虛擬現(xiàn)實技術(shù)中計算機圖形學(xué)的應(yīng)用——三維計算機圖形.doc

虛擬現(xiàn)實技術(shù)中計算機圖形學(xué)的應(yīng)用 三維計算機圖形 近年來虛擬頭盔的發(fā)展越來越快。目前，這個虛擬頭盔僅在瑞士圣約翰公園能夠讓體驗者進入虛擬3D世界，體驗者能夠在“真實公園”的混合環(huán)境下進行探索，通過照相機進行觀看，以及通過計算機形成3D虛幻假像，其中包括：發(fā)光的草、夢幻般的昆蟲，以及天空中出現(xiàn)的奇特景象。這種新型虛擬頭盔被稱為“生命放大器(Lifeclipper)”，是一種全新的娛樂高科技裝置，通過背包中的高性能計算機使體驗者進入一個與現(xiàn)實并行的虛擬世界。其主要技術(shù)是近年來越來越火的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。VR是一項綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當(dāng)裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復(fù)雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場感。該技術(shù)集成了計算機圖形(CG)技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計算機技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。 概括地說，虛擬現(xiàn)實是人們通過計算機對復(fù)雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。 虛擬現(xiàn)實中的“現(xiàn)實”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實際上可實現(xiàn)的，也可以是實際上難以實現(xiàn)的或根本無法實現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現(xiàn)實是指用計算機生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實現(xiàn)特殊的目的，即人是這種環(huán)境的主宰。早在60年代初，隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，人們就開始研究立體聲與三維立體顯示相結(jié)合的計算機系統(tǒng)。80年代，Jaron Lanier提出了虛擬現(xiàn)實VR（Virtual Reality）的觀點，目的在于建立一種新的用戶界面，使用戶可以置身于計算機所表示的三維空間資料庫環(huán)境中，并可以通過眼、手、耳或特殊的空間三維裝置在這個環(huán)境中環(huán)游，創(chuàng)造出一種親臨其境的感覺。 虛擬現(xiàn)實是人們通過計算機對復(fù)雜數(shù)據(jù)進行可視化、操作以及實時交互的環(huán)境。與傳統(tǒng)的計算機人機界面（如鍵盤、鼠標器、圖形 用戶界面以及流行的Windows等）相比，虛擬現(xiàn)實無論在技術(shù)上還是思想上都有質(zhì)的飛躍。傳統(tǒng)的人機界面將用戶和計算機視為兩個獨立的實體，而將界面視為信息交換的媒介，由用戶把要求或指令輸入計算機，計算機對信息或受控對象作出動作反饋。虛擬現(xiàn)實則將用戶和計算機視為一個整體，通過各種直觀的工具將信息進行可視化，形成一個逼真的環(huán)境，用戶直接置身于這種三維信息空間中自由地使用各種信息，并由此控制計算機。 虛擬現(xiàn)實用以下3種基本技術(shù)進行了概括： 1、三維計算機圖形學(xué)技術(shù)； 2、采用多種功能傳感器的交互式接口技術(shù)； 3、高清晰度顯示技術(shù)。 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)： 1、虛擬現(xiàn)實首先是一種可視化界面技術(shù)，可以有效地建立虛擬環(huán)境，這主要集中在兩個方面，一是虛擬環(huán)境能夠精確表示物體的狀態(tài)模型，二是環(huán)境的可視化及渲染。 2、虛擬現(xiàn)實僅是計算機系統(tǒng)設(shè)置的一個近似客觀存在的環(huán)境，為用戶提供逼真的三維視感、聽感、觸感和嗅感的感受。它是硬件、軟件和外圍設(shè)備的有機組合。 3、用戶可通過自身的技能以6個自由度在這個仿真環(huán)境里進行交互操作。 4、 虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵是傳感技術(shù)。 