虚拟现实的建模技术

虚拟现实的建建模技术一、虚拟现现实建模技术术概述虚拟现实技术术是在虚拟的的数字空间中中模拟真实世世界中的事物物,这就需需要一一个逼逼真的的数字字模型型,于是虚虚拟现现实建建模技技术就就产生生了。。虚拟拟现实实与现现实到到底像像不像像,是与建建模技技术紧紧密相相关的的,所以建建模技技术的的研究究具有有非常常重要要的意意义。。按照照建模模方式式的不不同,现有的的建模模技术术主要要可以以分为为:几何造造型、、扫描描、基基于图图象等等几种种方法法。3.1.1几何建建模虚拟对对象基基本上上都是是几何何图形形构成成的。。几何何建模模主要要处理理具有有几何何网络络特性性的几几何模模型的的拓扑扑信息息和几几何信信息。。拓扑信信息是指物物体各各分量量的数数目及及其相相互间间的关关系，，包括括点、、线、、面之之间的的连接接关系系、邻邻近关关系和和边界界关系系。几何信信息一一般是是指物物体在在欧式式空间间中的的形状状（点点线面面），，具有有确定定的位位置和和度量量值。。采用几几何建建模方方法对对物体体对象象虚拟拟主要要是对对物体体几何何信息息的表表示和和处理理，描描述虚虚拟对对象的的几何何模型型，例例如多多边形形、三三角形形、顶顶点和和样条条等。。即用用一定定的数数学方方法对对三维维对象象的几几何模模型的的描述述。1、多边边形建建模多边形形建模模方法法是传传统的的建模模方法法，适适合于于建立立规则则的物物体模模型，，多边边形建建模的的基础础在于于点、、线和和多边边形，，任何何模型型都可可以最最终看看做是是由无无数三三角形形面按按一定定的组组成关关系所所构成成的三三维对对象。。基于多多边形形建模模的基基本原原理，，可以以知道道的是是构成成模型型的面面数越越多，，模型型的细细节越越能表表达的的细致致，模模型也也越真真实，，但也也需要要考虑虑模型型的细细节需需求与与面数数的折折衷。。6多边形形建模模-实例1（editablemesh）7(F4)→→多边形形建模模-实例2（eidtablepoly）Editablepoly与editablemesh类似，，也是是多边边形建建模的的一种种方法法，其子物物体层层级与与editablemesh有些区区别，，没有有face，只有有border，该建模模方式式与editablemesh相比，，参数数丰富富一些些，也也更灵灵活。。8910Nurbs（非统统一有有理B样条））Non-UniformRationalB-SplinesNon-Uniform：是指指一个个控制制顶点点的范范围能能够改改变，，用来来创建建不规规则曲曲面。。Rational：指每每个NURBS模型都都可以以用数数学表表达式式来定定义，，用于于表示示曲线线或曲曲面的的有理理方程程式给给一些些重要要的曲曲线和和曲面面提供供了更更好的的模型型，如如球体体等。。B-Splines：是一一种在在三个个或者者更多多点之之间进进行插插补的的构建建曲线线的方方法。。12创建NURBS模型——花瓶1314创建NURBS模型——鼠标1516171819人机交交互的的环境境通常常包括括三种种情况况:第一种种是完完全对对真实实世界界中的的环境境的再再现。。如网网上3D户型展展示（（如图图9-1）是对对真实实房屋屋结构构图的的再现现，虚虚拟校校园中中教学学楼模模型的的真实实再现现(如图9-2)等，这这些真真实环环境已已经存存在，，通过过虚拟拟现实实技术术将其其仿真真模拟拟出来来.网上3D户型校园场场景第二种种是完完全虚虚拟的的、当当前并并不存存在的的环境境。例例如在在影视视制作作领域域，虚虚拟现现实技技术的的发展展为其其提供供了更更为广广阔的的空间间,创作者者可以以灵活活地将将以前前很难难或者者无法法拍摄摄到的的画面面元素素融入入到自自己的的作品品中,以增强强画面面的真真实感感、表表现力力和视视觉冲冲击力力。在在游戏戏行业业中，，虚拟拟现实实技术术创造造三维维模型型、三三维角角色和和虚拟拟世界界，使使玩家家与游游戏中中的角角色合合二为为一。。