实现评定。,贝叶斯信任网,这是基于贝叶斯定理。当已知状态,S,先验概率，且观察到状态,S,相关事件,E,，则能够计算状态,S,后验概率。,虚拟现实及其应用概述,第47页,2,决议制订技术决议制订能够使用上述形势评定技术，也可使用下述基于,效用理论决议,。状态效用值由效用函数计算，是状态非线性函数。,基本效用理论,设在当前状态下，采取决议方案为,Ai,，产生可能状态为,Sj,，每个状态效用值为,U,（,Sj,），概率是,Pj,，则该决议期望效用值为,E,（,Ai,）,=Pj U,（,Sj,）。,期望效用值最大方案是最正确方案,。,多属性效用理论,当影响效用值原因不只一个时，需要用适当方法计算效用值，在各属性满足互斥条件，即各自效用值相互独立时，能够用加法计算效用值。,随机效用理论,用随机变量计算效用值，有更加好灵活性和可变形。,虚拟现实及其应用概述,第48页,3,规划技术规划就是制订部队作战方案。主要技术包含：,产生式规则或决议表,这是惯用技术。不过对规则库或决议表中不存在情况不能处理。,组合式搜索或遗传算法,计算代价高，普通用作辅助伎俩。能产生完整规划，并在新情况下规划新方案。,采取规划模板或基于范例推理,规划模板与作战条例一致，用来把作战任务规划成行动计划。两种方法都采取经验知识，符合人行为，但灵活性和适应性较差。,基于仿真规划,它对可供选择规划进行仿真，实现快速评定、修改、细化和优化。,虚拟现实及其应用概述,第49页,4,学习技术学习过程最难实现，多数仿真系统没有学习功效。惯用技术包含：,基于规则模型,当出现新情况或冲突时，问题求解过程进行求解，组成新规则。在有噪声时，灵活性较差。,基于范例模型,它再现了人学习过程。经过存放过去求解问题经验（即范例），当出现新问题时，利用与已知范例相同性进行求解、更新及存放。,神经网络技术,首先依据问题需要确定网络结构和神经元响应函数，然后用样本输入和输出调整网络连接权值。,其它模型 如,模拟退火方法,，,遗传算法,等。,虚拟现实及其应用概述,第50页,5,多,Agent,技术当不一样,Agent,之间实现协同工作时，需要多,Agent,技术。关键问题是，,多,Agent,之间协调工作，以及共同适应（,Coadapted,）问题（也可称之为多智能体间合作与竞争问题）,。它研究将多个,Agent,组织成一个群体，并使各个,Agent,有效地协调合作，产生共同适应行为，到达总体上处理问题。主要方法包含：,基于符号推理系统协调方法,；,基于行为主义协调方法,；,基于进化机制协调方法；,基于博弈论协调方法,虚拟现实及其应用概述,第51页,4,3,虚拟现实仿真