第一章

虛擬現實技術(jìshù)及應用2015Fall共一百一十五頁共85頁第2頁一、虛擬現實的基本(jīběn)含義虛擬(xūnǐ)系統？虛擬(xūnǐ)技術？什么是虛擬現實？VirtualReality

——虛擬現實靈境技術人工環境VR1989年由美國J.Lanier(VPL)發明出來的一個詞

初期的概念：表達借助計算機及最新傳感器技術創造的一種嶄新的人機交互手段。共一百一十五頁二、虛擬現實系統(xìtǒng)的特征虛擬現實(xūnǐxiànshí)與動畫有何區別？具有3I特征：

沉浸感Immersion

交互性Interaction

想象力Imagination共一百一十五頁特點：計算機產生一種人為虛擬的環境，這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成的三度空間，或是把其它現實環境編制到計算機中去產生逼真的“虛擬環境”，從而使得用戶在視覺上產生一種沉浸于虛擬環境的感覺。

沉浸感又稱為臨場感、存在感。指用戶感到(gǎndào)作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該達到使用戶難以分辨真假的程度。

特征(tèzhēng)1沉浸感（Immersion）共一百一十五頁用戶可以走進這個環境（用鼠標控制瀏覽方向）并操縱場景中的對象；場景中的圖形渲染是“實時(shíshí)”的。這種“實時性”導致了在虛擬場景中的人機“可交互性”。

動畫不是實時且不可交互?。?！

虛擬現實開辟了——人類交流的新領域

為人機交互界面的發展開創了新的研究領域；

為智能工程的應用提供了新的界面工具；

為各類工程的大規模的數據可視化提供了新的描述方法。

特征(tèzhēng)2交互性（Interaction）共一百一十五頁第二章

虛擬現實系統的硬件(yìnɡjiàn)設備趙三元(sānyuán)2015Fall共一百一十五頁VR系統的功能：

創建虛擬世界人與虛擬系統的交互兩種實現：沉浸式實現、非沉浸式實現兩種實現交互方式：

基于自然方式的人機交互基于常規(chángguī)交互設備的人機交互2.1虛擬現實系統(xìtǒng)的硬件組成共一百一十五頁生成設備(shèbèi)的主要功能:

視覺通道信號的生成與顯示（建模與繪制）

聽覺通道信號的生成與顯示（聲音生成與播放）

觸覺與力覺通道信號的生成與顯示（力的建模與反饋）

支持實時人機交互的功能（三維空間定位(dìngwèi)、碰撞檢測、語音識別、人機實時對話。演示共一百一十五頁

2、感知(gǎnzhī)設備

功能:

將VR系統各類感知模型轉變為人能接受的多通道刺激信號的設備(shèbèi)。感知包括：視、聽、觸、嗅、味覺等多種通道。視覺感知設備：立體寬視場圖形顯示器（沉浸式和非沉浸式）；沉浸式頭盔顯示器（HMD）封閉式、透視式吊桿式（Boom）洞穴式(CAVE)四面、五面、六面非沉浸式桌面立體顯示器平面寬屏幕墻式立體顯示器180度環狀響應式工作臺單屏幕RWB雙屏幕RWB共一百一十五頁聽覺感知設備：三維聲音播放設備，有：

耳機式、雙揚聲器組和多揚聲器組三種。通常由專用聲卡將單通道聲源(shēnɡyuán)信號觸覺（力覺）感知設備：觸覺（力覺）反饋裝置。觸覺包含的感知內容：接觸感、質感、紋理感、溫度；力感知設備要求：反饋力的大小和方向（較成熟）。

2、感知(gǎnzhī)設備共一百一十五頁3、跟蹤設備（運動跟蹤的演示---人體及運動）

功能(gōngnéng):跟蹤并監測位置和方位的設備。用于基于自然方式的人機交互操作。目前的先進設備有：動態記錄人體運動的設備。用于體育、動畫、游戲方面4、基于自然方式的人機交互設備數據手套、數據衣、眼球跟蹤器、語音綜合識別裝置。共一百一十五頁1、眼睛是如何觀察(guānchá)目標的人兩眼距離約6-7cm，當觀察一個特定目標時，兩眼在目標處聚焦(jùjiāo)，看到不同的兩個圖像。兩眼視線的夾角隨著目標到眼之間的距離而變化。人眼和大腦根據左右眼圖像的差別判定距離。兩個圖像的差別被稱為“體視”。

