虚拟现实之建模和仿真技术.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,当代仿真技术与应用,教师：陆艳洪,联络方式：,TEL:,88493458 转921,EMAIL:,yanhonglu,办公室：,试验大楼A913,1,虚拟现实之建模和仿真技术,第1页,当代仿真技术与应用,章节安排,第一章 概述,第二章 系统数学模型,第三章 连续系统数字仿真,第四章 离散事件系统仿真,第六章 分布式交互仿真,第七章 可视化、多媒体、虚拟现实仿真,2,虚拟现实之建模和仿真技术,第2页,虚拟现实第三部分,建模与仿真技术,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,3,虚拟现实之建模和仿真技术,第3页,课前思索,1VR环境怎样建模?2VR仿真中绘制技术。3VR仿真中动画技术。,学习目标,1了解VR几何建模和物理建模相关问题。2了解VR仿真中绘制和动画相关问题。,学习指南,1注意VR几何建模各种方法对比。2注意VR各种绘制技术思想。3注意VR各种动画技术思想。,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,难重点,1注意环境模型不一样表示法。2人工几何建模两种路径。3三维扫描仪特点。4获取三维信息技术。5增强现实技术主要问题。6VR图形绘制关键技术。7各类插值和变形方法。,4,虚拟现实之建模和仿真技术,第4页,虚拟现实几何建模技术,虚拟现实几何建模得到建筑物场景,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,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。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。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要求全部几何、表面和物理性质。结构精巧，并防止了保持每个模式RSR过程之间空间时间相关问题。,第二种路径：,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。就是对视觉，听觉和触觉分别建立各自表示和模型。,5,虚拟现实之建模和仿真技术,第5页,人工几何建模方法,建立详细三维几何模型要求是来自计算机辅助设计(CAD)，计算机图形学，和其它领域。,由结构VR观点看，几何建模是致命技术。它限制可能妨碍VR进展。VR研究将受益于共享开放建模环境，包含物理建模环境。,VR几何建模普通经过基于PC或基于工作站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，但这是适当课题。同时，自动或靠近自动获取几何模型，现在在一些情况是现实。部分自动交互式获取在很快将是可行。现在已经有利用激光扫描建立实际物体三维外形设备出售。,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,6,虚拟现实之建模和仿真技术,第6页,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。,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,1、其扫描对象不是,平面图案,，而是,立体实物,。,2、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。,3、他输出不是,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。,特点：,7,虚拟现实之建模和仿真技术,第7页,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。,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。,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。,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”。,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。,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,三维扫描系统关键技术,8,虚拟现实之建模和仿真技术,第8页,三维扫描设备,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.,VIVID 700使用情况,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。,激光扫描三维建模产品ModelMaker使用美国FARO Technologies企业机械臂FARO Arm。,9,虚拟现实之建模和仿真技术,第9页,用于人体外形建模大型激光扫描系统,三维扫描设备,10,虚拟现实之建模和仿真技术,第10页,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。