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1、虚拟现实的建模技术,一、 虚拟现实建模技术概述,虚拟现实技术是在虚拟的数字空间中模拟真实世界中的事物,这就需要一个逼真的数字模型,于是虚拟现实建模技术就产生了。虚拟现实与现实到底像不像, 是与建模技术紧密相关的,所以建模技术的研究具有非常重要的意义。按照建模方式的不同, 现有的建模技术主要可以分为:几何造型、扫描、基于图象等几种方法。,3.1.1几何建模,虚拟对象基本上都是几何图形构成的。几何建模主要处理具有几何网络特性的几何模型的拓扑信息和几何信息。拓扑信息是指物体各分量的数目及其相互间的关系，包括点、线、面之间的连接关系、邻近关系和边界关系。 几何信息一般是指物体在欧式空间中的形状（点线面
2、），具有确定的位置和度量值。,采用几何建模方法对物体对象虚拟主要是对物体几何信息的表示和处理，描述虚拟对象的几何模型，例如多边形、三角形、顶点和样条等。即用一定的数学方法对三维对象的几何模型的描述。,1、多边形建模,多边形建模方法是传统的建模方法，适合于建立规则的物体模型，多边形建模的基础在于点、线和多边形，任何模型都可以最终看做是由无数三角形面按一定的组成关系所构成的三维对象。 基于多边形建模的基本原理，可以知道的是构成模型的面数越多，模型的细节越能表达的细致，模型也越真实，但也需要考虑模型的细节需求与面数的折衷。,6,多边形建模-实例1（editable mesh）,7,(F4) ,多边形
3、建模-实例2 （eidtable poly）,Editable poly与editable mesh类似，也是多边形建模的一种方法， 其子物体层级与editable mesh有些区别，没有face，只有border， 该建模方式与editable mesh相比，参数丰富一些，也更灵活。,8,9,10,Nurbs（非统一有理B样条）,Non-Uniform Rational B-Splines Non-Uniform：是指一个控制顶点的范围能够改变，用来创建不规则曲面。 Rational：指每个NURBS模型都可以用数学表达式来定义，用于表示曲线或曲面的有理方程式给一些重要的曲线和曲面提供了更好
4、的模型，如球体等。 B-Splines：是一种在三个或者更多点之间进行插补的构建曲线的方法。,12,创建NURBS模型 花瓶,13,14,创建NURBS模型 鼠标,15,16,17,18,19,人机交互的环境通常包括三种情况: 第一种是完全对真实世界中的环境的再现。如网上3D户型展示（如图9-1）是对真实房屋结构图的再现，虚拟校园中教学楼模型的真实再现(如图9-2)等，这些真实环境已经存在，通过虚拟现实技术将其仿真模拟出来.,网上3D户型,校园场景,第二种是完全虚拟的、当前并不存在的环境。例如在影视制作领域，虚拟现实技术的发展为其提供了更为广阔的空间,创作者可以灵活地将以前很难或者无法拍摄到的
5、画面元素融入到自己的作品中,以增强画面的真实感、表现力和视觉冲击力。在游戏行业中，虚拟现实技术创造三维模型、三维角色和虚拟世界，使玩家与游戏中的角色合二为一。,电影阿凡达,植物大战僵尸,第三种是对微观的物体或现象进行模拟仿真。如物理、化学等物体及物质变化过程难以用语言文字说明清楚，可借助虚拟现实技术，使人眼能够看到，从而体现科学可视化的重要意义。在生理课程中，通过虚拟现实技术模拟真实的人体器官的三维模型，该模型具有人体形态以及肋骨、肝脏、心脏等各个器官的外貌，而且具备各器官的新陈代谢机能，能较为真实地显示出人体的正常生理状态和出现的各种变化。,虚拟现实系统的分类,（1）沉浸式VR系统 沉浸式虚