因為人兩只眼睛的位置不同，看到的略有不同的圖像在腦中融合(重構)，形成了一個周圍世界的整體景象(計算)，其中包括距離遠近的信息。體視反映了距離信息2.2立體顯示原理共一百一十五頁深度(shēndù)的信息觀察近物時，因為兩只眼睛要看同一處，眼就要向內（向臉的中心線）轉動。物體離臉越近，眼睛的轉動就越多。因此，眼球轉動的多少就提供了深度的信息。眼睛為看清一個物體，要調節晶狀體使得物體的圖像能清晰地聚焦在眼底(yǎndǐ)上，這種調節過程也能提供一些深度的線索。大腦對距離和深度信息的解釋使人對物體有立體的感覺共一百一十五頁2、立體(lìtǐ)感覺因為兩幅圖像存在體視，視網膜對這兩幅不同的視圖進行解釋，大腦通過眼球運動、調整，感知到生理深度暗示，綜合兩幅圖像的信息(xìnxī)，并將其組合成一個立體景象。從而產生立體感。這就是雙目立體視覺的基本原理。共一百一十五頁3、深度（距離）線索(xiànsuǒ)的獲得大腦從四個方面獲得深度（距離）線索：靜態圖像中的深度線索；運動造成的深度線索；生理上的深度線索（眼球(yǎnqiú)轉動次數多少（多-近）立體線索。共一百一十五頁靜態圖像中的深度(shēndù)線索五個方面：明暗、重疊、尺寸、角度、紋理。（測試視網膜的圖像差、紋理梯度、圖像大?。┥疃戎X的獲得(huòdé)（四個方面）圖像中物體的明暗變化以及陰影等重疊：當觀察者看到甲物體的一部分被乙物體遮住，即知乙物體較近。尺寸的大小：同樣的物體，離觀察者越近尺寸越大。投影：利用物體上直線的投影角度來判斷距離（稱為線性透視）紋理：近處的物體的紋理比較清晰。共一百一十五頁運動深度(shēndù)線索當觀察者用一只眼睛看幾個物體時，如果它們之間沒有相互遮擋的話，很難判斷物體的遠近。但當左右移動頭部時，物體的遠近就很容易判斷了：近處的物體在觀察者看來移動得快，而遠處(yuǎnchǔ)的物體則移動得慢一些。共一百一十五頁三、計算機立體圖的產生(chǎnshēng)立體圖產生的基本原理：是通過深度信息的恢復來實現。立體圖產生的方法：對同一場景分別繪制出對應于左右雙眼的不同圖像。他們具有一定的視差，讓觀察者的左右眼接受各自的圖像，從而保存了深度信息。屏幕上的立體感覺：計算機上景物空間的深度信息是通過左右視線的空間交點(jiāodiǎn)感覺到的。計算機中的深度：觀察面與空間交點的距離。共一百一十五頁同時顯示技術：用不同的光波長同時顯示兩幅圖像，使用不同光波長的濾光眼鏡使雙眼只能看到相應的圖像（立體電影），但不適合光柵顯示器；分時顯示技術：以一定的頻率交替(jiāotì)顯示兩幅圖像（30Hz），用戶通過以相同頻率進行切換的立體眼鏡來觀察圖像，該技術通過光柵顯示技術比較容易實現，是目前應用的主流。四、立體顯示(xiǎnshì)方法共一百一十五頁1、紅藍(hónɡlán)視點

利用“雙目視差”原理和立體圖像對，可以通過二維圖像使人類獲得立體視覺的感受。 具體做法：由計算機產生二個不同(bùtónɡ)視點下的二幅透視圖，用戶戴上立體眼鏡（紅藍濾色眼鏡），保證每只眼睛各看一張圖，利用雙目視差，即可獲得有深度感的三維立體虛像。共一百一十五頁視差(shìchā)左眼右眼兩幅圖像互相重疊這是位差的結果如果在顯示屏幕上有這兩幅圖像，圖像中任意兩點（實際物體的一點）的水平(shuǐpíng)距離投射到視網膜上稱為視差，這一視差使雙眼產生體視感覺。共一百一十五頁視差(shìchā)視差(shìchā)是物體的某一點投射到顯示器上的圖像中任意兩點之間的水平距離視差的四種類型：零視差（平面）、正視差（三維）、負視差（漂?。l散視差。兩幅圖像間的距離接近于人的瞳距時產生正視差，視差越大，看上去物體離人就越遠。正視差感覺物體在顯示器里面。負視差感覺物體在屏幕外面（視線交叉）。共一百一十五頁頭盔(tóukuī)顯示器的特點：沉浸感：和液晶眼鏡相比，頭盔顯示器所產生的沉浸感要好得多，視野寬，圖像清晰。視覺(shìjué)定位：沉浸感可以被定義為我們身臨其境的感覺。這種感覺不僅僅是視覺的唯一作用，然而大多數是視覺定位的。共一百一十五頁第三章基于圖形(túxíng)的實時繪制共一百一十五頁2025/1/6253.1概述(ɡàishù)一、計算機圖形(túxíng)技術在VR中的作用

計算機圖形技術是虛擬現實系統的重要理論基礎之一，它可以將構想轉化為用戶能觀察的視覺圖像。虛擬現實系統正需要這種轉化功能。在虛擬現實系統的各種反饋信息中，視覺反饋是最重要的一種，復雜虛擬場景的實時動態顯示是實現虛擬現實的最重要基礎。圖形學是基礎，虛擬現實是基于這個基礎的應用技術。共一百一十五頁2025/1/6263.1概述(ɡàishù)三、圖形學所涉及(shèjí)的算法真實感虛擬物體與場景的生成、表示與渲染所涉及的算法非常豐富，常用的有：

