《前沿技术讲座》课程论文-虚拟现实技术29.docx

学 号：201240450137前沿技术讲座课程论文论文题目虚拟现实技术浅谈姓 名包先跃专 业软件工程班 级2012级（1）班指导教师蒋平计算机学院2015年5月26日目录一、相关研究31虚拟现实技术概述32. 虚拟现实技术的特性33.虚拟现实系统的相关技术93.1环境建模技术93.2几何建模技术103.3物理建模技术113.4行为建模技术123.5真实感实时绘制技术123.6立体显示技术144.虚拟现实技术的实验成果15二、技术方法介绍18三、实验结果或数据分析191.形状建模：192. 外观223. 纹理映射234. 光照25四、课程总结28一、相关研究（此处填写相关论文题目已有的研究现状、技术方法和相关成果）1虚拟现实技术概述虚拟现实技术（简称VR），又称“灵境技术”、“虚拟环境”等。虚拟现实的含义即这个世界或环境是虚拟的，不是真实的，是由计算机生成的，存在于计算机内部的世界；“现实”的含义是真实的世界或现实的环境，把两者合并起来就称为虚拟现实，也就是说采用计算机等设备，并通过各种技术手段创建出一个新的环境，让人感觉到就如同处在真实的客观世界一样。虚拟现实技术的应用前景十分广阔。它始于军事和航空航天领域的需求，但近年来，虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。它正在改变着我们的生活。2. 虚拟现实技术的特性1. 沉浸性沉浸性（Immersion）又称浸入性，是指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界之中一样，被虚拟世界所包围。虚拟现实技术的主要特征就是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由被动的观察者变成主动的参与者，沉浸与虚拟世界之中，参与虚拟世界的各种活动。比较理想的虚拟世界可以达到使用户难以分辨真假程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的效果。虚拟现实的沉浸性来源于对虚拟世界的多感知性，所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知、听觉感知之外，还有力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知、身体感知等。从理论上来说，虚拟现实系统应该具有一切人在现实生活中所具有的所有感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实系统中，研究与应用中较为成熟或相对成熟的主要是视觉沉浸、听觉沉浸、触觉沉浸、嗅觉沉浸，有关味觉等其它的感知技术正在研究之中，不是很成熟。2. 交互性在虚拟现实系统中，交互性（Interactivity）的实现与传统的多媒体技术有所不同。从计算机发明到现在，在传统的多媒体技术中，人机之间的交互工具主要是通过键盘与鼠标进行交互，而虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间要以自然的方式进行，如人的走动、头的转动、手的移动等，通过这些，用户与虚拟世界交互，并且借助于虚拟系统中特殊的硬件设备（如数据手套，力反馈设备等），以自然的方式，与虚拟世界进行交互，实时产生在真实世界中一样的感知。例如，用户可以用手直接抓取虚拟世界中的物体，这时手有触摸感，并可以感觉物体的重量，能区分所拿的东西，并且场景中被抓的物体也立刻随着手的运动而移动。 虚拟现实技术的交互性具有以下特点：1) 拟环境中人的参与与反馈虚拟现实系统中人是一个重要的因素，这是产生一切变化的前提，正是因为有了人的参与和反馈，才会有虚拟环境中实时交互的各种要求与变化。虚2) 人机交互的有效性 人与虚拟现实系统之间的交互是基于真实感情的虚拟世界，并与人进行自然的交互，人机交互的有效性是指虚拟场景的真实感，真实感是前提和基础。3) 人机交互的实时性实时性是指虚拟现实系统能够快速响应用户的输入。例如头的转动后能立即在所显示的场景中产生相应的变化，并且能得到相应的其它反馈；用手移动虚拟世界的一个物体，物体位置会立即发生相应的变化。没有人机交互的实时性，虚拟环境就失去看真实感。3. 想象性想象性（Imagination）指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。所以说虚拟现实技术不仅仅是一种媒体或一种高级用户接口，它同时还是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件，通常它以夸大的形式反映设计者的思想，虚拟现实系统开发是虚拟现实技术与设计者并行操作，为发挥它们的创造性而设计的。例如当你在设计一座大楼之前，传统的方法是绘制建筑设计图纸，无法形象展示建筑物更多的信息，而现在可以采用虚拟现实系统来进行设计与仿真，非常形象直观。