,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。,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,11,虚拟现实之建模和仿真技术,第11页,虚拟演播室-原理,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,虚拟演播室,三个关键技术,：色键合成，同时跟踪,和,虚拟布景生成。,右图中：,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。,12,虚拟现实之建模和仿真技术,第12页,前景图像背景是蓝色（或绿色）幕，其色调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。,能够从另一个思绪了解抠像技术。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。,虚拟演播室关键技术-色键合成技术,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,13,虚拟现实之建模和仿真技术,第13页,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。采取以下方法。,虚拟演播室关键技术-同时跟踪技术,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,1）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。,优点：,计算延迟时间3帧左右，跟踪速度快，跟踪精度高。,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。,14,虚拟现实之建模和仿真技术,第14页,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。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。,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。,优点：,对摄像机机型无限制，无需附加设备，无须改造演播室。,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。,虚拟演播室关键技术-同时跟踪技术,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,2）图形识别跟踪技术,15,虚拟现实之建模和仿真技术,第15页,虚拟布景生成过程以下：,1)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；,2)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。,虚拟演播室关键技术-虚拟布景生成技术,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,16,虚拟现实之建模和仿真技术,第16页,点击观看虚拟现实几何和物理建模得到场景,虚拟现实物理建模技术,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,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，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。,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,。,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。,17,虚拟现实之建模和仿真技术,第17页,刚体运动模拟方面，重点在于采取牛顿动力学方程、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冲量。,能够采取层次包围盒技术，计算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。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,。,虚拟现实物理建模技术刚体建模,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,问题提出：,固体不能彼此穿过，这是我们日常见到物理世界一个方面。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。,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。,18,虚拟现实之建模和仿真技术,第18页,碰撞检测处理通常是,经过检测每次修改位置时物体重合,。确定任意一对物体是否重合，在几何论中有大量研究。经过检验一个凸多面体每个顶点与另一个物体每个面，能够直接检测凸多面体强重合。