基于圖形的生成算法幾何造型算法三維變換算法三維觀察算法光照模型與渲染算法紋理映射算法共一百一十五頁2025/1/6273.1概述(ɡàishù)圖形研究矢量圖：幾何輪廓，線條粗細等數學參數(cānshù)及色彩圖像研究點陣圖：由像素組成的圖圖形文件處理軟件：AutoCAD、Illustrator、CorelDrawetc.圖像處理軟件：Photoshop、paintbrush、etc.圖形學與圖像學研究內容的區別：共一百一十五頁2025/1/6283.1概述(ɡàishù)四、真實感圖形的基本繪制(huìzhì)流程虛擬場景造型取景變換視域裁剪可見面光柵化可見性計算（消隱）光亮度計算共一百一十五頁3.2三維造型(zàoxíng)技術2025/1/6共78頁第29頁1、幾何造型方法多面體造型：用一組包圍物體表面的多邊形來描述三維物體的方式。優點：由于所有表面以線性方程形式描述，便于簡化和加速繪制。曲面造型：用平面或曲面表示物體的形狀(xíngzhuàn)信息，優點：精確，在功能和性能上都有較大的優勢，但不便于表示。幾乎所有的三維造型軟件（3DSMax、Maya、AutoCAD等）都提供多面體造型和NURBs(曲線曲面的非均勻有理B樣條)曲面造型功能。共一百一十五頁3.2三維造型(zàoxíng)技術2025/1/6共78頁第30頁2、造型工具(gōngjù)

VRML（語言）

OpenGL（語言）

3DMax（軟件）

Multigen（軟件）共一百一十五頁3.2三維造型(zàoxíng)技術2025/1/631OpenGL的工作(gōngzuò)流程：建模計算光照光柵化屏幕設置視點演示飛機模型實例共一百一十五頁3.3三維觀察(guānchá)2025/1/6共78頁第32頁一、概念(gàiniàn)

在三維空間生成一張視圖類似于對物體拍照?？梢砸匀我饩嚯x任意角度拍攝，取景器上出現的景物都被投影到膠片上。相機鏡頭的類型和大小決定了投影到膠片中的景物。

三維圖形包采用了這種方法，給定任意空間位置、方向和所取景物的范圍，就可生成景物的視圖。問題：三維模型如何放到場景中？又如何把場景中的三維信息落實到屏幕上？

共一百一十五頁3.3三維觀察(guānchá)2025/1/6共78頁第33頁1、坐標系場景坐標系：

場景中物體(wùtǐ)造型所取的坐標系。觀察坐標系：在視點位置（攝像機位置）建立的坐標系。屏幕坐標系：

二維觀察平面坐標系。共一百一十五頁3.3三維觀察(guānchá)2025/1/6共78頁第34頁2、取景變換(biànhuàn)

將幾何對象的空間三維坐標轉換到屏幕上的像素位置，所進行的一系列的坐標變換，統稱為取景變換。屏幕上所顯示的畫面只是在給定視點和視線方向下，三維景物在垂直于視線的二維屏幕上的投影。幾何對象的三維坐標屏幕上的象素坐標取景變換坐標變換共一百一十五頁二、場景(chǎngjǐng)坐標系的設定2025/1/635

虛擬環境中的三維物體造型必須考慮其動態特性，即反映虛擬場景位置的變化。所以，需要確定一個實際(shíjì)的虛擬現實系統中所有三維物體的相對位置和絕對位置---場景坐標系，即物體在場景中造型所取的坐標系。共一百一十五頁1、場景(chǎngjǐng)坐標系的定義2025/1/636局部(júbù)坐標系（對象坐標系）世界坐標系（固定坐標系）局部坐標系：和造型物體捆綁的坐標系，隨物體一起移動，表示物體的絕對坐標。該坐標在物體上或物體附近建立，使物體表示和運動描述方便靈活。世界坐標系：物體的絕對坐標是相對于一個固定坐標系而言的，這個固定坐標系稱為世界坐標系。用于將物體放入場景中，確定他們之間的相對位置，其過程是進行局部坐標系向場景的世界坐標系轉換。共一百一十五頁場景(chǎngjǐng)坐標系示意2025/1/637ow世界坐標系iwkwjwi1k1j1o1對象1i2k2j2對象2o2p1p2局部(júbù)坐標系或對象坐標系i1k1j1o1對象1共一百一十五頁對象的相對位置(wèizhi)和絕對位置(wèizhi)2025/1/6共78頁第38頁——給每個對象(duìxiàng)“捆綁”一個坐標系。