制作的虚拟现实作品反映的就是某个设计者的思想，只不过它的功能远比那些呆板的图纸生动强大的多。这就是虚拟现实的想象性的特性2.国外虚拟现实技术研究现状 2.1VR技术在美国的研究现状 美国是虚拟现实技术研究的发源地，虚拟现实技术可以追溯到上世纪40年代。最初的研究应用主要集中在美国军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练。然而，随着冷战后美国军费的削减，这些技术逐步转为民用，目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。 上世纪80年代，美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，美国宇航局Ames实验室致力于一个叫“虚拟行星探索”(VPE)的实验计划。现NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学的计算机系是进行VR研究最早最着名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。施乐公司研究中心在VR领域主要从事利用VRT建立未来办公室的研究，并努力设计一项基于VR使得数据存取更容易的窗口系统。波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计，利用所开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真实环境之上，把虚拟的模板显示在正在加工的工件上，工人根据此模板控制待加工尺寸，从而简化加工过程。 2.2VR技术在欧洲的研究现状 在欧洲，英国在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈)设计和应用研究方面。在欧洲来说是领先的。英国Bristol公司发现，VR应用的交点应集中在整体综合技术上，他们在软件和硬件的某些领域处于领先地位。英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验，主要包括VR重构问题。他们的产品还包括建筑和科学可视化计算。 瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境，是一个基于Unix的，不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。 荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室(TNO- PEL)开发的训练和模拟系统，通过改进人机界面来改善现有模拟系统，以使用户完全介入模拟环境。 德国在VR的应用方面取得了出乎意料的成果。在改造传统产业方面，一是用于产品设计、降低成本，避免新产品开发的风险；二是产品演示，吸引客户争取定单；三是用于培训，在新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平。 2.3VR技术在日本的研究现状 在东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面，称为SpmAR NEC公司开发了一种虚拟现实系统，用代用手来处理CAD中的三维形体模型。通过数据手套把对模型的处理与操作者的手联系起来；日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用x、Y记录器的受力反馈装置；东京大学的高级科学研究中心的研究重点主要集中在远程控制方面，他们最近的研究项目是可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂的主从系统；东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。他们正在开发一种虚拟全息系统，用于克服当前显示和交互作用技术的局限性；日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果放到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。 3国内虚拟现实技术研究现状 在我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离，随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视，引起我国各界人士的兴趣和关注，研究与应用VR，建立虚拟环境!虚拟场景模型分布式VR系统的开发正朝着深度和广度发展。国家科委国防科工委部已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目，国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果。 