电影《阿凡达达》植物大大战僵僵尸第三种种是对对微观观的物物体或或现象象进行行模拟拟仿真真。如如物理理、化化学等等物体体及物物质变变化过过程难难以用用语言言文字字说明明清楚楚，可可借助助虚拟拟现实实技术术，使使人眼眼能够够看到到，从从而体体现科科学可可视化化的重重要意意义。。在生生理课课程中中，通通过虚虚拟现现实技技术模模拟真真实的的人体体器官官的三三维模模型，，该模模型具具有人人体形形态以以及肋肋骨、、肝脏脏、心心脏等等各个个器官官的外外貌，，而且且具备备各器器官的的新陈陈代谢谢机能能，能能较为为真实实地显显示出出人体体的正正常生生理状状态和和出现现的各各种变变化。。虚拟现现实系系统的的分类类（1）沉浸浸式VR系统沉浸式式虚拟拟现实实系统统提供供参与与者完完全沉沉浸的的体验验，使使用户户有一一种置置身于于虚拟拟世界界之中中的感感觉。。其特特点是是：利利用头头盔显显示器器把用用户的的视觉觉与听听觉封封闭起起来，，产生生虚拟拟视觉觉；同同时，，它利利用数数据手手套把把用户户的手手感通通道封封闭起起来，，产生生虚拟拟触动动感。。虚拟现现实系系统的的分类类沉浸式式VR系统虚拟现现实系系统的的分类类（2）桌桌面式式VR系统桌面虚虚拟现现实系系统利利用个个人计计算机机或PC工作站站去产产生仿仿真，，将计计算机机的屏屏幕作作为用用户观观察虚虚拟世世界的的一个个窗口口，参参与者者坐在在监视视器前前，通通过计计算机机屏幕幕观察察360度范围围内的的虚拟拟世界界。使使用的的硬件件设备备主要要是立立体眼眼镜和和一些些交互互设备备（如如数据据手套套、空空间位位置跟跟踪定定位设设备等等）。。主要要用于于计算算机辅辅助设设计与与制造造、建建筑设设计与与桌面面游戏戏等领领域。。桌面式式VR系统虚拟现现实系系统的的分类类（3）增增强式式VR系统增强式式VR系统简简称增增强现现实，，英文文全称称为AugmentedVirtualReality，它既既允许许用户户看到到真实实世界界，同同时也也能看看到叠叠加在在真实实世界界上的的虚拟拟对象象，它它是把把真实实环境境和虚虚拟环环境结结合起起来的的一种种系统统，既既可减减少构构成复复杂场场景的的开销销，也也可对对实际际物体体进行行操作作，真真正达达到了了亦真真亦幻幻的境境界。。在增增强式式VR系统中中，虚虚拟对对象所所提供供的信信息往往往是是用户户无法法凭借借其自自身感感觉器器官直直接感感知的的深层层信息息，用用户通通过利利用虚虚拟对对象所所提供供的信信息来来加强强对现现实世世界的的认知知，如如图9-10所示。。增强式式VR系统虚拟现现实系系统的的分类类（4）分分布式式VR系统分布式式VR系统（（DistributedVirtualReality）是VR技术和和网络络技术术发展展和结结合的的产物物，是是一个个在网网络的的虚拟拟世界界中，，位于于不同同物理理位置置的多多个用用户或或多个个虚拟拟世界界，通通过网网络连连接成成共享享信息息的系系统。。分布布式虚虚拟现现实系系统的的目标标是在在沉浸浸式VR系统的的基础础上，，将地地理上上分布布的多多个用用户或或多个个虚拟拟世界界通过过网络络连接接在一一起，，使每每个用用户同同时加加入到到一个个虚拟拟空间间里，，通过过联网网的计计算机机与其其他用用户进进行交交互，，以达达到协协同工工作的的目的的。虚拟现现实系系统的的分类类分布式式VR系统的的特点点：①各各用户户具有有共享享的虚虚拟工工作空空间。。②伪伪实体体的行行为真真实感感。③支支持实实时交交互，，共享享时钟钟。④多多个用用户可可用各各自不不同的的方式式相互互通信信。⑤资资源信信息共共享以以及允允许用用户自自然操操纵虚虚拟世世界中中的对对象。。虚拟现现实系系统的的硬件件设备备在虚拟拟现实实系统统中，，硬件件设备备由三三部分分组成成，即即是输输入设设备、、输出出设备备和虚虚拟世世界生生成设设备。。