對象坐標系：捆綁的坐標系與對象一起移動。因而，在對象坐標系中對象頂點的位置和方向保持不變。

實際上，對象坐標系在三維對象建立時就必須指定，這是方便繪制三維對象的需要。共一百一十五頁三、觀察(guānchá)坐標系2025/1/6共78頁第39頁（視點(shìdiǎn)坐標系或對齊坐標系）1、建立觀察坐標系目的：指定觀察平面圖形學中的概念：在照相機鏡頭位置（視點位置）建立一個觀察坐標系，然后建立垂直于觀察z軸的觀察平面（投影平面）。把觀察平面看成是對景物一次拍攝中使用的膠片平面。將景物從世界坐標系中變換到觀察坐標系，然后把觀察坐標投影到觀察平面上。共一百一十五頁建立(jiànlì)觀察坐標系2025/1/6共78頁第40頁

選一個世界坐標點為觀察參考點，該點是視點坐標系的原點。然后確定觀察坐標系x、y、z各軸的方向，之前要首先(shǒuxiān)確定觀察平面的方向。目標視點

ywzwxw世界坐標系zvxvyv

觀察坐標系共一百一十五頁2、從世界坐標系到觀察(guānchá)坐標系的變換2025/1/641

過程：等價(děngjià)于對觀察坐標系做平移和旋轉運算。平移觀察參考點到世界坐標系的原點進行旋轉，分別讓x、y、z與世界坐標系的x、y、z軸。共一百一十五頁四.

投影(tóuyǐng)--屏幕坐標系2025/1/6共78頁第42頁景物中的物體由世界坐標描述為觀察坐標后,就可將三維物體投影(tóuyǐng)到二維屏幕上。

方法:平行與透視。三維對象在屏幕上某一投影點的坐標由該點在觀察坐標系中的坐標經過與設備有關的變換來求得。平行投影

投影中心點透視投影

投影中心點透視投影

共一百一十五頁三維取景(qǔjǐng)變換流程2025/1/6共78頁第43頁觀察(guānchá)坐標

模型坐標

模型變換

世界坐標

觀察變換投影變換

投影坐標

設備變換設備坐標共一百一十五頁場景局部視點屏幕對物體的組成部件進行造型和放置局部坐標系場景坐標系指定物體的表面屬性和光照屬性背面剔除視域四棱錐裁剪觀察坐標系指定視點的位置和視線方向指定屏幕的有關參數，進行透視變換屏幕坐標系繪制：隱藏面消除，光柵化，光亮度計算

取景變換(biànhuàn)任務共一百一十五頁五、背面(bèimiàn)剔除2025/1/6共78頁第45頁剔除背向(bèixiànɡ)視點的多邊形共一百一十五頁六、視域四棱錐(léngzhuī)裁剪2025/1/6共78頁第46頁在觀察坐標系中，一個物體與視域四棱錐的關系有以下三種(sānzhǒnɡ)類型：

投影物體視點視域四棱錐1、物體完全位于視域四棱錐之外，無須轉換為屏幕坐標；2、物體完全位于視域四棱錐之內，轉換為屏幕坐標系并進行繪制；3、物體與視域四棱錐相交，須先裁剪，只對錐內的部分進行轉換和繪制?；谝朁c的裁剪算法

共一百一十五頁七、光柵(guāngshān)化2025/1/6共78頁第47頁光柵化是對屏幕上一片連續的區域進行離散采樣的過程。（即計算一場景多邊形在屏幕上的投影位置，確定(quèdìng)該投影區域覆蓋了那些象素。）

問題：多邊形邊界在屏幕上的投影將它穿越的象素劃分為兩部分（多邊形內、外），要合理判定這些象素的歸屬，否則導致畫面走樣（相鄰邊界出現空洞、邊界呈齒狀、邊界閃爍等）。象素分割

解決方法：取象素中心為采樣點。共一百一十五頁光柵(guāngshān)化方法2025/1/6共78頁第48頁

光柵化的最常用方法：掃描線算法

當前掃描線和多邊形在屏幕上的投影(tóuyǐng)區域相交，則位于相交區段內整數網格點上的所有象素均為光柵化的結果。共一百一十五頁2025/1/6共頁第49頁景物(jǐngwù)上可能出現的三種光：反射光透射光環境光3.4光照模型(móxíng)與虛擬光照

物體表面反射光和透射光的性質：

光譜分布決定了景物表面呈現的顏色

強弱決定了景物表面明暗程度。反射光和透射光取決于入射光的強弱、光譜組成、不同波長光的吸收程度。產生視覺效果不透明物體白光不透明物體藍光共一百一十五頁2025/1/6共頁第50頁3.4光照模型(móxíng)與虛擬光照在計算機圖形學中，采用(cǎiyòng)光照模型來計算景物表面上任一點投向觀察者眼中的光亮度的大小和色彩的組成。光照模型：局部光照模型（目前常采用）

