虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用——三維計(jì)算機(jī)圖形.doc

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用 三維計(jì)算機(jī)圖形 近年來虛擬頭盔的發(fā)展越來越快。目前，這個(gè)虛擬頭盔僅在瑞士圣約翰公園能夠讓體驗(yàn)者進(jìn)入虛擬3D世界，體驗(yàn)者能夠在“真實(shí)公園”的混合環(huán)境下進(jìn)行探索，通過照相機(jī)進(jìn)行觀看，以及通過計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)使體驗(yàn)者進(jìn)入一個(gè)與現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)(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(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)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(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。VR是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計(jì)算機(jī)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(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。使用者進(jìn)行位置移動時(shí)，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)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(jì)算機(jī)圖形(CG)技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)是人們通過計(jì)算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。 虛擬現(xiàn)實(shí)中的“現(xiàn)實(shí)”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(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的，也可以是實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)的或根本無法實(shí)現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計(jì)算機(jī)生成的意思。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)是指用計(jì)算機(jī)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(gè)環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)。80年代，Jaron Lanier提出了虛擬現(xiàn)實(shí)VR（Virtual Reality）的觀點(diǎn)，目的在于建立一種新的用戶界面，使用戶可以置身于計(jì)算機(jī)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(gè)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(shí)是人們通過計(jì)算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化、操作以及實(shí)時(shí)交互的環(huán)境。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)人機(jī)界面（如鍵盤、鼠標(biāo)器、圖形 用戶界面以及流行的Windows等）相比，虛擬現(xiàn)實(shí)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(jī)界面將用戶和計(jì)算機(jī)視為兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)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(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對信息或受控對象作出動作反饋。虛擬現(xiàn)實(shí)則將用戶和計(jì)算機(jī)視為一個(gè)整體，通過各種直觀的工具將信息進(jìn)行可視化，形成一個(gè)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(jì)算機(jī)。 虛擬現(xiàn)實(shí)用以下3種基本技術(shù)進(jìn)行了概括： 1、三維計(jì)算機(jī)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(shí)系統(tǒng)的技術(shù)： 1、虛擬現(xiàn)實(shí)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(gè)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(shí)僅是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)置的一個(gè)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(jī)組合。 3、用戶可通過自身的技能以6個(gè)自由度在這個(gè)仿真環(huán)境里進(jìn)行交互操作。 4、 虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵是傳感技術(shù)。 5、虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)不僅是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)或計(jì)算機(jī)成像生成的一幅畫面，更重要的是人們可以通過計(jì)算機(jī)和各種人機(jī)界面與機(jī)交互，并在精神感覺上進(jìn)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(shí)是多種技術(shù)的綜合，包括實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)圖形技術(shù)。三維計(jì)算機(jī)圖形（3D Computer Graphics）是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的研究領(lǐng)域，及其相關(guān)技術(shù)。三維計(jì)算機(jī)圖形和二維計(jì)算機(jī)圖形的不同之處在于計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲了幾何數(shù)據(jù)的三維表示，用于計(jì)算和繪制最終的二維圖像。一般來講，為三維計(jì)算機(jī)圖形準(zhǔn)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(jì)算機(jī)圖形的藝術(shù)和繪畫相似。但是，三維計(jì)算機(jī)圖形依賴于很多二維計(jì)算機(jī)圖形的相同算法。計(jì)算機(jī)圖形軟件中，該區(qū)別有時(shí)很模糊；有些二維應(yīng)用程序使用三維技術(shù)來達(dá)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(gè)用于產(chǎn)生實(shí)時(shí)圖象的流行的API。（實(shí)時(shí)表示圖象的產(chǎn)生在真實(shí)的時(shí)間中，或者說隨時(shí)）。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(shí)時(shí)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(gè)。三維計(jì)算機(jī)圖形的創(chuàng)建：創(chuàng)建三維計(jì)算機(jī)圖形的過程可以順序分為三個(gè)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(shí)體幾何、NURBS建模、多邊形建模、細(xì)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?？赡芤舶ǜ鞣N和準(zhǔn)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(gè)階段，稱為索具（rigging）。對象可能用一個(gè)骨架撐起來，一個(gè)物體的中央框架，它可以影響一個(gè)對象的形狀或運(yùn)動。這個(gè)對動畫構(gòu)造過程很有幫助，骨架的運(yùn)動自動決定模型相關(guān)部分。參看正運(yùn)動動畫和逆運(yùn)動動畫。在索具階段，模型也可以給定特定的控制，使得運(yùn)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）。建模可以用以此為目的設(shè)計(jì)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(yán)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(gè)場景內(nèi)的虛擬物體，燈光，攝像機(jī)和其他實(shí)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(yùn)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(gè)重要的方面。就象在實(shí)際場景布置的時(shí)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(xiàng)很難掌握的藝術(shù)。光照因素可以對一個(gè)場景的氛圍和情緒反映作出重大貢獻(xiàn)，這是為攝影師和舞臺照明師所熟悉的事實(shí)。三角剖分和網(wǎng)格：把物體的表示（例如球面的中點(diǎn)坐標(biāo)和它的表面上的一個(gè)點(diǎn)所表示的球面），轉(zhuǎn)換到一個(gè)（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?yàn)樗鼈円子诓捎脪呙杈€繪制進(jìn)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(zhǔn)備的場景創(chuàng)建實(shí)際的二維景象或動畫的最后階段。這可以和現(xiàn)實(shí)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(shí)時(shí)計(jì)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(shí)時(shí)繪制使得有限的計(jì)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(gè)小時(shí)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(dá)成運(yùn)動的假象。最后的作品經(jīng)常會需要達(dá)到真實(shí)感圖形質(zhì)量，要達(dá)到這個(gè)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(shí)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(yùn)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(shí)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(shí)體對象內(nèi)部反射的現(xiàn)象）。繪制過程計(jì)算上很昂貴，特別是所模擬的物理過程復(fù)雜且多樣時(shí)。計(jì)算機(jī)的處理能力逐年上升，使得真實(shí)感繪制的質(zhì)量漸進(jìn)的提高。生產(chǎn)計(jì)算機(jī)動畫的電影工作室可能用渲染農(nóng)場（render farm）來進(jìn)行及時(shí)的繪制。但是，硬件費(fèi)用的下降使得在家庭計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)圖形嚴(yán)重的依賴于一個(gè)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(gè)重要的概念稱為折射率。在多數(shù)三維編程實(shí)現(xiàn)中，該值“index of refraction”（折射率）通常簡寫為“IOR”。三維計(jì)算機(jī)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(qiáng)度對于物體的每一個(gè)多邊形給出一個(gè)明暗值的技術(shù)。Gouraud著色：H。Gouraud于1971年發(fā)明，一個(gè)快速的基于頂點(diǎn)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(xì)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(jì)算機(jī)圖形產(chǎn)生的各個(gè)階段的處理。這些API對于計(jì)算機(jī)圖形硬件廠商也是極為重要的，因?yàn)樗麄兲峁┙o程序員一種使用硬件的抽象方式，而依然