北京航空航天大学计算机系也是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，其虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等，并在以下方面取得进展：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法。 清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，采用了QuickTime技术，实现大全景VR制；浙江大学CADCG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。 3.虚拟现实系统的相关技术3.1环境建模技术在虚拟现实系统中，虚拟环境是虚拟现实的基础，所以虚拟环境的建立首先要建模，然后再在其基础之上进行实时绘制、立体显示，形成一个虚拟的世界。但虚拟环境的建模技术与其它一般图形建模技术不同，主要表现在：虚拟环境中往往需要很多物体，所以需要建造大量完全不同类型的物体模型；虚拟环境中的物体有些有自己的行为，而一般图形建模技术中的物体只是静止或一些简单是运动；虚拟环境中的物体必须有良好的操作性，当用户对物体进行操作时，可以物体必须以适当的方式作出反映。在虚拟现实系统中，环境建模应该应该包括视觉、听觉、触觉、力觉、味觉等多种感觉通道的建模。但是由于目前的技术的限制，常见的有三维视觉建模和三维听觉建模。三维视觉建模又分为几何建模、物理建模和行为建模。3.2几何建模技术基于几何的建模技术主要对象是对物体几何信息的表示与处理，它涉及几何信息数据结构及相关构造的表示与操纵数据结构的算法建模方法。几何模型一般分为面模型与体模型两类。面模型用面片来表现对象的表面，其基本几何元素多为三角形；体模型用体素来描述对象的结构，其基本几何元素多为四面体。面模型相对体模型来说更简单一些。几何建模通常有以下几种：1) 利用相关程序语言来进行建模。如OpenGL、Java3D、VRML等，这种方法针虚拟现实技术的特点而编写，编程容易，效率较高。2) 直接选用商品图形库中的一些图形，这样可以节省大量时间。3) 利用常用建模软件进行建模。如AutoCAD、3DMAX、SoftImage、Pro/E等，但是这类软件的一个问题是并非完全为虚拟现实技术所设计，所以在使用时必须要通过适当的处理。3.3物理建模技术在虚拟现实系统中，虚拟物体必须像真的一样。所以说几何模型的下一步是发展物体建模，即在建模时考虑物体的物理属性。常见的物理建模方法有分形技术和粒子系统：1) 分形技术分形技术是指可以描述具有自相似特征的数据集。自相似的典型例子是树：若不考虑树叶的区别，当我们靠近树梢时，树的树梢看起来也像一棵大树。由相关的一组树梢构成一根树枝，从一定距离观察时也像一棵大树。当然，由树枝构成的树从适当的距离看时自然是棵树。虽然，这种分析并不十分精确，但比较接近。这种结构上的自相似称为统计意义上的自相似。自相似结构可用于复杂的不规则外形物体的建模。如河流和山体的地理特征建模。分形技术主要用于虚拟环境中的静态物体建模，且常用作远景。其优点是用简单的操作完成复杂不规则物体建模，缺点是计算量大，不利于实时性。2) 粒子系统粒子系统是用简单的体素完成复杂的运动的建模。所谓体素是用来构造物体的原子单位，体素的选取决定了建模系统所能构造的对象范围。粒子系统由大量称为粒子的简单体素构成，每个粒子具有位置、速度、颜色和生命周期等属性，这些属性可根据动力学计算和随机过程得到。根据这个可以产生运动进化的画面，从而在虚拟现实中，粒子系统常用于描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象。在虚拟现实中粒子系统用于动态的、运动的物体建模。3.4行为建模技术几何建模与物理建模相结合，可以部分实现虚拟现实的特征，而构造一个逼真的的模拟现实世界的虚拟环境，必须采用行为建模技术。行为建模技术主要研究物体运动的处理和对其行为的描述。行为建模不仅赋予模型外形、质感等表现特征，也赋予模型物理属性和行为反应能力。3.5真实感实时绘制技术所谓真实感绘制是指在计算机中重现真实世界场景的过程。真实感绘制的主要任务是要模拟真实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度以及物体间的相对位置、遮挡关系等。所谓实时绘制是指当用户视点发生变化是，他所看到的场景需要及时更新，这就要保证图形显示更新的速度必须跟上视点的速度，否则就会产生迟滞现象。一般说消除迟滞现象，计算机每秒必须生成10-20帧图像。与传统的真实感图形绘制有所不同，传统的真实感图形绘制的算法追求的是图形的高质量与真实感，而对每帧画面的绘制速度并没有严格要求，而在虚拟现实系统中实时三维绘制要求图形实时生成，可用限时计算技术来实现。但是就目前计算机图形学水平而言，只要有足够的计算时间，就能生成准确的像照片一样的计算机图像。