全局光照模型共一百一十五頁2025/1/6共頁第51頁3.4光照模型(móxíng)與虛擬光照Phong光照模型（鏡面反射模型）

在鏡面反射主方向最強，四周逐漸減弱

只有在一定方向上才能看到最強光。能表現(biǎoxiàn)物體遮擋形成的陰影共一百一十五頁2025/1/652Phong鏡面反射模型(móxíng)1973年，Phong提出一個用來計算表面鏡面反射光亮度的經驗模型：同Lambert漫反射模型結合，可得到在單一光源(guāngyuán)照射下的Phong光照明模型。特點：只考慮景物表面的漫反射和鏡面反射光的計算。泛光強度泛光系數漫反射率鏡面反射率光源亮度照射點P共一百一十五頁2025/1/6共頁第53頁3.4光照(guāngzhào)模型與虛擬光照(guāngzhào)Phong鏡面反射模型(móxíng)L關于N的鏡面反射方向的單位向量照射點的方向P指向光源方向的單位向量共一百一十五頁2025/1/6543.5實時圖形(túxíng)繪制技術實時圖形(túxíng)繪制技術是虛擬現實系統的核心組成部分。虛擬現實的靈魂就是實時。目前的真實感圖形(túxíng)繪制技術難以達到實時繪制的要求，因此，往往通過犧牲圖形(túxíng)的真實感和質量來達到實時繪制的目的或利用并行、分布式技術來加速繪制進程。共一百一十五頁2025/1/6553.5圖形的實時繪制(huìzhì)技術

真實感圖形的繪制速度遠不能滿足動態仿真、實時交互、科學計算可視化對圖形的實時繪制要求。目前，實時圖形繪制算法主要(zhǔyào)圍繞以下三個方面：實時消隱技術場景簡化技術基于圖像的繪制技術共一百一十五頁2025/1/656一、實時(shíshí)消隱技術1、消隱的基本概念---可見(kějiàn)性判斷3.5實時圖形繪制技術問題：給定視點和視線方向，場景中有些物體的表面是可見的，而有些物體的表面被遮擋而不可見。視點和視線方向共一百一十五頁2025/1/6573.5實時(shíshí)圖形繪制技術消隱的目的(mùdì)：將場景的所有隱藏面消除。消隱的方法：確定當前畫面中的可見面，用盡可能少的計算量識別和拒絕不可見面。共一百一十五頁2025/1/6583.5實時圖形繪制(huìzhì)技術實用的消隱算法：z緩存器算法可見性預計算技術(jìshù)景物空間消隱算法（Weiler-Atherton）掃描線算法（圖像空間）Warnock算法共一百一十五頁2025/1/6共頁第59頁3.5實時(shíshí)圖形繪制技術

消隱用于繪制過程。通過裁剪得到的物體，(在視域錐內的物體),還存在著很多復雜的可見面（可能還需要渲染上千萬，上億個的三角片），有效地屏蔽掉其中被遮擋的物體，將極大地提高系統渲染的效率，這就是消隱算法所要解決問題的關鍵(guānjiàn)和難點所在。共一百一十五頁2025/1/6共頁第60頁3.5實時圖形(túxíng)繪制技術實用消隱算法(suànfǎ)（按實現方式分）

物體空間消隱算法直接在景物空間（觀察坐標系）中確定視點不可見的區域，并將他們表達成同原表面一致的數據結構.

圖象空間消隱算法以屏幕象素為采樣單位，確定投影于每一象素的可見景物表面區域，并將其顏色作為該象素的顯示光亮度。共一百一十五頁2025/1/6共頁第61頁3.5實時圖形(túxíng)繪制技術共同問題：所有消隱算法(suànfǎ)都涉及各景物表面離視點遠近的排序。所以消隱算法即排序算法，算法的效率取決于排序的效率。遠的面易擋近的面視點共一百一十五頁2015Fall第四章

虛擬環境建模技術(jìshù)62共一百一十五頁建模的作用(zuòyòng)：對虛擬對象與虛擬場景施加：各種物理特征各種運動約束(yuēshù)各種音頻特征各種交互特征63共一百一十五頁VR建模周期(zhōuqī)幾何建模音頻建模交互映射VR創作工具物理建模運動建模模型分割實時交互仿真行為建模VR建模周期(zhōuqī)64共一百一十五頁建模類型(lèixíng)：幾何建模（造型）物理建模（材料、表面屬性）運動建模（平移、縮放、碰撞）行為(xíngwéi)建模（獨立于輸入的行為(xíngwéi)）音頻建模交互映射虛擬環境建模的概念基礎和過程65共一百一十五頁4.1幾何(jǐhé)建模幾何建模的任務：

描述虛擬環境的三維造型：多邊形、三角形、頂點

描述虛擬環境的外觀：紋理(wénlǐ)、表面反射系數、顏色66共一百一十五頁一、三維造型方法(fāngfǎ)（視覺模型）基于線框幾何造型（WireframeMode）(CAD最初采用的造型幾何模型)是以圖形元素為描述對象，如線段、圓弧等簡單曲線。缺點：不能做消隱、著色、特征處理等。