手部数据据交互互设备备数据手套套（DataGlove）数据手套是一一种戴在用户户手上的传感感装置，用于于检测用户手手部活动的设设备，并向计计算机发送相相应电信号，，从而驱动虚虚拟手模拟真真实手的动作作。如图所示为戴戴上VPL数据手套的人人手与屏幕显显示的虚拟手手。该数据手手套把光导纤纤维和一个三三维位置传感感器缠绕在一一个轻的、有有弹性的手套套上，每个手手指的每个关关节处都有一一圈纤维，用用以测量手指指关节的位置置与弯曲。输入设备数据衣（DataSuit）数据衣将大量量的光纤、电电极等传感器器安装在一个个紧身服上，，可以根据需需要检测出人人的四肢、腰腰部的活动以以及各关节（（如腕关节、、肘关节）的的弯曲角度，，然后用计算算机重建出图图像。其他交互设备三维扫描仪（3DScanner）三维扫描仪的的功能是通过过扫描真实模模型的外观特特征，构造出出该物体对应应的计算机模模型，通常分分为激光式、、光学式、机机械式等三种种类型。三维激光扫描描仪（3DLaserScanner）应应用最为广泛泛，其数据处处理的过程一一般包括数据据采集、数据据预处理、几几何模型重建建和模型可视视化等四个步步骤。手部数据交互设设备三维浮动鼠标器器（3DFlyingMouse）三维浮动鼠标标器的工作原原理是：在鼠鼠标内部安装装了一个超声声波或电磁探探测器，利用用这个接收器器和具有发射射器的固定基基座，就可以以测量出鼠标标离开桌面后后的位置和方方向。三维定位跟踪踪设备:用于检测位置置与方位，并并将其数据报报告给虚拟现现实系统。在在虚拟现实系系统中最常见见的应用是跟跟踪用户的头头部位置与方方位来确定用用户的视点与与视线方向，，而视点位置置与视线方向向是确定虚拟拟世界场景显显示的关键。。三维定位跟踪踪设备输出设备①视觉感知设备备：视觉感知知设备主要是是向用户提供供立体宽视野野的场景显示示，并且这种种场景的变化化会实时改变变。此类设备备主要有：头头盔式显示器器、洞穴式立立体显示装置置、响应工作作台立体显示示装置、墙式式立体显示装装置等。带立体眼镜的的台式立体显显示系统②听觉感知设备备：提供虚拟拟世界中的三三维真实感声声音的输入及及播放。一般般由耳机和专专用声音卡组组成。通常用用专用声音卡卡将单通道或或普通立体声声源信号处理理成具有双耳耳效应的三维维虚拟立体声声音。③触觉（力觉））感知设备：：力觉感知设设备主要是要要求能反馈力力的大小和方方向，而触觉觉感知应包含含一般的接触触感，进一步步应包含感知知物体的质感感、纹理感及及温度感等。。目前能实现现的仅仅是模模拟一般的接接触感。桌面力觉反馈馈装置虚拟现实的Web3D技术Web3D一词来自Web3D协会，它是一一个国际性的的非赢利组织织，主要任务务是制定因特特网3D图形的标准与与规范。随着着网络带宽的的逐渐提升，，采用Web3D技术实现的网网站越来越多多。Web3D技术主要是针针对于三维显显示技术的网网络应用而开开发的，故决决定了Web3D技术的主要特特点就是使三三维模型在网网上进行三维维交互演示。。Web3D是指基于Internet的、依靠软件件技术实现的的桌面级虚拟拟现实技术。。Web3D技术是实现网网页中虚拟现现实的一种最最新技术。VRML是互联网3D图形的开放标标准，是3D图形和多媒体体技术通用交交换的文件格格式，它基于于建模技术，，描述交互式式的3D对象和场景，，可应用在互互联网与本地地客户系统中中。由于网上上传输的是模模型文件，故故其传输量明明显低于视频频图像的传输输量。VRML技术（1）VRML技术VRML是一种在网络络环境下描述述虚拟三维模模型和提供交交互操作的跨跨平台、开放放式、解释性性的文本语言言，具有强大大的三维场景景建模功能，，可方便的构构建虚拟控制制设备现场。。VRML是一种建模语语言，也是一一种描述Internet上交互式3D多媒体和共享享虚拟世界的的开发标准，，可在低带宽宽异构的网络络环境下，进进行低带宽的的传输和远程程指令的接收收。利用VRML建立的三维场场景可在带VRML浏览器插件的的IE浏览器中浏览览观看，同时时VRML支持三维声音音，可定义不不同的事件触触发不同的声声音提示。