（计算机应用技术专业论文）立体式虚拟校园的建模技术与数据表现方法.pdf

硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 虚拟现实技术是利用计算机生成一种高逼真的模拟环境，通过多种传感器接口 使使用者“沉浸”到这种环境中，实现使用者与该虚拟环境直接进行“交互”的技 术。立体式虚拟校园能给使用者创建一个使他感受到身临其境的环境，建模技术是 整个立体式虚拟校园建立的基础，是建立立体式虚拟校园的关键技术，是整个虚拟 现实技术的骨架。 本文以华中师范大学虚拟校园的设计为研究对象，以华中师范大学校园为虚拟 空间，以建立华中师范大学虚拟校园为目的，探讨了建立立体式虚拟校园的建摸技 术与数据表现方法。论文从三维模型在计算机内的表示着手，从本质上探讨了三维 模型的表示方式，为所有建模的原理提供了理论依据。论文分析了虚拟现实技术中 的三维建模技术的方法、特点，针对虚拟校园中的各种不同类型的物体的建模方法 及其数据表现方法分别进行了深入地探讨。针对校园中出现的地形，实体建筑，自 然景观，粒子系统等实体的建模方法做了详细的分析，这些建模方法具有一定的针 对性，符合事物自身的特点，对不同类型的事物具有很强的代表性，体现了虚拟现 实建模技术的一些重要概念和方法。 本文结合m u l t i g e nc r e a t o r 软件讨论了建模的关键技术及数据库优化技术。 在关键技术中，主要探讨了建模的纹理映射技术、l o d 技术以及d o f 技术。数据库 的优化主要讨论了如何通过调整数据库的层级结构，减少多边形的数量，从而简化 模型的复杂度，提高系统的实时渲染时间和响应速度等问题。本文提出的有关技术 和方法，对三维建模和虚拟现实系统有一定的意义和可借鉴性。 本文最后分析了v e g a 软件的结构以及基于v e g a 的实时渲染技术，探讨了使 用v e g a 对模型进行实时渲染的基本理论和原理，并以华中师范大学为例，从整体 上描述了基于v e g a 建立立体式虚拟校园的工作流程、漫游控制等若干技术问题和 系统的运行过程。 醇 n 聆 lclm 模建 r吣c 3n 筘 1c【 术技模建 实现现表拟据虚数 阂键关 硕士学位论文 m a s t e r l st h e s i s a b s t r a c t t h e r t u a lr e a l i t yi so n ek i n do ft e c h n o l o g yt h a tp r o d u c e sah i g h l yv i v i d s i m u l a t i o ne n v i r o 胁e n tb yu s m gc o m p u t e rt om a k eu s e ri m m e r s ei n t 0t l l ev i n u a l e n v i r o m e tb ys o m ek i n d s0 fs e n s o ri n t e r f h c e sa n da c c o m p l i s hi n t c r a d i o nb e t w e e nu s e r 柚de n v i r o n m e n t 3 dm o d e l i n gt e c h o l o g yw h i c hi sa i ii m p o r t a i l tp a ni nv i n u a lr c a l i i y s y s t e mi st h ef o u n d a t i o no f t h e r t u a lc a m p u ss y s t e m t h ed e s 砸o fs t e r e o m e t r i ch u a z h o n gn o r n l a lu i l i v e r s i t ys t e r e o m e t r i cv i r t u a l c a m p u sw a st a k e na st h er c s e 甜c ho b j e c tt od i s c u s st h em o d e l i n gt e c h n o l o g ya n d p r c s e n t a t i o nm e t h o d 3 dm o d e l s d a t ap r c s e n t a t i o nj nt h ec o m p u t e rw h j c hp r o v i d e d f o 蛐d a t i o n 五叫m o d d i n gt h c o r yw a sd e s 函b c da tt t i eb e 西仰i n g n e nm e m o d so f3 d m o d e l i i l gf o rd i 饪e r e n t 硒n d so fo b j e c t ss u c h 罄t e n 甚i i i ，b u i l d i n 萨，n a t u m l l a n d s c a p ea i l d p 删d es y s t e mw e r ed i s c u s s e d t h e s cm e t h o d sa r cv 盯yi m p o n 粕tf b rd e s c