,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；,为了降低碰撞检测次数，更有效方案使用约束体积和空间划分。对于屈面物体还没有普通方法,。,实际上，每次修改检验物体重合还不足以确保无穿透，因为在以前布局和新布局之间，物体可能相碰和彼此穿透。这并不奇怪，一个快速运动物体（如子弹）可能整个穿透一个薄物体（如墙），而没有检测出碰撞。,虚拟现实物理建模技术刚体建模,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,19,虚拟现实之建模和仿真技术,第19页,碰撞响应包括到施加冲击，产生速度瞬间改变以预防穿透。,经典力学很轻易处理碰撞响应，问题在于对详细材料怎样开发准确碰撞模型，但许多VR应用不要求这种程度真实。,为处理连续多物体接触，必须计算在接触点交换约束力，并识别停顿接触瞬间。,许多虚拟世界系统展现刚性物体运动，有碰撞检测和响应。,虚拟现实物理建模技术刚体建模,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,20,虚拟现实之建模和仿真技术,第20页,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。,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）。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。,在机械手中，铰链物体（刚体关节装配）仿真和分析被广泛应用。采取,流线递归方程,，,能够在,线性时间内,仿真运动链动态，技术（如拉格朗日），而传统拉格朗日动态法，则要求,N3时间,。,仿真约束系统另一个路径建立在经典拉格朗日乘子法之上：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。,虚拟现实物理建模技术约束和连接物体建模,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,21,虚拟现实之建模和仿真技术,第21页,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），模拟柔性物体对外力动力学响应。,当物体刚性增加时，模型会出现数值不稳定（病态）现象。,完善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。,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。,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。,虚拟现实物理建模技术非刚体建模,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,22,虚拟现实之建模和仿真技术,第22页,“虚拟观察者”（Virtual Observer,VO）观看“虚拟环境”（Virtual Environment,VE），就是,透视投影,，就是把三维场景投影到二维平面上产生图形。,VE坐标系,是描述虚拟环境坐标系，普通是一个固定坐标系。VO坐标系是固定在虚拟观察者身上坐标系，坐标原点VO在虚拟观察者一只眼上，Z轴为光轴，X轴向左，Y轴向上。,虚拟现实仿真绘制技术透视投影,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,23,虚拟现实之建模和仿真技术,第23页,透视投影步骤：,首先把,VE坐标系中点坐标，转换成在VO坐标系中坐标;,然后是在VO坐标系中引入平行于Xvo，Yvo平面投影平面。,把VO坐标系中Xvo，Yvo平面平行移动到投影平面，得到新VO坐标系，如右图所表示。,VE中每个点与VO连线，这个连线与投影平面交点就是该点投影。,把VE中物体上每条线透视投影后，就得到物体线框图（wire frame view）。,虚拟现实仿真绘制技术透视投影,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,24,虚拟现实之建模和仿真技术,第24页,人类视觉深度感是人类识别环境深度和物体远近感觉。它包含由单目视以为到深度感，以及由双目视以为到深度感。,单目深度感有,：,运动视差,这是当观察者相对环境运动时，产生深度感。假如头部运动，就可能发觉物体之间遮挡关系。,透视深度感,对已知物体，图像尺寸改变是透视深度感。人直觉是，物体越远，看起来越小。,双目深度感有：,双目会聚角,是在注视一个点时，双目光轴都指向这个点，双目光轴之交角是双目会聚角。能够从会聚角大小，获取深度信息。但会聚角只能取值在有限范围。注视太近点时，不可能会聚。,立体视觉,是在双目光轴平行时，因为几何位置差异，两目看同一环境，却得到不一样图像。这种图像差异称为双目视差，这是主要深度感。,虚拟现实仿真绘制技术视觉深度感,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,25,虚拟现实之建模和仿真技术,第25页,为了实现立体显示，应该为双目提供不一样图像，有双目视差图像。