但虚拟现实系统要求的实时图形生成，由于时间的限制，使我们不得不降低虚拟环境的几何复杂度和图像质量，采用其它技术如纹理映射、环境映照、反走样等来提高虚拟环境的逼真程度。下面来简单叙述上述几种方法:纹理映射是将纹理图像帖子简单物体的几何表面，以近似描述物体表面的纹理细节，加强真实性。贴上图像实际上是个映射过程。纹理映射是一种简单、有效改善真实性的措施。它以有限的计算量，大大改善显示逼真性。实质上，它用二维的平面图像代替三维模型的局部。环境映照，具体来讲，一个点的环境映照可通过取这个点为视点，将周围场景的投影变形到一个中间面上来得到的，中间面可取球面、立方体、圆柱体等。这样，当通过此点沿任何方面视线方向观察场景时，环境映照都可以提供场景的完全、准确的视图。反走样，就是在绘制过程中的一个走样问题，防止图形的失真。关于真实感实时绘制技术，具体有以下几种技术：1. 基于几何图形的实时绘制技术基于几何模型的实时动态显示技术2. 基于图像的实时绘制技术基于图像的绘制技术（Image Based Rendering,IBR）,完全摒弃了传统的先建模、后确定光源的绘制方法，它直接从一系列已知的图像中生成未知视角的图像。基于图像的绘制技术是基于一些预先生成的场景画面，对接近与视点或视线方向的画面进行交换、插值与变形，从而快速得到当前视点处的场景画面。3.6立体显示技术虚拟现实系统中，通过建模软件所建立虚拟环境，要使用户能够感觉更逼真的效果，需要借助于一些特殊的技术，比如在视觉显示技术中，需要立体显示技术，有关立体显示技术，有彩色眼镜法、偏振光眼镜法、串形式立体显示法等。当我们在观看电影时，我们常用戴红绿滤色片眼镜看的立体电影时，这种方法就是彩色眼镜法，其原理就是在进行电影拍摄时，先模拟人双眼位置从左到右两个视角拍摄出两个影像，然后分别以滤光片（红、绿滤光片为多）投影重叠印到同一画面上，制成一条电影胶片，然后戴上红绿色眼镜进行观看。既彩色眼镜法之后，偏振光眼镜法出现了，目前应用比较多。偏振光眼镜法是在立体电影放映时，采用两个电影机同时放映两个画面，重叠在一个屏幕上，并且在放映机镜头前分别装有两个相互为90度的偏振光镜片，投影在不会破坏偏振光方向的金属幕上，成为重叠的双影，观看时观众戴上偏振轴互为90度、并与放映画面的偏振光相应的偏光眼镜，即可把双影分开，形成一个立体效果的图像。4.虚拟现实技术的实验成果 随着科学技术的发展，虚拟现实技术慢慢渗透到各个领域，目前拟现实技术军事、航空、娱乐、医学、教育等方面应用的越来越广泛。我的结论是，虚拟现实的时代确实来临了。我们需要思考的是，如何让她们更便宜融入于我们的生活。案例NO.1：强化凝视如果我凝视着你，你的心跳会加速，你会记住更多我所传达的内容。但要同时与200人保持眼神交流几乎不可能。而虚拟现实的魅力在于，我可以通过电脑，将虚拟化身显示在每个学生的显示屏上，每个学生都可以与我进行眼神互动交流，觉得我一直凝视着自己。在过去15年中，我们对几百名学习者做过试验。结果显示，如果学生认为物体一直是老师目光的焦点，他听课会更认真，成绩也会相应地得到提升。案例NO.2：动作和相貌模仿心理学家认为一个人的受欢迎程度与物体的模仿能力成正比。例如在面试中模仿面试官的姿势、动作，对方会更喜欢你。现在如果我要模仿你们，只能选择其中一人的动作来模仿，但虚拟现实可以改变这一状况。创建一个老师的虚拟镜像，电脑会根据每个学生的动作创造出一个与学生的相貌及行为举止更为类似，更具亲和力的老师，让学生觉得老师跟自己相像，从而更认真地听讲。同样，人们对于相貌更像自己的人也更有好感。案例NO.3：身份的转变一个人走近一面虚拟镜子，看到了他的化身，发现镜中的自己是一名白人男性。这时突然有人按下按钮，镜中的形象变成了一名黑人女性，例如非裔美国人。这种虚拟化身与本体的不一致对他将有何影响?我们知道有个词叫做“设身处地”，如果你和某人有类似的感觉，你的同理心反应会更强。案例NO.4：美丽的化身社会心理学家发现，有魅力的美丽女孩通常更自信、更外向、求职成功率也更高。在虚拟现实中，美丽唾手可得，每个人都可以拥有完美的化身。当你的化身是美女时，你在上前与他人交流时会站在一个离对方相对较近的地方。此外，你的讲话方式、语音语调、词汇的选择，都会因为你的虚拟化身而发生变化。美丽的虚拟化身能激发你的信心。案例NO.5：高大的化身在现实世界中，一个人的地位高度通常与收入、信心成正比，这是一种重要的社会暗示。在虚拟现实中，高大的形象也垂手可得，它甚至会影响到你的现实财务状况。那么这种美丽和高大的感觉会持续多久?有的人摘除头戴式设备回到现实后，虚拟现实仍会持续对他们产生影响。拥有美丽虚拟化身的女孩在现实生活中会更加积极地参与各类社交活动，拥有高大虚拟化身的男性在现实世界里也会变得更为自信，拥有更强的领导能力。案例NO.6：同理心和利他主义在虚拟现实中，如果你的化身是视觉障碍者或残障人士，你会体会到各种不便，也会更加了解这些人的不易。对这种角色的扮演会提升你的同理心。而且人们在虚拟世界中更愿意帮助别人。案例NO.7：环境保护人类的特定行为所造成的结果无法立刻呈现在人们面前，如气候变化。