6、拟现实系统提供参与者完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟世界之中的感觉。其特点是：利用头盔显示器把用户的视觉与听觉封闭起来，产生虚拟视觉；同时，它利用数据手套把用户的手感通道封闭起来，产生虚拟触动感。,虚拟现实系统的分类,沉浸式VR系统,虚拟现实系统的分类,（2） 桌面式VR系统 桌面虚拟现实系统利用个人计算机或PC工作站去产生仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口，参与者坐在监视器前，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟世界。使用的硬件设备主要是立体眼镜和一些交互设备（如数据手套、空间位置跟踪定位设备等）。主要用于计算机辅助设计与制造、建筑设计与桌面游戏等领域。,桌面式VR
7、系统,虚拟现实系统的分类,（3） 增强式VR 系统 增强式VR系统简称增强现实，英文全称为Augmented Virtual Reality，它既允许用户看到真实世界，同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂场景的开销，也可对实际物体进行操作，真正达到了亦真亦幻的境界。在增强式VR 系统中，虚拟对象所提供的信息往往是用户无法凭借其自身感觉器官直接感知的深层信息，用户通过利用虚拟对象所提供的信息来加强对现实世界的认知，如图9-10所示。,增强式VR 系统,虚拟现实系统的分类,（4） 分布式VR系统 分布式VR系统（Distributed
8、 Virtual Reality）是VR技术和网络技术发展和结合的产物，是一个在网络的虚拟世界中，位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟世界，通过网络连接成共享信息的系统。分布式虚拟现实系统的目标是在沉浸式VR系统的基础上，将地理上分布的多个用户或多个虚拟世界通过网络连接在一起，使每个用户同时加入到一个虚拟空间里，通过联网的计算机与其他用户进行交互，以达到协同工作的目的。,虚拟现实系统的分类,分布式VR系统的特点： 各用户具有共享的虚拟工作空间。 伪实体的行为真实感。 支持实时交互，共享时钟。 多个用户可用各自不同的方式相互通信。 资源信息共享以及允许用户自然操纵虚拟世界中的对象。,虚拟现实系统
9、的硬件设备,在虚拟现实系统中，硬件设备由三部分组成，即是输入设备、输出设备和虚拟世界生成设备。,手部数据交互设备,数据手套（Data Glove）,数据手套是一种戴在用户手上的传感装置，用于检测用户手部活动的设备，并向计算机发送相应电信号，从而驱动虚拟手模拟真实手的动作。,如图所示为戴上VPL数据手套的人手与屏幕显示的虚拟手。该数据手套把光导纤维和一个三维位置传感器缠绕在一个轻的、有弹性的手套上，每个手指的每个关节处都有一圈纤维，用以测量手指关节的位置与弯曲。,输入设备,数据衣（Data Suit）,数据衣将大量的光纤、电极等传感器安装在一个紧身服上，可以根据需要检测出人的四肢、腰部的活动以及
10、各关节（如腕关节、肘关节）的弯曲角度，然后用计算机重建出图像。,其他交互设备,三维扫描仪（3D Scanner）,三维扫描仪的功能是通过扫描真实模型的外观特征，构造出该物体对应的计算机模型，通常分为激光式、光学式、机械式等三种类型。 三维激光扫描仪（3D Laser Scanner）应用最为广泛，其数据处理的过程一般包括数据采集、数据预处理、几何模型重建和模型可视化等四个步骤。,手部数据交互设备,三维浮动鼠标器（3D Flying Mouse）,三维浮动鼠标器的工作原理是：在鼠标内部安装了一个超声波或电磁探测器，利用这个接收器和具有发射器的固定基座，就可以测量出鼠标离开桌面后的位置和方向。,三
11、维定位跟踪设备:用于检测位置与方位，并将其数据报告给虚拟现实系统。在虚拟现实系统中最常见的应用是跟踪用户的头部位置与方位来确定用户的视点与视线方向，而视点位置与视线方向是确定虚拟世界场景显示的关键。,三维定位跟踪设备,输出设备, 视觉感知设备：视觉感知设备主要是向用户提供立体宽视野的场景显示，并且这种场景的变化会实时改变。此类设备主要有：头盔式显示器、洞穴式立体显示装置、响应工作台立体显示装置、墙式立体显示装置等。,带立体眼镜的台式立体显示系统, 听觉感知设备：提供虚拟世界中的三维真实感声音的输入及播放。一般由耳机和专用声音卡组成。通常用专用声音卡将单通道或普通立体声源信号处理成具有双耳效应的