5、虛擬現(xiàn)實離不開視覺和聽覺的新型可感知動態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)?？筛兄獎討B(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與文字識別、圖像理解、語音識別和匹配技術(shù)關(guān)系密切，并需結(jié)合高速的動態(tài)數(shù)據(jù)庫檢索技術(shù)。 6、虛擬現(xiàn)實不僅是計算機圖形學(xué)或計算機成像生成的一幅畫面，更重要的是人們可以通過計算機和各種人機界面與機交互，并在精神感覺上進入環(huán)境。它需要結(jié)合人工智能，模糊邏輯和神經(jīng)元技術(shù)。虛擬現(xiàn)實是多種技術(shù)的綜合，包括實時三維計算機圖形技術(shù)，廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音輸入輸出技術(shù)等。下面對這些技術(shù)分別加以說明。 下面就來介紹下三位計算機圖形技術(shù)。三維計算機圖形（3D Computer Graphics）是計算機和特殊三維軟件幫助下創(chuàng)造的作品。一般來講，該術(shù)語可指代創(chuàng)造這些圖形的過程，或者三維計算機圖形技術(shù)的研究領(lǐng)域，及其相關(guān)技術(shù)。三維計算機圖形和二維計算機圖形的不同之處在于計算機內(nèi)存儲了幾何數(shù)據(jù)的三維表示，用于計算和繪制最終的二維圖像。一般來講，為三維計算機圖形準備幾何數(shù)據(jù)的三維建模的藝術(shù)和雕塑及照相類似，而二維計算機圖形的藝術(shù)和繪畫相似。但是，三維計算機圖形依賴于很多二維計算機圖形的相同算法。計算機圖形軟件中，該區(qū)別有時很模糊；有些二維應(yīng)用程序使用三維技術(shù)來達到特定效果，譬如燈光，而有些主要用于三維的應(yīng)用程序采用二維的視覺技術(shù)。二維圖形可以看作三維圖形的子集。OpenGL和Direct三維是兩個用于產(chǎn)生實時圖象的流行的API。（實時表示圖象的產(chǎn)生在真實的時間中，或者說隨時）。很多現(xiàn)代顯卡提供了基于這些API的一定程度的硬件加速，經(jīng)常使得復(fù)雜的三維圖象實時產(chǎn)生。但是，真正產(chǎn)生三維景象并不一定要使用其中的任何一個。三維計算機圖形的創(chuàng)建：創(chuàng)建三維計算機圖形的過程可以順序分為三個基本階段：建模、場景布局、繪制。建模：建模階段可以描述為“確定后面場景所要使用的對象的形狀”的過程。有很多建模技術(shù)，他們包括（但不僅僅是）:構(gòu)造實體幾何、NURBS建模、多邊形建模、細分曲面、隱函數(shù)曲面。建模過程可能也包括編輯物體表面或材料性質(zhì)（例如，顏色，熒光度，漫射和鏡面反射分量經(jīng)常被叫做粗糙度和光潔度，反射特性，透明度或不透明度，或者折射指數(shù)），增加紋理，凹凸映射和其它特征。建模可能也包括各種和準備動畫的三維模型相關(guān)的各種活動（雖然在復(fù)雜的任務(wù)建模中，這將自己成為一個階段，稱為索具（rigging）。對象可能用一個骨架撐起來，一個物體的中央框架，它可以影響一個對象的形狀或運動。這個對動畫構(gòu)造過程很有幫助，骨架的運動自動決定模型相關(guān)部分。參看正運動動畫和逆運動動畫。在索具階段，模型也可以給定特定的控制，使得運動的控制更為簡便和直觀，例如用于聲音嘴唇同步的面部表情控制和嘴形（音素）。建?？梢杂靡源藶槟康脑O(shè)計的程序（例如，Lightwave建模軟件，Rhinoceros 三維，Moray），應(yīng)用的模塊（Shaper，三維 Studio Max的Lofter）或者某些場景描述語言（例如POV-Ray）。在有些情況，這些階段之間沒有嚴格的區(qū)別；在這些情況下，建模只是場景創(chuàng)建過程的一部分（例如Caligari trueSpace就屬于這種情況）。加工：場景布局設(shè)置:場景設(shè)置涉及安排一個場景內(nèi)的虛擬物體，燈光，攝像機和其他實體，它將被用于制作一幅靜態(tài)畫面或一段動畫。如果用于動畫，該階段通常采用叫做“關(guān)鍵幀”（key frame）的技術(shù)，它使得場景內(nèi)復(fù)雜的運動的創(chuàng)建變得簡單。使用關(guān)鍵幀的幫助，而不是必須對于動畫中的每一幀設(shè)定對象的位置，方向或比例，只需設(shè)立一些關(guān)鍵的幀，它們之間的狀態(tài)可以用插值得到。照明是場景布置中一個重要的方面。就象在實際場景布置的時候一樣，光照是最終作品的審美和視覺質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。因而，它是一項很難掌握的藝術(shù)。