计算机图形学与虚拟现实环境

虚拟现实技术主讲：杨文晖计算机图形学与虚拟现实环境第1页感知、光、颜色和数学投影虚幻世界虚拟环境数学基础关照—光亮度方程颜色以及人对光反应图形真实和实时计算机图形绘画隐喻局部光照和光线跟踪摄影机普通化场景结构、摄影机模型实现裁剪多边形、、可见性确定多边形渲染、图像空间渲染和纹理生成计算机图形学与虚拟现实环境计算机图形学与虚拟现实环境第2页什么是“计算机图形学”？相关建模、光照、虚拟世界动态特征以及人们在集中活动方式理论。起源于IvanSutherland发表论文，论文描述了一个称为Sketchpad画板系统。该画板系统允许用户使用“光笔”交互在屏幕上画图计算机图形学与虚拟现实环境第3页“计算机图形学”结果是什么？产生一个“投影虚幻世界”，也叫“虚拟环境”、“虚拟现实”是一个将三维空间中对象表示投影到二维显示器上所形成表现。“网络虚拟环境”？多领域技术集成，这些技术包含不一样地域间异质网络互联技术，支持视觉、听觉、触觉/力觉反馈技术以及对应各种交互设备。计算机图形学与虚拟现实环境第4页“虚拟环境”有三个主要组成部分？内容内容由“对象”组成，组成整个环境每一个对象都有一个“描述”和一个“状态”对象特殊子集叫做“参加者”几何几何包含维度、度量和环境范围或边界动态特征由对象之间相互规则组成，比如碰撞检测计算机图形学与虚拟现实环境第5页虚拟环境系统示意图计算机图形学与虚拟现实环境第6页关于“场景数据库”内容包含对全部对象总描述信息和那些必须对整个场景给出任何其它信息存放一定在维持共享虚拟环境计算机网上某处存放更新一定要以某种方式及时反应到分布环境全部节点上。计算机图形学与虚拟现实环境第7页“CAVE”虚拟环境“CAVE”含义？CAVE是自动虚拟环境缩写理想CAVE？拥有六面墙壁当做投影屏幕房间参加者—立体眼镜、头部跟踪器计算机图形学与虚拟现实环境第8页CAVE例图计算机图形学与虚拟现实环境第9页关于VE“真实感”和“实时性”产生并维持虚拟“真实感”感觉条件？环境被显示出来参加者被实时跟踪场景表现充分计算机图形学中“真实感”含义？几何真实感光照真实感行为真实感计算机图形学与虚拟现实环境第10页几何真实感什么是“几何真实感”？与要描述真实世界中对象含有十分相同几何外形一个图形对象。三维几何图形由什么组成？是由平面多边形（普通是三角形）来结构。对象表面区域越是完全，所需要三角面片数目就会越多。“几何真实感”实际用处？虚拟原型设计建立真正物理实体之前虚拟结构过程检测对象在特定位置时候产生影响等计算机图形学与虚拟现实环境第11页人脸扫描仪—点云---3D---渲染人脸激光扫描产生3D点云，64028个顶点，扫描过程10秒点组成三角形，形成了126108个三角形表面进行明暗处理，生成3D人脸计算机图形学与虚拟现实环境第12页光照真实感光照真实感计算复杂吗？是一个极端复杂计算，是计算机图形学中计算最精深方面光照计算分为两种？局部光照假设每个对象是场景中除了光源之外唯一对象全局光照对环境中光分布正确计算，对象间反射也要考虑计算机图形学与虚拟现实环境第13页局部光照和全局光照渲染场景图计算机图形学与虚拟现实环境第14页行为真实感情感共鸣讲话恐怖症病人治疗卡通人物—米老鼠计算机图形学与虚拟现实环境第15页漫画、印象主义和图标表现漫画见图印象主义梵高画图标表示孩子笔下任务计算机图形学与虚拟现实环境第16页真实感和实时之间冲突计算机图形学中“真实感”三个部分（几何、光照、行为），结构难度是怎样？几何视觉真实感-----行为真实感------光照真实感难度依次递增“计算机图形学”中冲突是什么？