r i b i n g t h e o b j e c t s f e a t u r e s s o m ek e ym o d e l i n gt e c h n o l o g i e sa n dd a t a b a s eo p t i m i z i n gt e c h o l o 百e sw i t h m u l t i g e nc r e a t o rs o f h v a r ew h i c hw a sv e r ym e a n i n g f i l lf o rs o m ef e a l t i m es y s t e mw e r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r 珏ek e yt e c h i l o l o 舀e ss u c ha sm a p p i n gt e d m o l o 鼢l o d t e c h n o l o g y 翘dd o ft e c h n o l o g yw e r ea n a l y z e d t os i m 讲i f yt h ec o m p l e x i t yo fa ut h c m o d e l s ，d a t a b a s eo p t i m i z i n gt e c h n o l o g i e sw e r eu s e dt oa d j u s tt h eh i e r a r c h ys t m c t u r eo f t h ew h o l cd a t a b a s ea i l dr e d u c ct h en u m b e ro ft h ep o l y g o n d a t a b a s eo p t i m i z i n g t e c l l l l o l o 百c sc a np i c ku pt h es p e e do fr e n d e r i n ga 1 1 dm 蚰i 1 1 9o b s e r v a b l y 1 l l es t r u c t u r c0 fv e g as o 行a r ea i l dt h er e a l t i m e r e n d i n gt e c h n 0 1 0 9 i e sw e r e d i s c u s s e di nt h el a s tp a n h u a z h o n g 珊a 1u n j v e r s i i yw a st a k e na sa ne x 锄p l e 幻 d e s c r i b et l l en o wo fe s t a b l i s h i n gt h ew h o l e r t u a lc a m p u ss y s t e m 、t h ec o n t m lo f c a m p u sw a l k t h r o u g ha n dt h em n n i n gp r o c e s so ft h ew h 0 1 es y s t e m k e yw o r d s ：n u a lr e a l j t y ；m o d e l i n gt c c h n o l o g y ；m u l t i g e nc r e a t o rm o d e l j n g ； m u l t i g e nv 色g a ；d a t ap r e s e n t a t i o n i i 硕士学位论文 m a s t e r st h e s j s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：章毂 日期： 口6 年6 月? 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名：董。蠢 日期：口年占月8 目 导师签名： 日期：洲 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回重途塞逞套后进卮；旦圭生；旦二生；旦三生筮查! 作者签名：壹离 日期：d 6 年6 月g 日 导师签名： 日期：加韶 日 训附 伊够 、v ，午 j卅，po阿月 妒笏占7 年 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第1 章绪论 1 1 论文的选题背景与研究意义 1 1 - 1 选题的背景 虚拟现实( 简称v r ) 技术是指利用计算机建立的人工媒体空间，它是模拟的，但 又是具有真实感的，通过多媒体传感交互设备使人进入一种虚拟的环境，并提供一 种模拟现实的操作环境，利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、触觉的感观世界， 使人们对所研究的对象和环境获得身临其境的感受，从而提高人类认知的广度和深 度，拓宽人类认识客观世界的“认识空间”和“方法空间”，最终达到更本质地反映 客观世界的实质“1 。