12、三维虚拟立体声音。 触觉（力觉）感知设备：力觉感知设备主要是要求能反馈力的大小和方向，而触觉感知应包含一般的接触感，进一步应包含感知物体的质感、纹理感及温度感等。目前能实现的仅仅是模拟一般的接触感。,桌面力觉反馈装置,虚拟现实的Web3D技术,Web3D一词来自Web3D协会，它是一个国际性的非赢利组织，主要任务是制定因特网3D图形的标准与规范。随着网络带宽的逐渐提升，采用Web3D技术实现的网站越来越多。Web3D技术主要是针对于三维显示技术的网络应用而开发的，故决定了Web3D技术的主要特点就是使三维模型在网上进行三维交互演示。Web3D是指基于Internet的、依靠软件技术实现的桌面级
13、虚拟现实技术。Web3D技术是实现网页中虚拟现实的一种最新技术。VRML是互联网3D图形的开放标准，是3D图形和多媒体技术通用交换的文件格式，它基于建模技术，描述交互式的3D对象和场景，可应用在互联网与本地客户系统中。由于网上传输的是模型文件，故其传输量明显低于视频图像的传输量。,VRML技术,（1）VRML技术 VRML是一种在网络环境下描述虚拟三维模型和提供交互操作的跨平台、开放式、解释性的文本语言，具有强大的三维场景建模功能，可方便的构建虚拟控制设备现场。VRML是一种建模语言，也是一种描述Internet上交互式3D多媒体和共享虚拟世界的开发标准，可在低带宽异构的网络环境下，进行低带宽
14、的传输和远程指令的接收。利用VRML建立的三维场景可在带VRML浏览器插件的IE浏览器中浏览观看，同时VRML支持三维声音，可定义不同的事件触发不同的声音提示。,VRML技术,由于VRML支持使用内建的脚本语言如：Java、Javasript等，故VRML程序具有很强的交互功能。 VRML文档一般包含如下部分： 文件头：给浏览器提供文件的版本信息； 注释：以#号开始的说明文字； 节点：场景信息的单位，用来描述场景中的造型、灯光等； 属性值：描述及改变节点属性的大小。VRML是类似C的结构化数据，易读性好，但用程序数据提取出来困难。,VRML技术,# VRML V2.0 utf-8 Shape
15、appearance Appearance #定义物体的外观属性 material Material #定义材质属性 emissiveColor 1 0 0 #表示球的表面材质反射红光 geometry Sphere #定义物体的几何属性 radius 1 #表示球体的半径是1个单位 ,Cult3D技术,Cult3D 是瑞典Cycore公司开发的网络三维互动展示技术，它是利用现有的网络技术和强大的3D引擎在网页上建立互动的三维物件，只需用鼠标进行简单的操作，便可对页面中的逼真物体模型进行全方位的观看，还可对物体进行放大、缩小、旋转与拆装等操作，让浏览者能够真实地感受到物体的相关属性。Cult3
16、D 的内核基于Java语言，具有很强的交互和扩展性。,Cult3D技术,利用Cult3D 技术可以对产品进行数字化模型设计，设计后的模型可无缝地嵌入到在线的HTM页面以及其他一些应用程序中。Cult3D有三个不同的程序功能，包括Cult3D Exporter、Cult3D Designer和Cult3D Viewer。Cult3D Exporter是供3D建模的软件，如可作为3D Studio或Maya使用的插件。由于Cult3D不具备3D建模功能，利用这个插件可以从3D建模软件中把3D模型导出到Cult3D Designer中制作。Cult3D Designer是Cult3D的核心技术，在Cult3D Designer中可以对3D Studio、Maya等3D软件导出Cult3D模型对象建立基本的交互功能，Cult3D Viewer是供IE等浏览器使用的插件。,Virtools技术,Virtools操作界面,Virtools资源编辑界面,三维世界编辑区窗口,三维世界编辑区窗口,三维世界编辑区窗口,三维建模工