真实感与实时计算机图形学与虚拟现实环境第17页实时含义帧与帧频一幅图像每秒实际显示出来图像数目实时漫游在计算和渲染下一帧图像时，会产生一个时间延迟，或者显示滞后实时对象交互虚拟世界中位置在场景数据库中得到更新延迟和滞后使VE中选择和操作对象过程变得困难共享虚拟环境中交互网络上数据传输所需要延迟是系统无法防止每个位置以60HZ运行，500ms延迟也会破坏正常交互计算机图形学与虚拟现实环境第18页关于折衷实时需求对计算机系统哪些方面提出极高要求？计算设备显示网络性能计算机图形学与虚拟现实环境第19页存在和沉醉感看电影电影调动了人感觉，不过身体反应还是受限制看一张房间中间有深度8公尺深坑图会有眩晕感觉计算机图形学与虚拟现实环境第20页什么是存在？从虚拟环境到真实世界相同性程度，是个意识状态参加者所做与在现实世界中所做相同行为越大，存在程度就越高是对人反应存在必要条件是传感数据和本体感受应该匹配（移动手臂，看见虚拟手臂在动）计算机图形学与虚拟现实环境第21页什么是沉醉感？存在并同时与来自那个环境传感数据质和量相关是对系统描述是关于传感器数据显示（传感数据视觉、听觉、触觉等）跟踪系统（精度依赖于几何表示精度、采样频率、数据传送和解释速度）计算机图形学与虚拟现实环境第22页虚拟环境怎样工作现实是虚拟？周围是个时空连续系统，组成高分辨率视觉流视网膜是图像被投影地方视网膜包含光敏感单元，将光能转换为电信号，经过视神经传输到大脑视觉皮质视觉是个采样过程对环境整体认识以及心理滤波器视觉系统经过扫描路径序列来采样环境，重复相同区域，以确认我们内部心理模型，和构想看见内容计算机图形学与虚拟现实环境第23页关于路径扫描图计算机图形学与虚拟现实环境第24页计算机图形学与虚拟现实环境第25页计算机图形学与虚拟现实环境第26页关于扫描路径扫描路径——交替快速扫描和定影序列扫描路径本身是受到我们内在心理模型驱使，而不是受外部世界驱使。我们从外部世界中所看见事物，如扫描路径所指示，不只是受外部世界“物质”所左右，而是受到我们内在认知模型控制。计算机图形学与虚拟现实环境第27页计算机图形学与虚拟现实环境第28页认知模型影响计算机图形学与虚拟现实环境第29页尺寸不变性伸缩什么是尺寸不变性伸缩？用高层认知信息替换传感数据作用？使物体看起来较之真实传感信息形成在视网膜上图像尺寸发生了改变。计算机图形学与虚拟现实环境第30页双目视差、调整、收敛双目视差左右眼间图像差异朝所处环境任意地方看，交替用两眼看，图像水平地从左到右然后从右到左地往返切换调整调整透镜让场景中店对准焦点过程透镜受睫状肌控制收敛眼睛向内旋转方便让附近对象进入焦点；或者向外旋转，使视线趋于平行，方便让远处对象进入焦点。计算机图形学与虚拟现实环境第31页视域间隙视网膜上与视神经相连区域是相正确计算机图形学与虚拟现实环境第32页线性透视、深度线索视网膜上图像尺寸反比于对象离观察者距离计算机图形学与虚拟现实环境第33页线性透视、深度线索计算机学中投影中心O计算机图形学与虚拟现实环境第34页线性透视错觉计算机图形学与虚拟现实环境第35页Ponzo错觉Muller-Lyer错觉计算机图形学与虚拟现实环境第36页纹理梯度梵高画纹理梯度抽象实例计算机图形学与虚拟现实环境第37页阴影和明暗处理阴影不但能传达相关对象形状信息，还能传递在场景里深度关系信息，大大提升对深度感知对象阴影是对象另外一个视图—由光源产生视图阴影提供了每个对象与周围表面间空间关系直接信息见阴影深度线索图计算机图形学与虚拟现实环境第38页遮挡与光照遮挡当一个对象部分地遮挡其它对象时候，它提醒人们该对象比较靠近观察者见图Kanizsa三角形错觉光照光能量衰减与距离平方成百分比远处对象与近处对象相比，颜色比较淡，比较含糊。计算机图形学与虚拟现实环境第39页时间和空间不变性是外界差异在刺激我们视觉，假如我们完全固定视线，很快之后我们会什么也看不见，就像连续背景噪声滴答声被忽略。每一次眨眼就是一次视觉中止，通常我们不注意眨眼事实，认为我们视觉是连续而不间断。视觉系