v r 有三个最突出的特征：沉浸感( i 啪e r s i o n ) ，让参与者有身 临其境的真是感觉；交互性( i n t e r a c t i o n ) ，通过使用虚拟交互设备实现参与者与 虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) 对象的自然交互与操作：构想( i m a g i n a t i o n ) ，是 指虚拟环境可以使人沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性的认识，启发人 的创造性思维啷。1 。目前，随着虚拟现实技术的日趋成熟，“数字地球”与“数字城 市”的逐步完善，网络教育与数字校园的结合己成为一种必然的趋势，人们已经不 满足于对校园环境的浏览，基于教学、教务、校园生活为一体的三维可视化虚拟校 园建设孕育而生。基于这种情形，建立立体式虚拟校园是非常必要的。 1 1 2 论文的研究意义 “虚拟校园”包括信息的获取、处理和应用，采取不同方式的遥感与非遥感手 段获得海量的校园数据，将校园信息按地理坐标组织，对校园内部及周边环境进行 建模，在计算机中重现真实的校园原貌“1 。本文将华中师范大学校园的基础设施以 逼真的三维景观形式表达，不仅可以提高学校教学、科研、后勤保障等管理工作的 效率，还可用于i n t e r n e t 上发布，向国内外展示学校校园风光、历史沿革、科研 成果、院系和专业设置、教学设施与成果、国内外合作交流等广泛的应用前景和推 广价值。虚拟校园的建立，将会提高我校的知名度，对我校的发展及形象宣传具有 重要的价值和积极作用。虚拟校园中的三维建模是整个立体式虚拟校园建立的关 键。三维建模技术是整个立体式虚拟校园建立的基础，是整个虚拟现实技术的骨架。 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 虚拟现实技术国内外发展与研究状况分析 1 _ 2 1 国外的发展现状 v r 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代的美国，发展至今也还处于不断探索阶段。 v r 技术最早在2 0 世纪中期由美国v p l 探索公司和它的创始人j a r o nl a n i e r 提出 这一概念，后来美国宇航局( n a s a ) 的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和 其它设备，开始研制低成本的v r 系统，推动了v r 技术硬件的进步。目前，v r 技术已 获得了长足的发展。国内2 0 世纪8 0 年代末开始进行研究，目前还处于初级阶段 5 】曲 7 】 美国作为v r 技术的发源地，它的v r 技术水平是世界v r 发展水平的象征。目 前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。 n a s a 己经建立了航空、卫星维护v r 训练系统，空间站v r 训练系统，并且已经建立 了可供全国使用的v r 教育系统。 在欧洲，v r 作为一门新兴技术，受到各国的重视。e s a ( 欧洲空间局) 用v r 的远 程操作来探索金星表面。德国d a i 【i a s t a d t 的f r a u n h o f e r 研究所发明了种名叫“虚 拟设计”的组合工具。英国在v r 开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设 备( 包括触觉反馈) 设计和应用研究方面，均是领先的。 日本在虚拟现实技术的研究和开发方面也是世界领先的国家之一，主要致力于 建立大规模v r 知识库的研究，同时在基于虚拟现实的游戏开发方面做了大量的工 作。 1 2 2 国内的发展现状 我国v r 技术研究起步较晚，与发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有 关部门和学术界的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展v r 技术的研究计划， 例如：九五规划、国家自然科学基金委、8 6 3 计划等都把v r 列入了研究项目。国 内一些重点院校也已投入到了这一领域的研究工作“3 。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行v r 研究、最有权威的单位之一。 其研究重点侧重于基础性研究和航空仿真，着重研究了虚拟环境中物体物理特性的 表示与处理；在v r 中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法； 实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、v r 演示环境、用 于飞行员训练的v r 系统、v r 应用系统的开发平台等。 浙江大学c a d c g 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 系统，该系统不仅实现了三维立体视觉，同时还提供了非常方便的人机交互工具， 整个系统的实时性和真实感都达到了较高的水平。哈尔滨工业大学已经成功地解决 了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题。清 华大学计算机科学和技术系对v r 和临场感的方面进行了研究。