光照因素可以對一個場景的氛圍和情緒反映作出重大貢獻，這是為攝影師和舞臺照明師所熟悉的事實。三角剖分和網(wǎng)格：把物體的表示（例如球面的中點坐標和它的表面上的一個點所表示的球面），轉(zhuǎn)換到一個（球面的）多邊形表示的過程，稱為剖分（tesselation）。該步驟用于基于多邊形的繪制，其中對象從象球面，圓錐面等等這樣的抽象的表示（體素），分解成為所謂網(wǎng)格，它是互相連接的三角形的網(wǎng)絡(luò)。三角網(wǎng)格（而不是正方形等形狀）比較流行，因為它們易于采用掃描線繪制進行繪制。多邊形表示不是所有繪制技術(shù)都必須的，而在這些情況下，從抽象表示到繪制出的場景的轉(zhuǎn)換不包括剖分步驟。繪制：渲染是從準備的場景創(chuàng)建實際的二維景象或動畫的最后階段。這可以和現(xiàn)實世界中在布景完成后的照相或攝制場景的過程相比。用于諸如游戲或模擬程序這樣的交互式媒體的繪制需要實時計算和顯示，速度約為20到120幀每秒。非交互式媒體（譬如錄象或電影），繪制的慢得多。非實時繪制使得有限的計算能力得以放大以獲得高質(zhì)量的畫面。復(fù)雜場景的單幀的繪制速度可能從幾秒到一個小時或者更多。繪制完成的幀存貯在硬盤，然后可能轉(zhuǎn)錄到其它媒介，例如電影膠卷或者光盤。然后這些幀以高幀率播放，通常為24，25，或30幀每秒，以達成運動的假象。最后的作品經(jīng)常會需要達到真實感圖形質(zhì)量，要達到這個目的，很多不同和專門的繪制技術(shù)被發(fā)展出來。這些技術(shù)的范圍包括相當(dāng)非真實感的線框模型繪制技術(shù)，到基于多邊形的繪制，到更高級的技術(shù)，例如：掃描線渲染、光線跟蹤或者輻射著色。繪制軟件可以模擬例如鏡頭光暈、景深或者運動模糊這樣的視覺效果。這些技術(shù)試圖模擬鏡頭和人眼的光學(xué)特性所造成的視覺現(xiàn)象。這些技術(shù)可以增加場景的真實程度，雖然該效果可能只是鏡頭的人造模擬現(xiàn)象。為模擬其他自然發(fā)生的效應(yīng)的各種技術(shù)被發(fā)展出來，例如光和不同形式的物質(zhì)的相互作用。這些技術(shù)的例子包括粒子系統(tǒng)（它可以模擬雨，煙，或者火），體采樣（用于模擬霧，塵或者其它空間大氣效果），焦散效果（用于模擬光被不均勻折射性質(zhì)的表面所聚焦的現(xiàn)象，例如游泳池底部的光的漣漪）， 還有次表面散射（subsurface scattering）（用于模擬光在人的皮膚這樣的實體對象內(nèi)部反射的現(xiàn)象）。繪制過程計算上很昂貴，特別是所模擬的物理過程復(fù)雜且多樣時。計算機的處理能力逐年上升，使得真實感繪制的質(zhì)量漸進的提高。生產(chǎn)計算機動畫的電影工作室可能用渲染農(nóng)場（render farm）來進行及時的繪制。但是，硬件費用的下降使得在家庭計算機系統(tǒng)上產(chǎn)生少量的三維動畫完全成為可能。繪制器經(jīng)常包含在三維軟件包中，但是有一些繪制系統(tǒng)作為流行三維應(yīng)用程序的插件使用。這些繪制系統(tǒng)包括Final-Render，Brazil r/s，V-Ray，Mental Ray，POV-Ray， 和Pixar Renderman。這些繪制程序的輸出經(jīng)常用于最終電影場景的一小部分。很多材料的層次可以分別繪制，然后采用合成軟件集成到最終的畫面中。反射和明暗模型：現(xiàn)代三維計算機圖形嚴重的依賴于一個簡化的反射模型稱為Phong反射模型，它和Phong明暗圖是完全不同的主題，不能混淆二者。在光的折射中，有一個重要的概念稱為折射率。在多數(shù)三維編程實現(xiàn)中，該值“index of refraction”（折射率）通常簡寫為“IOR”。三維計算機圖形中流行的反射繪制技術(shù)包括：平直著色（Flat shading）：使用多邊形的法向量和位置以及光源的位置和強度對于物體的每一個多邊形給出一個明暗值的技術(shù)。Gouraud著色：H。Gouraud于1971年發(fā)明，一個快速的基于頂點和光源的關(guān)系的著色技術(shù)，用于模擬光滑著色的曲面。紋理映射：通過把圖像（紋理）映射到多邊形上來模擬曲面的大量細節(jié)的技術(shù)。Phong著色：由Bui Tuong Phong發(fā)明，用于模擬光滑著色曲面的鏡面反射高光效果凸凹紋理映射：由Jim Blinn發(fā)明，用法向擾動技術(shù)模擬帶褶皺的曲面。Cel著色：用于模擬手繪動畫的觀感的一種技術(shù)。三維圖形應(yīng)用程序接口（API）： 三維圖形已經(jīng)非常流行，特別是在電子游戲中，這使得專門化的應(yīng)用程序接口（API）被創(chuàng)建出來用于簡化計算機圖形產(chǎn)生的各個階段的處理。這些API對于計算機圖形硬件廠商也是極為重要的，因為他們提供給程序員一種使用硬件的抽象方式，而依然