为此，对同一虚拟环境，由两个虚拟观察点分别透视投影，得到有双目视差两个图像。立体显示就是给双目提供有双目视差两个图像。,内瞳距Se是两眼光轴距离。考虑两眼光轴平行。VO坐标系(观察坐标系)原点改在两眼中点，在这个VO坐标系中一点（x,y），在左眼观察坐标系中坐标为（x-Se/2,y），在右眼观察坐标系中坐标为（x+Se/2,y）。于是，能够得到两眼透视投影为：,虚拟现实仿真绘制技术-立体显示,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,右眼,左眼,26,虚拟现实之建模和仿真技术,第26页,实例:Se=65，d=20对正方体八个顶点，分别计算其投影点。,27,虚拟现实之建模和仿真技术,第27页,物体应针对可视空间,剪切,。虚拟环境在可视空间以外部分被剪掉，这能够降低计算工作量。,视场,是在视角以内部分。假如显示平面是在投影平面内一个矩形，则视场是矩形四边分别与视点VO组成四个面围成部分。这个空间（无限高四棱锥）内每个点投影，都在投影平面内这个矩形中。,近平面和远平面分别垂直于光轴。在虚拟环境中，离视点之距离小于近平面部分，不显示；离视点之距离大于远平面部分，不显示。近平面和远平面之间视场（一个四棱台）组成,可视空间,。,在可视空间中虚拟物体，是可见。实际虚拟物体可见性和剪切处理有以下情况：,如物体边界盒子各项点都可见，则物体可见。,如物体边界盒子各项点都不可见，则物体不可见。,如物体边界盒子各项点有可见，有不可见，则要求剪切。,剪切,是去掉物体不可见部分，保留可见部分。,剪切,目标,是，对不可见物体和部分可见物体上不可见部分，在投影时不予考虑，从而降低计算量。首先要剪切不可见物体，其次是剪切部分可见物体上不可见部分。,虚拟现实仿真绘制技术-D剪切,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,28,虚拟现实之建模和仿真技术,第28页,剪切算法：,Cohen-Sutherland剪切算法,：使用6-bit码表示一个线段是否可见。有三种情况：全部可见，全部不可见，部分可见。若部分可见，则线段再划分成子段，分段检验可见性。直到各个子段都不是部分可见（全部可见或全部不可见）。,Cyrus-Beck剪切算法,：他利用线段参数定义。由参数确定，线是否与可视空间6个边界平面相交。,后面消除法,：用于降低需要剪切多边形数目。多边形有正法线（有正面），视点到多边形有视线。由正法线和视线交角确定，多边形是否可见（正对视点平面可见，背对视点平面不可见）。,虚拟现实仿真绘制技术-D剪切,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,29,虚拟现实之建模和仿真技术,第29页,光照是光源照射表面时，表面上光强，即入射光强度。,这里只考虑点光源，入射光强度为：Ii=Ipcos其中：,Ip,为,点光源强度,，,为,入射线,与,表面法线,交角,。,令（Px,Py,Pz）为表面点P坐标，（Lx,Ly,Lz）为点光源坐标，则,是入射线。令n 是表面法线，则,这里计算入射光强度，实质上是表面得到有效光强度。直觉上轻易了解，入射光线与表面法线夹角越大，表面得到有效光强度越小。,虚拟现实仿真绘制技术-光照,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,30,虚拟现实之建模和仿真技术,第30页,阴影计算复杂，现有算法难以实时计算，往往限于地面和墙面（水平，垂直方向）上阴影。有时可用假阴影。,下列图给出三角形一个顶点阴影点。由三角形三个顶点三个阴影点能够得到三角形阴影三角形。,虚拟现实仿真绘制技术-阴影,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,31,虚拟现实之建模和仿真技术,第31页,1漫反射：,漫反射项,其中：Ii 光源强度，kd 漫反射系数，入射光与法线交角。普通有三个表示式分别对应红、绿、兰三种光线。,反射,是表面反射出去光强度。包含漫反射、镜面反射和完全反射。,虚拟现实仿真绘制技术-反射,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,2镜面反射：,这时，入射角=反射角，观察角。镜面反射项为：,其中：Ks 镜面反射系数（取决于颜色），g光滑系数。,3完全反射,：包含环境光强 反射，漫反射，镜面反射三部分,其中：Ia 环境光强度，ka环境反射系数。,32,虚拟现实之建模和仿真技术,第32页,3D形体投影后，3D形体上全部线全部投影得到线框图。其中，隐藏（被遮挡）线和面，以及可见线和面同时显示。消除隐藏面算法（消隐算法）从显示图形中去掉隐藏（被遮挡）线和面。,消隐算法是把线框图变成实体图必要算法。,虚拟现实仿真绘制技术-消除影藏面,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,1画家算法,它把视场中表面按深度排序。然后由远到近依次显示各表面。近取代远。它不能显示相互穿透表面，也不能实现反走样。对两个有重合物体，A一部分在B前，B另一部分在A前，就不能用此算法。,2扫描线算法,它从图像顶部到底部依次显示各扫描线。对每条扫描线，用深度数据检验相交各物体。它可实现透明效果，显示相互穿透物体，以及反走样。可由各处理机并行处理。