西安交通大学信息 工程研究所对虚拟现实中的关键技术立体显示技术进行了研究，提出了一种基 于j p e g 标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。北方工 业大学c a d 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一。 1 3 论文的主要研究目的与内容 1 3 1 论文的研究目的 虚拟现实建模技术是建立虚拟现实系统的基础和关键。本文将华中师范大学虚 拟校园的实现作为实例对象，针对华中师范大学校园的特点，以m u l t i g e n c r e a t o r ( 简称c r e a t o r ) 软件为主，其它建模软件，如3 d sm a x 建模和o p e n g l 编程 为辅，构建出近似于真实校园的虚拟校园。本论文的目的在于：针对虚拟校园中各 种不同类型的实体，探讨各类型实体的建模方法与数据表现方法、基于c r e a t o r 建 模的关键技术及数据库优化技术，在虚拟校园系统中建立既具有真实感又能够提高 系统实时渲染时间与响应速度的模型。 1 3 2 论文的研究内容 本文针对华中师范大学的虚拟校园的构建，提出了虚拟校园中三维建模技术路 线及其实现。在已有数据、资料以及系统要求的基础上，对虚拟校园的建模技术与 数据表现方法进行了探讨与分析。本文的主要内容分如下七章。 第一章：绪论。阐述了论文的选题背景、研究意义，介绍了虚拟现实技术在国 内外的研究状况，以及本文的主要研究目的与研究内容。 第二章：立体式虚拟环境的建立。首先介绍了立体显示的基本原理，然后主要 介绍了虚拟环境的组成以及整个立体式虚拟校园的软硬件环境和虚拟现实平台的 搭建。 第三章：立体式虚拟校园的建模技术。首先简要介绍立体式虚拟校园的开发工 具，比较了c r e a t o r 与3 d sm a x 在建模方面的优势与弱点，然后介绍了虚拟现实技 术的特点与建模的方法。最后，讨论了基于c r e a t o r 的建模技术，并对建模中的一 些主要技术算法进行了分析探讨。 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 第四章：建模设计与数据表现。首先介绍了建立立体式虚拟校园的地形构建方 法，然后介绍了虚拟校园中的建模技术，包括：三维物体的表示模型与表示方法， 接下来，就整个虚拟校园中的不同类型的模型的建模方法进行了介绍，包括：实体 建筑的构建，自然景观的构建以及粒子系统的建模方法。最后，分析了在建模过程 中常见的一些问题。 第五章：建模关键技术与数据库优化技术。首先介绍了建模中的一些关键技术： 纹理映射技术、实例化技术、l o d 技术和d o f 技术。然后，针对整个立体式虚拟校 园的建模，介绍几种模型数据库的优化技术：调整数据库的层级结构和减少多边形 的数量，尽可能的减少冗余，提高整个系统的运行效率。 第六章：v e g a 渲染技术与系统实现。首先对v e g a 做了简要的介绍，然后分析 了v e g a 中的图形渲染方面的若干技术，最后，介绍了立体式虚拟校园系统的实现 方式以及系统的运行结果说明。 第七章：结束语。对全文的总结，以及对进一步的工作的规划。 4 硕士学住论文 m a s t e r l st h e s i s 第2 章立体式虚拟环境的建立 建立立体式虚拟校园，首要的问题就是建立起相应的虚拟环境。虚拟现实是计 算机与用户之间的一种更为理想化的人一机界面形式。通常用户头戴一个头盔( 用 来显示立体图像的头式显示器) ，手持数据手套，仿佛置身于一个幻觉世界中，在 虚拟环境中漫游，并允许操作其中的“物体”。 2 1 立体显示的基本原理 人类在观看周围世界时，不仅能看到物体的宽度和高度，而且能知道它们的深 度，能判断物体之间或观看者与物体之间的距离。这种三维视觉特性产生的主要原 因是：人们通常是双目同时观看物体，而由于两只眼睛视轴有间距( 约6 5 i 衄) ，左眼 和右眼在看一定距离的物体时，所接收到的视觉图像是不同的，因而大脑通过眼球 的运动、调整，综合了这两幅图像的信息，产生立体感。在单用左眼和右眼观看物 体时，所产生的图像移位感觉就叫视差，这两幅具有视差的图像称之为体视图像对。 视差是一个很重要的因素，视差有四种基本类型：零视差、正视差、负视差和发散 视差。 1 零视差 当体视图像对具有零视差时，两幅图像之间没有任何差别。如果在监视器上显 示具有零视差的体视图像对的立方体时，就会发现该立方体似乎位于监视器的平面 上一样，如图2 1 ( a ) 所示。如果图像具有零视差，我们称之为零视差设置( z e r o p a r a l l a xs e t t i n g ，z p s ) 。 2 正视差 在监视器上显示具有正视差的体视图像对时，就可以看到深度层次。当两幅图 像之间的距离小于或等于瞳距，而且我们的视线不交叉时，就会产生正视差，如图 2 1 ( b ) 所示。有了正视差，因为大脑能够融合这两幅图像，所以就产生了三维物体 的图像，而且该图像看上去就像位于监视器平面后面的空间一样，这时我们称物体 位于c r t 空间内( w i t h i nc r ts p a c e ) 。 3 负视差 当眼睛的视差交叉时，就会产生负视差，如图2 1 ( c ) 所示。