虚拟现实技术要点小结

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1、虚拟现实技术要点小结1.Virtual Reality ：用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界；让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。2.虚拟现实系统具有四个重要特征：临境性，交互性，想象性，多感知性。3.虚拟现实系统包含：虚拟世界（包含三维模型或环境定义的数据库） ；虚拟现实软件（提供实时观察和参与虚拟世界的能力） ；计算机；输入设备；输出设备。4.虚拟现实系统类型：桌面虚拟现实系统，沉浸式虚拟现实系统，分布式虚拟现实系统，混合虚拟现实系统。5.虚拟现实的硬件：跟踪系统；知觉系统；音频系统；图像生成与显示系

2、统。6.位置跟踪技术：a.磁跟踪技术：用磁场进行位置和方位跟踪，优点是不受视线阻挡的限制，适用于手的跟踪。 b.光学跟踪技术 c.机械跟踪技术 d.声学跟踪技术 e.惯性位置跟踪技术。7.VR 系统中人的因素：眼睛（信息量最大） ，耳朵，身体感觉，平衡和运动眩晕。眼睛视觉暂留：视网膜的电化学现象造成的视觉的反应时间。眼睛临界熔合频率（Critical Fusion Fregnency，CFF）效果会产生把离散图像序列组合成连续视觉的能力，CFF 最低 20Hz，并取决于图像尺寸与亮度。眼睛立体视觉8.MultiGen 软件：3DMax，VRML，OpenGL 等。9.基于几何的传统计算机图形学

3、建模方法：a.真实感图形的实时绘制；b.多层次细节模型（LOD ） ；c.碰撞检测。10.LOD（Level of Detail，多层次细节模型）技术：a.在图形绘制时，通常将连续曲面离散为一系列的多边形或三角形，三角面片是图形系统中通用的绘图元语。 b.三角形数目越多，场景中几何模型的描述和绘制质量越高，但同时绘制速度越慢。基本思想：a.对场景中的不同物体或物体的不同部分，采用不同的细节描述方法； b.在绘制时，如果一个物体离视点比较远，或物体比较小，用较粗的 LOD 模型绘制； c.反之，如果一个物体离视点比较近，或物体比较大，则必须用较精细的 LOD 模型绘制； d.运动的物体，对运动速

4、度快或者运动中的物体，采用较粗的 LOD，对静止的物体，采用较细的 LOD。11.碰撞检测技术：在虚拟环境中，由于用户的交互和物体的运动，物体间经常可能发生碰撞，此时为了保持环境的真实性，需要及时检测这些碰撞，并计算相应的碰撞反应，更新绘制结果，否则，物体间会出现穿透现象，破获虚拟环境的真实感和用回的沉浸感。12.虚拟现实的应用：a.数字工程 b.专项应用：建筑环境；电力管理；矿产资源；水资源与水环境；大气与海洋；交通模拟与管理；战场模拟；古地理环境重建；E-Life。13.数字地球的技术支撑：信息高速公路，计算机宽带高速网络技术，高分辨率卫星影像，空间信息技术，大容量数据处理与存储技术，科学

5、计算及可视化，虚拟现实技术。14.地形三维显示中的数据类型：矢量型和栅格型两大类。矢量型数据主要包括：等高线矢量数据。 栅格数据主要包括：数字高程模型 DEM，纹理图像数据。15.DEM 数据获取：a.野外实地直接测量得到； b.利用摄影测量方法获取； c.从地形图中采集。 其他获取 DEM 的方法：用航天遥感立体像对获取 DEM；INSAR（干涉合成孔径雷达）获取 DEM；激光扫描测高仪等。三种获取 DEM 数据方法的区别：野外实地直接测量适用于大比例尺、精度要求高、采集面积范围较小，优点是可以获取高精度的 DEM 数据，缺点是劳动强度较大、效率较低，仅适用于小范围面积内作业。利用摄影测量的

6、方法获取数据较快、周期短，但是数据源获取的成本较高、采集作业要求具备专业的仪器设备和训练有素的摄影测量专业技术人员。 采用从地形图上获取 DEM 所需的数据源容易获取，对采集作业所需的仪器设备和作业人员的要求也不太高，采集速度也比较快，易于进行大批量作业，但是它的精度最低。16.DEM 的获取与建立：规则格网，不规则三角形，混合数据模型。( 详细的自己了解)17.地形三维显示的基本过程：a.数据准备；b.DEM 递归细分； c.透视投影变换；d.光照模型；e.消隐和裁剪；f. 图形绘制和存贮；g.三维图形的后处理； h.基于三维地形图的分析。18.DEM 的递归分析原理：首先对 DEM 每一格