,3z-缓冲器算法（z-buffer）,对一个象素，z-缓冲器中总是保留最近表面。假如新表面深度比缓冲器保留表面深度更靠近视点，则新代替保留，不然不代替。它能够用任何次序显示各表面。但不支持透明效果，反走样也受限制。有些工作站已把z-缓冲器算法硬件化。,33,虚拟现实之建模和仿真技术,第33页,纹理映射,反走样,不一样细节程度模型,虚拟现实仿真绘制技术-加强真实性办法,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,1纹理映射,它在图形中部分表面上贴上图像，加强真实性。贴上图像实际上是个映射过程。映射过程应按表面深度，调整图像大小，得到正确透视。纹理可映射到图形上，而不是3D表面上。纹理也有硬件实现。,纹理映射是一个简单有效改进办法。它以有限计算量，大大改进显示逼真性。实质上，它用二维平面图像代替三维模型局部。,34,虚拟现实之建模和仿真技术,第34页,2反走样,绘制中一个问题是走样，它会造成显示图形失真。,因为计算机图形象素特征，所以显示图形是点矩阵。若象素到达500K，则人眼不会感到不连续性。但有些图形中会出现假象，尤其是对于靠近水平或垂直高对比边。它会显示成锯齿状。若在图形中显示小特征或三角形边，就会有问题。小特征可能小于显示分辨率，造成显示近似性。另外，纹理映射中会包含细节，这会造成波纹状，使人感到纹理在运动。上述情况称为走样(aliasing)。,反走样算法试图预防这些假象。一个简单方法是以两倍分辨率绘制图形，再由象素值平均，计算正常分辨率图形。另一个方法是计算每个邻接元素对一个象素点影响，再把它们加权求和得到最终象素值。这可预防图形中“突变”，而保持“柔和”。,走样是由图像像素性质造成失真现象。反走样方法实质是提升像素密度。,虚拟现实仿真绘制技术-加强真实性办法,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,纹理映射,反走样,不一样细节程度模型,35,虚拟现实之建模和仿真技术,第35页,3不一样细节程度模型,在近处观看一座建筑物时，能够看到细节。而在远处观看一座建筑物时，只能看到含糊形象，不能看到细节。这种简单规律，能够用于在保持真实性条件下降低计算量。,对于虚拟环境中一个物体，同时建立几个含有不一样细节水平几何模型。,比如，同时建立两个几何模型，复杂模型含有较多细节，包含较多多边形（或三角形）。简单模型含有较少细节，包含较少多边形（或三角形）。当这个虚拟物体离观察点较近时（也就是这个物体在视场中占有较大百分比时），采取复杂模型，显示更多细节。为了显示细节，值得花费较多计算量。当这个虚拟物体离观察点较远时（也就是这个物体在视场中占有较小百分比时），采取简单模型，无须显示细节，方便降低计算量。即使在视场中含有多个这种远处物体，计算量也不大。,不一样情况下选取不一样详细程度模型，表达了显示质量和计算量折衷。这也表达了详细问题详细处理合理性。,虚拟现实仿真绘制技术-加强真实性办法,纹理映射,反走样,不一样细节程度模型,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,36,虚拟现实之建模和仿真技术,第36页,VR中物体动态，也就是数值动态。能够由两种方法实现这种数值动态。,之一是,基于数值插值,动画方法，它能够得到物体动态。比如虚拟人体步行，能够由插值实现动画。下面介绍几个插值方法。,之二是,基于物理运动方程,，由方程数值解可得到物体动态。比如球自由下落。下面也将介绍基于动力学方程系统仿真方法。,虚拟现实仿真动画技术,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,37,虚拟现实之建模和仿真技术,第37页,1线性插值,线性插值,是把各中间点，按照与自变量线性关系，均匀分布。假如把自变量了解为时间量，这相当于沿着直线以匀速运动，经过各中间点。,2非线性插值,实际物体运动有时不是匀速，从零初速度加速，再减速，并停顿在终点。这时用非线性插值。,3参数插值,（1）平方插值,（2）立方插值,（3）Hermite插值,虚拟现实仿真动画技术插值方法,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,用插值方法得到虚拟现实场景,38,虚拟现实之建模和仿真技术,第38页,4自由变形FFD,自由变形(Free-Form Deformation,FFD),用于物体形状内插，得到变形进程。它使用控制点3D点阵。经过改变控制点，来改变物体形状。,（1）1D坐标变形,（2）2D形状变形,（3）3D形状变形,5关键帧动画,关键帧动画概念来自传统卡通片制作。在迪斯尼制作室中，动画师设计卡通片中关键画面，即关键帧。然后，由助理动画师设计中间帧。在三维计算机动画中，计算机利用插值方法设计中间帧。另一个动画设计方法是样条驱动动画，用户给定物体运动轨迹样条。关键帧动画有以下技术问题。,（1）弧长参数化,（2）插值过程运动学控制,（3）物体姿态插值,虚拟现实仿真动画技术插值方法,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,39,虚拟现实之建模和仿真技术,第39页,7渐变和变形物体动画,动画一个特点是物体形状变形。