在这种情形下，被 观察的物体看上去就像飘浮在眼睛和显示器之间的空间里，这时我们称物体位于观 5 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 察空问内( w i t h i nv i e w e rs p a c e ) 。 4 发散视差 发散视差是视差取值大于两眼的瞳距，如图2 1 ( d ) 所示。在这种情况下，即使 很短的一段时间，也会使眼睛产生极不舒服的感觉，所以，在我们的真实世界中， 不会存在发散视差的可能。因此，在体视图像对中，应该避免出现发散视差。 图图圆圈 ( a ) 零视差( b ) 正视差( c ) 负视差( d ) 发散视差 图2 1 视差分类图 2 2 输入设备 用户基本输入信号包括用户的头、手位置及方向“”。用户头的位置及方向决定 了从哪个视角对虚拟世界进行渲染。用户手的位置与方向用来与虚拟环境进行交 互。 2 2 1 数据手套 数据手套是一种多模式的虚拟设备，通过软件编程，可进行虚拟场景中物体的 抓取，移动，旋转等动作，也可以利用它的多模式性，用作一种控制场景漫游的工具。 它作为一只虚拟的手或控件用于三维虚拟现实场景的模拟交互，可进行物体装配、 操纵、控制，有有线和无线、左手和右手之分。数据手套可监控用户手指的状态， 并将这些信号传给虚拟环境。 2 2 2 三维空间跟踪定位器 三维空间跟踪定位器是虚拟现实系统中用于空间跟踪定位的装置，它有六个自 由度和三个自由度之分。典型的工作方式是，固定发射器发射出电磁信号，该信号 被附在用户头上的传感器截获，传感器接收到这些信号进行解码，确定发射器及接 受器之间的相对位置及方位，信号随后传输到运行系统以将信号传给三维图形环 境。三维鼠标也用了同样的原理，其信号用来控制用户视野中的图标。 2 2 3 三维空间交互球 三维空间交互球是虚拟现实应用中的另一重要的交互设备，为6 自由度外部输 入设备，可以控制虚拟场景做自由漫游，或控制场景中某个物体的空间位置及其方 6 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 向，用于六个自由度v r 场景的模拟交互，可从不同的角度和方位对三维物体观察、 浏览、操纵；也可作为三维鼠标来使用；并可与数据手套或立体眼镜结合使用，作 为跟踪定位器，也可单独用于c a d c a m 软件中与普通鼠标配合使用，可大幅度提高 制作效率。 2 3 输出设备 虚拟现实系统输出信号携带有关虚拟环境的视觉、声音及触觉信息，由三个独 立子系统并行工作来完成。视觉信号的输出主要是在用户头盔上显示出虚拟环境的 视图。它可能是在一个显示设备上显示的单一视图，在两个显示设备中显示的两个 相同的视图，或在两个显示设备上显示的立体视图；声音输出信号由声音模拟子系 统产生。这些信号经预处理后，用户用耳机就能确定声音的空间位置；触觉通道是 当用户佩戴某种手套或手执反应游戏杆，或是置于某种力反馈装置上时携带将要传 回用户身体的作用力信号。 2 3 1 立体眼镜 立体眼镜是用于观看立体游戏场景、立体电影、仿真效果的计算机装置，是一 种基于页交换模式( p a g e f i l p ) 的立体眼镜，是目前最为流行和经济适用的v r 观察 设备。人眼之所以具有三维视觉能力，正是因为它具有深度感觉。在立体眼镜中， 红外控制器控制正色液晶检波器保护器轮流锁定双眼视觉。因此，大脑中就记录有 一序列快速变化的左、右眼视觉图像，再由人眼视觉的生理特征将其融合，就产生 了深度效果，即三维立体图像，而且产生的立体图像无抖动的现象。立体眼镜产生 的沉浸感不同于头盔显示器，因为观察者并没有与显示器相联，因此感觉不到是被 一虚拟世界所包围，而是把显示器当作一个观看虚拟世界的窗口。 2 3 2 头盔显示器 头盔显示器( 又称数据头盔或数字头盔) 是虚拟现实应用中的三维虚拟图形显 示与观察设备，可单独与主机相连以接受来自主机的立体或非立体图形信号，头盔 中的两个显示屏中的图像由计算机分别驱动，屏幕上的两幅图像存在细小的差别， 类似于“双目视差”。通常的头盔显示器的视野范围为7 0 度，角度3 0 度左右，使用 者可以不受外界环境的干扰，在视觉上可以达到沉浸式效果，其沉浸感优于立体眼镜。 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 2 3 3 耳机 声音是虚拟现实中必不可少的环节之一。除了图像要有真实感之外，声音也必 须具有听觉上的真实感。一种研制虚拟三维音阶的方法是通过使用耳道的头相关传 递函数( h e a d r e l a t e dt r a n s f e rf u n c t i o n ，h r t f ) 来测量。理论上，这些传递函数 应与每个人的头有关，但这些函数通常是从一群人中获得的，因而它只是一组平均 特征值。利用这些数据对声波与人耳的交互方式进行编码，并确定两耳的信号传播 延迟特点，以此对声源进行定位。当无回声的信号经h r t f 处理后，在传统的耳机 上形成有真实感的三维音阶。 2 4 虚拟现实的软件环境 从系统的角度来看，虚拟现实软件必须充分管理和利用好各种计算资源、接口 设备和系统资源，提供给虚拟现实应用开发人员一个高性能的接口。用户接口方式 可以有以下三种。 ( 1 ) 编译库：也称为a p i 或t 0 0 1 k i t 方式。