7、网进行细分，第 i 次细分后得到 4i 个子格网，每子格网的节点的高程和平面位置有上一级网格结点经双线性内插得到。递归终止的标准是每个子格网在计算机屏幕上的投影面积在 4 个像素之内。递归细分的次数可由程序控制，然后对于每个子格网用两条对角线分为四个三角形，格网中线点的坐标由四周网格结点内插得到。19.投影变换数学模型：如下图，DEM 中任一点 M 在地面坐标系 OTXTYTZT，a 中的坐标为（Xm,Ym，Zm） ，它在投影平面 P 上的像点为 m，则 m 点在投影坐标系 Oxy中的坐标（xm,ym）由下式计算求出：其中：(XT,YT,ZT) 是视点 S 在地面坐标系 O-XYZ 中的坐标；

8、是投影平面与地面坐标系的平面间的夹角； 是地面坐标系的 XT 轴与投影坐标系的 X 轴之间的夹角。之后，考虑到屏幕坐标系的特点和值域，还必须将像点 m 的坐标 (xm,ym)进行平面相似变换，最后变换为屏幕坐标（xc,yc）： 不难看出，上述坐标变换的数学模型具有以下特点：1）该数学模型在理论上是严密的；2）改变视点 S 的位置，就可以在屏幕上绘制出在不同方位观察地面的立体透视图；3）若视点位置不变，只改变参数 ，这意味着代表地形表面的 DEM 数据场绕视点和投影平面 P 旋转不同的角度，也同样可以在屏幕上生成不同视角条件下的立体透视图。20.消隐常见算法：1）画家算法（优先度法） ；2）Zb

9、uffer（深度缓冲器）算法；3）光线跟踪法。21.光照模型：根据光学物理的有关定律计算画面上劲舞表面个点投影到观察着眼中亮度和色彩组成的公式。 cos)(cosin)(sin)( incoicos( SMSMMm SS ZYXyx 00yxyxmyxc 一个好的光照模型应满足：1）能产生较好的立体视觉效果；2）在理论上具有一定的合理性或严密性；3）较小的计算量，以保证较快的绘制速度。22.光照模型要考虑的影响：a.光源的位置；b.光源的强度；c.视点的位置；d.地面的漫反射特性；e.地面对光的反射和吸收特性。23.分形（Fractal）概念：部分与整体以某种形式相似的形称为分形。分 形 集

10、的 五 个 特 征 ： 1） 精 细 的 结 构 ， 具 有 任 意 小 尺 度 下 的 细 节 ； 2） 分 形 集因 不 太 规 则 而 不 能 用 传 统 的 几 何 语 言 来 描 述 ； 3） 某 种 自 相 似 性 ， 可 能 是 近 似 的 自 相似 或 统 计 上 的 自 相 似 ； 4） 其 分 形 维 数 常 大 于 其 拓 扑 维 数 ； 5） 在 多 数 情 况 下 可 递 归 定义 。分 形 维 数 是 描 述 分 形 最 主 要 的 参 量 ， 简 称 分 维 。 它 反 映 了 复 杂 形 体 占 有 空 间 的 有 效性 ， 是 复 杂 形 体 不 规 则 性

11、的 度 量 。 常 用 的 分 形 维 数 有 ： Hausdorff 维 数 ； 盒 维 数 ； 填充 维 数 ； 相 似 维 数 。 24.纹 理 映 射 是 真 实 感 图 像 制 作 的 一 个 重 要 部 分 ， 运 用 它 可 以 方 便 的 制 作 出 极 具 真实 感 的 图 形 而 不 必 花 过 多 时 间 来 考 虑 物 体 的 表 面 细 节 。纹 理 映 射 算 法 的 基 本 思 路 ： 选 择 或 找 到 该 目 标 地 区 的 地 形 纹 理 图 ， 依 据 各 种 图 像间 的 映 射 关 系 ， 从 而 将 纹 理 图 像 按 规 定 的 要 求 贴 在 三