基于面的幾何造型(SurfaceMode)包括多邊形和曲面（NURBs曲線曲面的非均勻有理B樣條)采用光滑的曲面來描繪物體。由于簡單的圖元不能滿足(mǎnzú)：

對于物理信息的表示，如表面積、體積、重心等；

不能將物體作為一個整體考察它與其他物體的相交性。實體幾何造型(SolidMode)將基本的實體（立方體、圓柱體、圓錐體等）作簡單的布爾運算（有或無）。但是事先要按一定順序建立好大小和位置合適的基本實體，不能靈活的改變。67共一百一十五頁一、三維造型(zàoxíng)方法參數式系統與變參式系統參數式系統參數的順序是固定的，參數的數值可以改變，適合設計過程比較明確(míngquè)的工作。變參式系統將幾何中的約束條件和工程條件聯系起來，通過解聯立方程組。

目前的建模工具是同時采用以上多種方法。其中在基于面的方式中，多邊形造型簡單且易于實現，曲面造型在功能和性能上都有較大的優勢。所以曲面造型廣泛應用。68共一百一十五頁二、造型(zàoxíng)工具

采用三維建模軟件手工繪制三維模型。常用建模軟件：

3DSMax、Maya、AutoCAD、Creator

從商業數據庫（ViewportCatalog）中購買(gòumǎi)（三種細節度）

使用特殊的硬件或軟件實現自動建模

3-D數字化儀

通過探針在物體表面的運動得到物體表面的三維模型

激光掃描技術通過激光束在物體表面的掃描得到物體的三維模型獲得三維模型的途徑：69共一百一十五頁作業1紅藍(hónɡlán)雙視點共一百一十五頁紅藍視點(shìdiǎn)程序設計結構1、定義物體或著形狀的坐標2、繪制藍色或者紅色物體3、將物體位置旋轉并重新(chóngxīn)繪制4、注冊空閑回調，不停繪制變換角度的物體共一百一十五頁OpengGL的基本概念1、頂點（Vertex）代表三維空間中的一個點并用來建造更復雜的物體。多邊形就是由點構成，而物體是由多個多邊形組成。glVertex*()函數用于指定頂點。2、坐標（coordinate）默認情況下，以屏幕中心為坐標軸原點。原點左方x為負值，右邊為正值。原點上方y為正，原點下方為負。垂直屏幕向外為z正，垂直屏幕向里為z負。3、多邊形（三角形）多邊形是由點和邊構成的單閉合環。繪制多邊形時需要特別注意頂點的繪制順序，可以分為順時針和逆時針。因為方向決定了多邊形的朝向，即正面和背面。避免渲染那些被遮擋(zhēdǎng)的部分可以了有效提高程序性能。默認以逆時針次序繪制頂點的構成的面是正面。共一百一十五頁OpengGL的基本概念4、視圖與投影我們生活在一個三維的世界——如果要觀察一個物體，我們可以：

1、從不同的位置去觀察它。（視圖變換）

2、移動或者旋轉它，當然了，如果它只是計算機里面的物體，我們還

可以放大或縮小它。（模型變換）

3、如果把物體畫下來(xiàlái)，我們可以選擇：是否需要一種“近大遠小”的

透視效果。另外，我們可能只希望看到物體的一部分，而不是全部（剪

裁）。（投影變換）

4、我們可能希望把整個看到的圖形畫下來，但它只占據紙張的一部分

，而不是全部。（視口變換）

這些，都可以在OpenGL中實現。共一百一十五頁作業(zuòyè)2

OpenGL+GLSL使用opengl+glsl讀入一個3d模型，在展示界面(jièmiàn)上可繪制出該三維模型的：點云、網格、進行色彩渲染的3d模型，帶有光照渲染的3d模型，可用鼠標實現從不同角度對三維模型的查看。共一百一十五頁OpenGL簡介(jiǎnjiè)OpenGL（OpenGraphicsLibrary）是個定義了一個跨編程語言、跨平臺的編程接口規格的專業的圖形程序接口。它用于二維以及三維圖像，是一個功能強大，調用(diàoyòng)方便的底層圖形庫。OpenGL提供的功能：建模；變換；顏色模式設置；光照和材質設置；紋理映射；位圖顯示和圖象增強圖象功能除了基本的拷貝和像素讀寫外，還提供融合、抗鋸齒（反走樣）霧的特殊圖象效果處理。雙緩存動畫共一百一十五頁GLSL簡介(jiǎnjiè)OpenGL著色(zhuósè)語言（OpenGLShadingLanguage）是用來在OpenGL中著色編程的語言，也即開發人員寫的短小的自定義程序，他們是在圖形卡的GPU上執行的，代替了固定的渲染管線的一部分，使渲染管線中不同層次具有可編程型。比如：視圖轉換、投影轉換等。GLSL（GLShadingLanguage）的著色器代碼分成2個部分：VertexShader（頂點著色器）和FragmentShader（片斷著色器）。共一百一十五頁作業(zuòyè)3