这种接口方式最灵活，开发者必须 为程序设计人员，并且每次修改程序都必须重新编译。它比较适合于开发复杂的特 定的虚拟现实应用系统。 ( 2 ) 描述语言：使用描述语言开发应用系统相对简单，开发者无需有程序设计 的知识背景就可以在较短的时间内学会使用描述语言。一般地，它提供一种解释性 的环境，任何修改可立即看到结果。 ( 3 ) 图形化：图形化界面使用户通过简单的点击即可开发应用系统。其优点是 无需程序设计背景知识而且使用方便直观，缺点是难以开发复杂的应用系统。 虚拟现实软件所提供的环境一般应包括对象编辑器、环境编辑器和集成运行环 境。对象编辑器主要实现对象坐标系中为物体几何建模和行为建模的功能；环境编 辑器主要实现对象在坐标系中的行为建模和管理；集成运行环境提供虚拟场景的实 时表现场所。如图2 2 是虚拟现实软件平台的框图。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图2 2 虚拟现实软件平台的框图 2 5 虚拟现实平台的搭建 搭建一个虚拟现实开发平台( 以华中师范大学的虚拟校园为例) 包括硬件环境 与软件环境两部分。 1 硬件环境 c p u ：i n t e lp e n t i u m43 4 0 g h z 内存：1 0 0 gs d r a m 显示卡：n v i d i ag e f o r c e 4m ) ( 4 4 0 显示器：联想1 e n o v o 2 软件环境 操作系统：w i n d o w sx p 开发工具：v i s u a lc + + 6 oe n t e r p r i s ee d i t i o n ，0 p e n g lv1 4 建模软件： i u l t i g e nc r e a t o rv 3 o 、3 d sm a x7 o 图像处理软件：p h o t o s h o p 7 0 9 硕士学位论文 m a s t e r st i i e s i s 第3 章立体式虚拟校园中的建模技术 3 1 立体式虚拟校园建模开发工具 3 1 1 立体式虚拟校园建模开发工具介绍 i m u l t i g e nc r e a t o r m u l t i g e nc r e a t o r 由美国m u l t i g e n p a r a d i g m 公司开发，它的建模平台是所有 实时三维建模软件中的佼佼者，它是一个功能强大、交互的三维建模工具，可以在 它所提供的“所见即所得”建模环境中建立我们所期望的、优化的三维模型。 c r e a t o r 强大的建模功能可为众多不同类型的图像生成器提供建模系统及工 具，它的诸如层次细节、多边形筛选、逻辑筛选、绘图优先级以及分离平面等高级 实时功能，使得0 p e n f l i g h t 格式在实时三维领域中成为最流行的图像生成格式， 并成为视景仿真领域事实上的行业标准。 利用c r e a t o r 交互式、直观的用户界面进行多边形建模和纹理贴图，能够很快 生成一个高逼真的模型，并且所创建的三维模型能够在实时过程中随意进行优化。 c r e a t o r 提供的转换工具能够将多种c a d ，3 d 或动画软件模型转换成c r e a t o r 所支持 的o p e n f l i g h t 格式。 2 。3 d sm a x 3 ds t u d i om a x 是k i n e t i x 公司推出的一套强大的三维建模软件，由于它是基 于w i nn t 或w i n 9 8 平台的，方便易学，又因其相对低廉的价格优势，所以成为目 前个人p c 上最为流行的三维建模软件。 3 d sm a x 的特点主要包括以下四点。 ( 1 ) 建模直观性 具有非常强大的建模功能，在建模的过程中可以同时在多个视图中观察造型的 变化，为用户提供了很大的方便。 ( 2 ) 操作灵活性 3 d sm a x 中引入历史制作参数的再编辑功能。修改器堆栈中记录了每一步的制 作过程，为再次更改造型提供了方便。 ( 3 ) 良好的可扩展性 在3 d s f a x 中除了固有的功能模块外，还可以装载大量的外挂模块，他们能进 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 一步扩展和增强3 d sm a x 的功能。 ( 4 ) 效果完美性 丰富的材质编辑器配以相应的灯光和环境可以模拟现实生活中的真实感受，还 可以通过v i d e op o s t ( 视频合成器) 和r e n d e r i n ge f f e c t ( 特效渲染) 等功能来制作 具有特殊效果的场景。 3 o p e n g l 0 p e n g l 是一种硬件图形发生器的软件接口，同时它也是与设备无关的图形开发 平台，它的图形a p i 以函数形式提供了1 1 5 个核心库函数，4 3 个实用库函数g l u ，3 1 个编程辅助库函数g l a u x 及若干个x w i n d o w m s w i n d o w 专用库函数g l x w g l ，开发 者可以利用这些函数来构造景物模型，进行三维图形交互软件的开发“。o p e n g l 可 以以函数库的形式被c 语言或其它高级语言( 如f o r t r a n 等) 调用，也可以被窗口系 统调用，目前大多数工作站和p c 机都支持o p e n g l 。 