12、 维 地 形 图 表 面 ， 使 所 产 生 的 三 维 地形 图 既 有 立 体 感 更 有 真 实 感 。25.基 于 地 形 要 素 矢 量 数 据 的 三 维 地 形 图 的 绘 制 方 法 ： 1） 纹 理 映 射 法 ； 2） 直 接绘 制 法 。纹 理 映 射 法 流 程 ：直接绘制法流程：26.纹理库的建立实际上是一系列栅格图像的获取和管理，主要包括：a.纹理的分类；b.纹理图像的存放和检索方法；c.纹理图像的压缩；d.纹理图像的处理和相应软件包。纹理库的优点：可以保证地形三维可视化软件系统的广泛适用性和较好的逼真效果，纹理库用以存储和管理各种地貌纹理图像。纹理图像的获取途径：

13、1）从专业摄影图片中获取；2）实地摄影获取纹理图像；3）从航天、航空遥感图像中获取纹理；4）直接以该地区的地形图或者它专题图经扫描得到的数字图像作为纹理图像；5）将该地区的矢量数据与地貌纹理图像复合，生成纹理图像。纹理映射算法中的反混淆处理措施：a.保证纹理图像的较高分辨率；b.纹理图像的预处理；c.重采样。27.遥感影像的优点：强现势性和纹理真实性。28.制作三维地形实景图的基本思路：在获取区域内的地形数据的基础上，在数字化航摄图像上按一定的点位分布要求选取一定数量的明显特征点，量测其象坐标的精度值以及在地面的精确位置，据此按航摄像片的成像原理和有关公式确定纹理图像与相应地面之间的关系，解出

14、变换参数；同时利用生成三维地形图的透视变换原理，确定纹理图像与地形立体图之间的映射关系；接着，DEM 数据递归细分之后的每一地面点可依透视变换参数确定其在遥感图像中的位置，经重采样后获得其影像灰度，最后经透视变换、消隐、灰度转换等处理，将结果显示在计算机屏幕上，生成一副以真实影像纹理构成的三维地形实景图。29.建立数字遥感影像和景物空间的映射关系需要选取遥感图像中具有明显特征的点作为待求的目标点来确定而这之间的关系，常用来在数字影像上目标点高精度的计算方法：重心法，Forstner 定位算子，椭圆中心法，模板匹配法，求直线交点法。30.航摄像片和相应地面间映射关系确定的方法：1）直接线性变换法

15、； 2）空间后方交会法。直接线性变换（DLTDirect Linear Tranformation）：是一种直接描述遥感图象与地面相应坐标之间透视关系的解析表达式，它包含 11 个参数，含有对影像坐标的线性误差改正的作用。具体公式为：其中（x，y）为遥感图像上任一点的象坐标， （X，Y，Z）为该点的地面坐标；L1，L2， L11 为 11 个变换参数。后方交会法：是通过定义遥感图像成像时传感器的内、外部姿态参数来描述这种中心投影关系的，计算公式为：其中（x。 ，y0，-f） 、（ai 、bi、ci ， i=1，2，3。a2、a3 、b3 三个是独立的方向余弦） 、 （Xs，Ys，Zs）为 9

16、个姿态参数。两种方法区别：与 DLT 相比，空间后方交会的变换参数几何意义比较明显，所需的控制点数略少。但在实际迭代解算中，空间后方交会对初始值的准确性要求较高，因此地形三维影像图绘制中在内方位元素未知的情况下，大多数情况下可采用 DLT 算法来求解变换参数。31.灰度重采样（resampling）意即在原重采样的基础上再进行一次采样。也就是说，当欲确定不位于矩阵（采样）点上或图象坐标值不为整数的灰度值时需在一定领域内内插计算。重采样四种方法：1）最临近象元法；2）双线性内插；3）双三次样条函数；4）拉格朗日多项式。32.三维地形航空影像图的绘制过程：1)依递归细分算法，得到子网格和相应的三角形面素；2)依视点、视角等参数，按投影变换公式求其屏幕位置；3) 按直接线性变换法的公式计算纹理图像上的坐标；4)重采样得到灰度值；5) 对灰度值进行简单的光照模型处理； 6)同时进行消隐、裁剪、反混淆等处理；7)三维影像图显示与输出。33.获取三维影像