CUDA并行計算共一百一十五頁基礎知識CUDAGPGPU優點(yōudiǎn)顯示芯片通常(tōngcháng)具有更大的內存帶寬。顯示芯片具有更大量的執行單元。和高階CPU相比，顯卡的價格較為低廉。CUDA架構CUDA是NVIDIA的GPGPU模型，它使用C語言為基礎，可以直接以大多數人熟悉的C語言，寫出在顯示芯片上執行的程序，而不需要去學習特定的顯示芯片的指令或是特殊的結構在CUDA架構下，顯示芯片執行時的最小單位是thread。數個thread可以組成一個block。一個block中的thread能存取同一塊共享的內存，而且可以快速進行同步的動作。共一百一十五頁開發(kāifā)思路CPU串行程序(chéngxù)分析

GPU數組設計、并行模型設計GPU數組設計：設計GPU數組大小、類型、維度等信息；設計CPU與GPU之間的數組通信方式；并行模型設計：block和grid的設計滿足算法的數據特點。CUDA并行程序優化版本根據時間的測試結果確定熱點函數，作為后面移植的重點代碼模塊。需要分析熱點部分的算法、數據特點，根據算法和數據的特點分析其是否可以并行。對于需要運行上GPU平臺上的代碼內的數據進行分析并進行設計。CPU與GPU通信優化存儲器訪問優化包括：全局存儲器合并訪問，利用共享存儲器指令流優化是指利用高效的指令代替低效的指令共一百一十五頁作業(zuòyè)4

基于PhysXAPI編程共一百一十五頁PhysXNVIDIAPhysX是一種功能強大的物理學引擎，可在頂級PC和游戲中實現實時的物理學計算。索尼的Playstation3、微軟的Xbox360、任天堂的Wii以及個人計算機均支持PhysX。PhysX為強大的并行處理器執行硬件加速而進行了優化。其特色如下：爆炸引起的煙塵和隨之產生的碎片復雜、連貫的幾何學計算使人物的動作和互動更加(gènjiā)逼真其視覺效果令人嘆為觀止的全新武器布紋的編織和撕裂效果非常自然運動物體周圍煙霧翻騰共一百一十五頁PhysX術語及它們(tāmen)之間的聯系1.Scene場景：就像演員表演都需要一個舞臺一樣，PhysX的所有物理運動都在這個scene中進行。2.Actor角色：在場景中,所有參與運算的實體都是一個角色，描述物體的質量、密度、位置等屬性。3.Body剛體：用來記錄物體之間世界交互的各種系數,如速度,阻尼等.4.Shape形狀：描述和表達某一角色的外形,PhysX中提供4種基本形狀，盒子(hézi)，球，膠囊以及平面。共一百一十五頁作業(zuòyè)五

作業要求：使用unity3D自制一款3D小游戲(yóuxì)，要求人物在場景中可漫游行走，視點根據人物行走而改變，游戲(yóuxì)具有碰撞檢測功能。共一百一十五頁制作(zhìzuò)步驟場景搭建：制作場景素材，可使用Unity自帶的資源(zīyuán)包創建角色：第一人稱控制器碰撞檢測：Box

Collider，Capsule

Collider等添加腳本使用GUI腳本來制作游戲的載入界面和菜單發布游戲共一百一十五頁在unity3d中，能檢測碰撞發生的方式有兩種，一種是利用碰撞器，另一種則是利用觸發器。這兩種方式的應用非常廣泛。

碰撞體是物理組件的一類，它要與剛體一起添加(tiānjiā)到游戲對象上才能觸發碰撞。如果兩個剛體相互撞在一起，除非兩個對象有碰撞體時物理引擎才會計算碰撞，在物理模擬中，沒有碰撞體的剛體會彼此相互穿過。碰撞器包含了很多種類，比如：Box

Collider，Capsule

Collider等，這些碰撞器應用的場合不同，但都必須加到GameObjecet身上。所謂觸發器，只需要在檢視面板中的碰撞器組件中勾選IsTrigger屬性選擇框。