o p e n g l 提供了以下九种三维图形的绘制方式。 ( 1 ) 线框绘制( w i r ef r 砌e ) 方式：仅绘制三维物体的网格轮廓线； ( 2 ) 深度优先( d e p t hc u e d ) 方式：模拟深度效果，远处物体比近处物体要暗一 些： ( 3 ) 反走样( a n t i a l i a s e d ) 方式：减少图形线条的参差不齐现象： ( 4 ) 平面明暗处理( f 1 a ts h a d e ) 方式：对平面单元按光照进行着色，但不进行 光滑处理； ( 5 ) 光滑明暗处理( s m o t hs h a d e ) 方式：对模型按光照进行着色，并进行光滑 处理； ( 6 ) 阴影和纹理( s h a d o w sa n dt e x t u r e s ) 方式：在模型表面贴上纹理和光照阴 影，使三维场景更加逼真； ( 7 ) 运动模糊( m o t i o nb l u r e d ) 方式：模拟人眼观察运动体的动感模糊现象； ( 8 ) 大气环境效果( a t o m o s p h e r ee f f e c t s ) ：加入烟雾等大气环境效果； ( 9 ) 深度域效果( d e p t he f f e c t s ) ：类似于照相机镜头效果。模型在焦点处清晰， 反之则模糊。 o p e n g l 的这些功能为实现逼真的三维绘制效果、建立交互的三维场景提供了优 秀的软件工具。 3 1 - 2 c r e a t o r 与3 d s m a x 的比较 3 d sm a x 具有丰富的多边形工具组件和u v 坐标贴图的调节能力，此软件具有可 顾士学住论文 m a s t e r st h e s i s 操作性强、直观、方便易学、制作模型逼真、质感强等特点“，然而其致命弱点是 模型复杂造成了文件过大，不能满足虚拟现实系统实时性的要求，若导入到c r e a t o r 中还必须进行模型位置的定位、模型的优化与调整等操作，否则极大的数据量会影 响整个系统的运行效率，造成实时漫游困难。 实时仿真建模软件c r e a t o r 的最大优势在于大场景的地理环境的生成和浏览， 此外，它还具有强大的兼容性和操作性，可以与v e g a 兼容，满足虚拟校园系统实时 性的要求。利用c r e a t o r 建模，模型数据量不大，细节比较少，并可以采用子面的 方法降低模型的复杂度，缺点是建模过程比较复杂，工具组件没有3 d s x 丰富， 在c r e a t o r 中对对象的创建、移动、控制等操作没有3 d sm a x 灵活，构造复杂模型 没有3 d sm a x 方便。 根据以上的比较，由于虚拟校园整个系统对实时性有较高要求，决定采取利用 c r e a t o r 建模的方法，个别小的，复杂一点的模型，由于用c r e a t o r 创建比较复杂， 因此采用3 d sm a x 来创建，然后转换到c r e a t o r 中进行优化与调整，使其与整个场 景匹配。 3 2 虚拟现实建模技术特点 虚拟现实系统强调沉浸感，逼真性，即要求有高的“真实感”；强调自然的交 互方式，又要满足“实时”的“交互”要求“”。总而言之就是：“真实感”的环境 产生“沉浸感”，可以自然的“实时交互”。 “实时性”和“真实感”，是评价许多计算机图形学算法的一个基本标准。在 虚拟现实建模的过程中将“真实感”、“实时性”、“可交互性”作为指导原则，是面 向虚拟现实建模的显著的特点。 ( 1 ) 虚拟现实建模中要说明的内容要比传统系统建模要多，除说明造型外还要 说明许多系统连接，如自由度( d o f ) ，层次细节( l o d ) 等； ( 2 ) 由于要实时运行三维模型，其建模方法与以造型为主的建模有很大的不 同，大多用其他技术( 如纹理) 而不是增加几何造型复杂度来提高逼真度。 虚拟现实建模，考虑交互性和实现意图，与动画模型相比，通常细节比较少， 以提高“实时性”的效果。这意味着虚拟现实建模的原则是在满足“实时性”的基 础上，极力提高整个模型的“真实感”。 顾士学位论文 m a s t e r st h e s l s 3 3 虚拟现实建模方法 3 3 1 基于几何模型的建模方法 基于几何模型的建模方法( g e o m e t r y b a s e d d e l i n ga n dr e n d e r i n g “b m r ) 是一种以计算机图形学为基础的传统构造三维虚拟模型的方法，简称建模法，它实 质上是利用现有的三维建模软件，人工对虚拟实体和虚拟环境的外观进行建模 “。“”。这些三维建模软件一般采用图形化用户界面，隐藏了三维实体底层表达形式 以及光照、消隐、纹理等提高真实感的复杂实现过程，让用户在设计过程中就可以 从视觉直观地观察物体的具体形状。g b m r 具有以下三点优点。 ( 1 ) 构造的三维模型精细，细腻、逼真； ( 2 ) 便于用户与虚拟实体的交互和对虚拟对象的深度信息进行直接获取： ( 3 ) 实现虚物实化。即使在规划设计阶段，只要有相关的建筑图纸，按照对应 比例与尺寸，一样能够完成场景的构建。 其不足之处也有三点。 ( 1 ) 整个建模过程繁琐，工作量大； ( 2 ) 场景实时渲染绘制对计算机软硬件要求较高； ( 3 ) 场景的复杂度及逼真度受到制约。