,（1）变形,变形技术包含：与物体表示相关变形，与物体表示无关变形，基于约束变形，轴变形。,（2）渐变（morphing）,上述变形，是一个物体形状改变。不给定物体最终形状。,渐变，是物体由一个形状逐步改变为另一个形状。给定物体最终形状。,虚拟现实仿真动画技术插值方法,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,40,虚拟现实之建模和仿真技术,第40页,过程动画,是,用过程来描述动画中物体运动或变形。简单过程动画，用一个数学模型描述。另一类过程动画，采取特殊方法，如粒子系统和群体运动。,虚拟现实仿真动画技术动画过程,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,（1）粒子系统,粒子建模用于建模水流、雨雪、火焰等自然现象。它用大量离散粒子建模含糊对象。为产生逼真图形，它要求有效反走样，并花费大量绘制时间。,粒子无须建模为多面体，只要建模为一个有色点。每个粒子只要保留位置、颜色、出生时间、寿命。比如在火焰中粒子，不停产生、上升、消失。,“水面和下雨仿真都是过程动画例子”演示,41,虚拟现实之建模和仿真技术,第41页,（2）群体运动,许多动物（如鸟和鱼）以群体方式运动。这种运动有随机性，又有一定规律性。群体行为包含两个对立原因，既要相互靠近，又要防止碰撞。Reynolds提出群体动画处理了这个问题。他用三条优先级递减标准控制群体行为：（1）碰撞防止标准，防止与相邻群体组员相碰；（2）速度匹配标准，尽可能匹配相邻群体组员速度；（3）群体合群标准，群体组员尽可能靠近。,（3）水波模拟,水波模拟简单方法是用正弦波，经过设置振幅和相位等参数能够控制效果。能够用三维空间正弦波状曲面来造型水波。,虚拟现实仿真动画技术动画过程,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,42,虚拟现实之建模和仿真技术,第42页,关节动画可用于人体动画。,（1）正向运动学方法,正向运动学是设置关节动画有效方法。经过对关节角设置关键帧，得到相关联各肢体位置，这是正向运动学方法。,一个实用处理方法是实时纪录真人各关节运动数据。这就是运动捕捉。,（2）逆向运动学方法,逆运动学方法能够降低正运动学方法工作；用户指定末端关节位置，计算机自动计算出各中间关节角度；,伴随关节复杂性增加，逆运动学计算复杂性急剧增加，需要进行数值求解。,虚拟现实仿真动画技术关节动画,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,43,虚拟现实之建模和仿真技术,第43页,（3）动力学中控制问题,与运动学相比，动力学方法能生成更复杂更逼真运动，而且需要指定参数较少，不过计算量很大，而且难以控制。,动力学方法一个主要问题是对运动控制。若没有有效控制，用户就必须提供力和力矩这么控制指令，这几乎是不可能。,一个方法是预处理法，把所需约束和控制转换成适当力和力矩，然后包含到动力学方程中。另一个方法将约束以方程形式给出。假如约束方程个数与未知数个数相等，则能够用稀疏矩阵法快速求解。假如系统是欠约束，就会有没有穷多解。,（4）时空约束动画,动画师一个任务是，指定关节运动，使之以符合物理规律方式到达给定目标，比如投篮球到球框中。为此，Witkin提出了时空约束方法。动画师指定角色任务，角色物理结构（如几何、质量、连接性质等），角色利用物理资源（如肌肉）。这些描述，加上牛顿定律，组成一个约束优化问题。问题解是符合物理规律运动。,虚拟现实仿真动画技术关节动画,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,动力学方程系统仿真得到虚拟现实场景演示,44,虚拟现实之建模和仿真技术,第44页,本章知识结构,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,45,虚拟现实之建模和仿真技术,第45页,1）介绍了虚拟现实中几何建模。,环境模型两种不一样表示方法是，统一中央表示和分离表示。,人工几何建模,两种路径,是，使用,自制建模工具,与,市场销售建模工具,。,三维扫描仪,三个特点,是：其扫描对象是立体实物；经过扫描能够取得物体表面三维空间坐标和色彩；输出每个采样点三维空间坐标和色彩数字模型文件。,2）介绍了虚拟现实中物理建模。,3）介绍了虚拟现实中绘制技术。,透视投影,是把三维场景投影到二维平面上产生图形基本技术,。,视觉深度感,来自人立体视觉，虚拟现实技术利用立体视觉主要是双目视差,。,3D剪切,是剪掉在可视空间以外部分，这能够降低计算工作量,。,光照,是光源照射表面时，表面上光强，即入射光强度,。,阴影,是遮挡造成阴影。,反射,是表面反射出去光强度。,消除隐藏面算法,（消隐算法）从显示图形中去掉隐藏（被遮挡）线和面。,加强真实性办法,包含：纹理映射；反走样；以及不一样细节程度模型。,4）介绍了虚拟现实中动画技术。,各类插值包含：线性插值；非线性插值；和参数插值。变形方法包含：形状内插；自由变形FFD；关键帧动画；以及渐变和变形物体动画。,过程动画采取特殊方法包含：粒子系统和群体运动。,当代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第三部分建模与仿真技术,总结,46,虚拟现实之建模和仿真技术,第46页,