VRML技术由于VRML支持使用内建建的脚本语言言如：Java、Javasript等，故VRML程序具有很强强的交互功能能。VRML文档一般包含含如下部分：：文件头：给浏浏览器提供文文件的版本信信息；注释：以#号开始的说明明文字；节点：场景信信息的单位，，用来描述场场景中的造型型、灯光等；；属性值：描述述及改变节点点属性的大小小。VRML是类似C的结构化数据据，易读性好好，但用程序序数据提取出出来困难。VRML技术#VRMLV2.0utf-8Shape{appearanceAppearance#定义物体的外外观属性{

materialMaterial#定义材质属性性{

emissiveColor

100#表示球的表面面材质反射红红光}

}geometrySphere#定义物体的几几何属性{radius

1#表示球体的半半径是1个单位}}Cult3D技术Cult3D是瑞典Cycore公司开发的的网络三维维互动展示示技术，它它是利用现现有的网络络技术和强强大的3D引擎在网页页上建立互互动的三维维物件，只只需用鼠标标进行简单单的操作，，便可对页页面中的逼逼真物体模模型进行全全方位的观观看，还可可对物体进进行放大、、缩小、旋旋转与拆装装等操作，，让浏览者者能够真实实地感受到到物体的相相关属性。。Cult3D的内核基于于Java语言，具有有很强的交交互和扩展展性。Cult3D技术利用Cult3D技术可以对对产品进行行数字化模模型设计，，设计后的的模型可无无缝地嵌入入到在线的的HTM页面以及其其他一些应应用程序中中。Cult3D有三个不同同的程序功功能，包括括Cult3DExporter、Cult3DDesigner和Cult3DViewer。Cult3DExporter是供3D建模的软件件，如可作作为3DStudio或Maya使用的插件件。由于Cult3D不具备3D建模功能，，利用这个个插件可以以从3D建模软件中中把3D模型导出到到Cult3DDesigner中制作。Cult3DDesigner是Cult3D的核心技术术，在Cult3DDesigner中可以对3DStudio、Maya等3D软件导出Cult3D模型对象建建立基本的的交互功能能，Cult3DViewer是供IE等浏览器使使用的插件件。Virtools技术Virtools操作界面Virtools资源编辑界界面三维世界编编辑区窗口口三维世界编编辑区窗口口三维世界编编辑区窗口口三维建模工工具简介（1）3dsmax3dsmax可以用于影视视制作、广告告动画、建筑筑效果图与模模拟产品造型型设计等。3dsmax具有的强大功功能：灵活多多样的建模方方式，如多边边形建模、细细分建模与NURBS曲面建模等；；丰富的材质质质感表现；；高级曲线动动画编辑等。。标准基本体非非常容易建立立，只要单击击并拖动鼠标标指针，交替替几次就可完完成；或通过过键盘输入来来建立。建立立标准几何体体是3dsMax的基础。建立立【标准基本体】的工具介绍如如下。标准基本体的的创建扩展基本体的的创建车削编辑修改改器使用【车削】修改器可以通通过旋转二维维图形来产生生三模模型，，如图所示，，或通过Nurbs曲线来创建3D对象。挤出编辑修改改器【挤出】修改器是将二二维的样条线线图形增加厚厚度，挤出成成为三维实体体，可以进行行面片、网格格对象和Nurbs对象3类模型的输出出。倒角编辑修改改器使用【倒角】修改器是通过过对二维图形形进行挤出成成形的同时，，在边界上加加入直形或圆圆形的倒角，，如图所示，，一般用来制制作立体文字字和标志。+二维图形放样路径三维建模工具具简介（2）MayaMaya是美国Autodesk公司开发的三三维动画软件件，主要应用用于专业的影影视广告，角角色动画与电电影特技等。。Maya与其它的三维维软件有明显显的区别，首首先，Maya继承了Alias所有的工作站站级优秀软件件的特性：灵灵活、快捷、、准确、专业业与可扩展性性。Maya的操作平台基基于