因为虚拟场景的真实感是建立在几何物 体表面材质的光照模型基础上，它的阴影和纹理得通过配以图形加速性能的专用硬 件才能绘制出来。 3 3 2 基于图像的建模方法 基于图像的建模方法( i m a g e b a s e dm o d e l i n ga n dr e n d e r i n g i b m r ) 是一种 不依赖于三维集合建模的技术，它实质上是利用预先生成的一些图像或者环境映射 图，来实时生成不同视点的场景画面，可以实现用户全方位观察三维场景的效果“。 采用这种建模技术可以实现普通计算机上的真实感图形绘制。它的主要优点有以下 三点。 ( 1 ) 漫游效果及处理时问与场景内容的复杂度无关： ( 2 ) 预先存储的图像既可以是计算机生成的又可以是实际拍摄的照片，而且两 者可以混合使用； ( 3 ) 对计算机的资源要求不高。 但图像法首先要求获得基于真实场景的实景图像( r e a lw o r l di m a g e s ) ，因此 不可避免的存在缺陷，使它的应用受到了的限制有以下三个方面。 颀士学住论文 m a s t e r st i e s l s ( 1 ) 当真实场景并不存在，或处于设计规划阶段时，它就无能为力了； ( 2 ) 由于场景中的虚拟物体是图像中的二维对象，因而用户很难，甚至不能与 这些二维对象进行交互； ( 3 ) 获得实景图像需要高性能的照相与摄影装备，得到的大量图像文件也需要 大量的存储空间。 3 3 3 基于图形与图像的混合建模方法 基于图形与图像的混合建模方法结合了以上两种方法的优缺点，混合建模技术 的基本思想是先利用i b m r 构造虚拟场景的环境来获得逼真的视觉效果，同时对虚 拟环境中用户要与之交互的对象利用g b m r 来进行实体构建，这样既增加了场景真 实感，又能保证实时性与交互性，提高用户的沉浸感。这种方法需要注意以下两点。 ( 1 ) 混合建模技术中的几何实体对象与i b m r 对象在虚拟环境中的空间关系和 透视匹配，这实质上是如何校准虚拟世界坐标系和现实世界坐标系。 ( 2 ) 混合建模技术中几何实体对象与i b m r 对象在虚拟环境中的亮度及阴影的 光照匹配。 ( 3 ) 混合建模技术中几何实体对象与i b m r 对象在虚拟环境中的融合与动态 技术：如何将虚拟几何实体对象穿插到静态图像环境中。 在虚拟校园系统中，构造真实感强、逼真度高、实时性强的虚拟校园是建模的 理想要求。因此，在虚拟校园系统的模型构建中，采用混合建模技术作为三维模型 建立的最主要的建模方法。 3 4c r e a t o r 建模技术 3 4 1c r e a t 0 i 的主要功能模块 c r e a t o r 由一系列核心模块构成“，包括基本的核心模块建模模块和一些 扩展模块，如d t e d ( 可以利用高程数据生成地形并作地形转换) 等。基本建模模块的 功能主要有以下八点。 ( 1 ) 数据库重组：能够节省时间，迅速确定数据库中几何元素的位置，保证运 行时发挥最好的功能，在数据库的构造过程中可以随时申请数据库重组功能；为达 到优化删减的目的，自动重组空间和划分集合；为了改进渲染新能，在集合中检索 多边形；在o p e n f l i g h t 数据任一级结构中重组部件。数据库重组的好处包括可以 运行大面积地形数据，重新设计删减集合的大小，全砸提高数据完整性和运行性能。 1 4 硕士学住论文 m a s t e r s t h e s i s 可以通过调整层次结构视图( h i e r a r c h yv i e w ) 来达到数据库重组的目的。 ( 2 ) 渐变途径：它用以平滑细节层次切换的模型，消除“突变”而不增加渲染 的负载。其功能包括：在所选的细节层次模型之间自动计算渐变的途径；定义细节 层次渐变开关和转换的范围：在实时三维环境中预先观察和编辑渐变的状态。 ( 3 ) 增殖：它是在一个特定的区域里，随机复制并增加丰富的数据库或结构， 而不增加实时硬件的负担。功能包括：允许在任何特定的数据库区域内增殖：可以 从统一或随机的位置、朝向进行选择；模型与地形吻合，如果需要，可以截去地形 下的部分；可以由几何造型、实例、外部引用来建立模型。这样做的好处是可以快 速、方便地增加自然的与人造的对象( 如树木、建筑物等) ，合理、经济地使用内存， 可为更多的、紧迫的实时渲染任务服务。 ( 4 ) 实例技术：当三维复杂模型中具有多个几何形状相同但是位置不同的物体 时，可以采用实例技术。内存中只放入一个实例，其他的通过平移，旋转，缩放之 后得到。牺牲时间换取内存空间。 ( 5 ) l o d 和m o r p h i n g 技术：对于一些实体模型建立多级细节的层次模型。通过 m o r p h i n g 技术加强实体层次模型过渡的平滑性。 ( 6 ) 切换技术：当需要多种效果时，可建立多个模型，通过切换( s w i t c h ) 技术 控制选择，从而达到逼真的效果。 ( 7 ) 自由度技术：自由度可以设置在模型中任何可以移动的物体上。它包含了 与旋转伸缩和位移相关联的参数变量，利用它便可控制附加在有d o f 模式的组 ( g r o u p ) 上。 ( 8 ) 纹理技术：可以增加模型的细节水平及景物的真实感。纹理大大减少了三 维场景的多边形数目，提高了显