碰撞檢測共一百一十五頁作業(zuòyè)6OSG場景漫游共一百一十五頁OSG簡介(jiǎnjiè)osgEarth：全球GIS系統繪制插件osgOcean：海洋繪制插件，原理為快速傅里葉變換(biànhuàn)VPB：地形繪制插件，支持LODGdal：數據格式轉換插件實時性高三維：Unity3D,Ogre，UnrealEngine，VE,CE二維：Cocos2d-x…三維常用渲染引擎高效率常用插件共一百一十五頁OSG場景(chǎngjǐng)搭建Group（root）GroupSwitchMatrixTransformNodeNode視景器Viewer：OSG場景的基本管理節點?？梢哉{用setSceneData()方法(fāngfǎ)設置場景樹根節點，setCameraManipulator()設置漫游器，addEventHandler()設置事件監聽器。組節點Group：場景樹中的節點，繼承自node?？梢允褂胊ddchild方法繼續向下掛載節點。節點node：場景樹的節點基類?？梢允褂胦sgDB名字空間下的readNodeFile()讀取模型文件至該節點中。開關節點Switch：場景樹中的節點，繼承自group?？梢栽O置開關狀態控制子樹是否顯示。變換節點MatrixTransform：可以控制子樹的位置、旋轉、大小狀態參數。OSG場景樹示例：共一百一十五頁OSG場景(chǎngjǐng)搭建NodeStatusEventHandlerUpdateHandler對每一個節點都可以設置事件監聽器，更新監聽器，渲染狀態集等等屬性。事件監聽器EventHandler：類名GUIEventHandler，繼承并重寫其handle方法，可以監聽鼠標與鍵盤等基礎輸入(shūrù)設備的輸入(shūrù)事件并編寫響應邏輯。更新監聽器UpdateHandler：類名NodeCallback，繼承并重寫其handle方法。方法中的代碼將在每一幀進行回調，用此方法可以實現實體動畫。渲染狀態集StateSet：類名StateSet，使用其setAttribute函數可以設置相應節點的紋理貼圖、光照等等屬性。共一百一十五頁OSG漫游(mànyóu)器OSG中所有實體都有位置、旋轉(xuánzhuǎn)角度、縮放大小共3組9個狀態參數。PositonX，PositonY，PositonZ;rotationX,rotationY,rotationZ;ScaleX,ScaleY,ScaleZ。為了連乘方便，OSG將9個狀態參數組織成一個4*4的矩陣視點矩陣：碰撞檢測：使用探測器即一條射線，設置入迭代器visitor，檢測是否與場景中的節點相交，結果存儲于intersection類中。高程檢測：獲取地形對象terrain，并取其高程圖層elevationLayer，獲取視點所在位置的高程值，使視點隨移動而上下起伏。漫游器算法：共一百一十五頁作業(zuòyè)7OSG實現粒子系統共一百一十五頁OSG實現(shíxiàn)粒子系統根節點ModularEmitter標準放射極Placer放置器Counter計數器ModularProgram標準編程器ParticleSystem粒子系統Shooter發射器Particle粒子(lìzǐ)ParticleSystemUpdater粒子系統更新器Geode葉節點共一百一十五頁OSG實現(shíxiàn)粒子系統共一百一十五頁分布式虛擬(xūnǐ)仿真——分布式仿真(fǎnɡzhēn)協議HLA概述共一百一十五頁分布式虛擬(xūnǐ)仿真分布式仿真是近年來發展起來的一種先進仿真技術，是一種基于計算機網絡的仿真，多用于軍事領域，可以支持作戰人員訓練、戰術演練和武器裝備論證等。它將地理上分布的訓練模擬器和參訓人員合成為一個邏輯上的整體，在逼真的視景和操作模擬環境(huánjìng)中，進行人機交互度很高的仿真實驗和演練。共一百一十五頁HLA協議(xiéyì)1995年美國國防部發布了針對建模與仿真領域的通用技術框架，該框架由任務空間概念模型(CMMS）、高層體系結構HLA和一系列的數據標準三部分(bùfen)組成，其中高層體系結構是通用框架的核心內容。共一百一十五頁HLA協議(xiéyì)HLA的基本思想就是采用面向對象的方法來設計、開發和實現仿真系統的對象模型OM(ObjectModel)，以獲得仿真聯邦的高層次的交互操作和重用。HLA作為一個開放的、支持面向對象的體系結構，HLA最顯著的特點就是通過提供通用的、相對獨立的支撐服務程序(RTI)，將應用層同底層支撐環境分離，即將仿真功能實現、仿真運行管理和底層通信傳輸三者分開(fēnkāi)，使仿真工作者只要集中于仿真功能的開發，而不必再涉及有關網絡通信和仿真管理等方面的實現細節。共一百一十五頁HLA協議(xiéyì)

HLA基本概念在HLA中，將用于實現某一特定(tèdìng)仿真目的的分布仿真系統稱為聯邦(Federation)。它是由若干相互交互的仿真對象模型SOM(SimulationObjectModel)、一個共同的聯邦對象模型FOM(FederationObjectModel)和運行支撐框架RTI(RuntimeInfrastructure)構成的集合。前兩者統稱對象模型模板OMT(ObjectModelTemplet)。共一百一十五頁HLA協議(xiéyì)

HLA基本概念參與(cānyù)聯邦的所有應用都稱為聯邦成員，簡稱成員。整個仿真過程稱為聯邦執行(FederationExecution)。RTI是一種通用的分布仿真支撐軟件，用于集成各種分布的聯邦成員，在聯邦運行時提供具有標準接口的服務。共一百一十五頁HLA協議(xiéyì)HLA由三部分組成:框架和規則(guīzé)對象