然而如果使用虚拟现实技术进行模拟，无形的事物如碳分子就可以变成有形的，给人一种更直观的感受。在美国，厕纸通常是不可循环再利用的。为了减少这类纸张的使用率，我们做了一个实验，将测试对象分为三组：第一组成员拿到了一篇纽约时报的文章，讲述的是伐木的场景;第二组成员在视频上看到了树木砍伐的过程;第三组成员在虚拟现实中身临其境地体验了砍树的过程。一段时间后，我们对这三组成员进行了后续追踪调查，其中第三组成员的用纸量下降了20%，而其他两组成员的行为基本没有改变。所以虚拟现实技术在一定程度上有助于加强人们的环保意识。 二、技术方法介绍开发一个应用的第一步就是要从数学上定义基本过程,并配备已有的硬件资源。第二步就是开发对象数据库和优化模型,即建立对象的形状、外表、行为、限制模型并将对应的I/0 工具映射到仿真的世界。建立一个虚拟对象模型所要考虑的一些基本问题有以下几个方面：几何建模，运动建模，对象特征，模型分割等。本论文主要就几何建模技术进行阐述，几何建模描述虚拟对象的形状(多边形)三角形和顶点、以及它们的外表(纹理、表面反射系数、颜色) 。要表现三维物体，最基本的是绘制出三维物体的轮廓，利用点和线来构建整个三维物体的外边界，即仅使用边界来表示三维物体。三维图形物体中运用边界表示的最普遍方式是使用一组包围物体内部的表面多边形来存储物体的描述，多面体的多边形表示精确的定义了物体的表面特征，但对其它物体，则可以通过把表面嵌入到物体中来生成一个多边形网格逼近，曲面上采用多边形网格逼近可以通过将曲面分成更小的多边形加以改进。由于线框轮廓能快速显示以概要的说明表面结构，因此，这种表示在设计和实体模型应用中普遍采用。通过沿多边形表面进行明暗处理来消除或减少多边形边界，以实现真实性绘制。三、实验结果或数据分析1.形状建模：对于对象的形状建模常常可以利用现有的图形库来创建，常用的图形库有：图形核心系统GKS(Graphical Kerna1 System )、程序员级分层结构交互图形系统PHIGS、开放式图形库OpenGL(Open Graphics Library)等。下图是使用OpenGL创建的几个几何形体：void NeHeWidget:paintGL()        / 清除屏幕和深度缓存      glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT );      glLoadIdentity();      /移到屏幕的左半部分，并且将视图推入屏幕背后足够的距离以便我们可以看见全部的场景      glTranslatef(-2.0f,0.0f,-5.0f);      /设置颜色      glColor3f( 1.0, 1.0, 1.0 );      /绘制一个三角形      glBegin(GL_TRIANGLES);                          / 绘制三角形              glVertex3f( 0.0f, 1.0f, 0.0f);                  / 上顶点              glVertex3f(-1.0f,-1.0f, 0.0f);                  / 左下              glVertex3f( 1.0f,-1.0f, 0.0f);                  / 右下      glEnd();      glLoadIdentity();      glTranslatef(0.0f,0.0f,-5.0f);      /绘制圆形      GLint iCirclePoints = 50;     glBegin (GL_TRIANGLE_FAN );            for (int i = 0; i < 50; +i )                               double dAngle = 2 * PI * i / iCirclePoints                    glVertex3f (cos (dAngle ), sin (dAngle ), 0.0);                        glEnd ();        /绘制多边形            glLoadIdentity();            glTranslatef(2.0f,0.0f,-5.0f);            glBegin(GL_POLYGON);                    glVertex3f( 0.0f, 0.5f, 0.0f);                    glVertex3f(-0.5f,-0.5f, 0.0f);                    glVertex3f( 0.0f,-1.5f, 0.0f);                    glVertex3f( 0.5f,-0.5f, 0.0f);           glEnd();    由上面代码可以看出，要创建出一个三维模型来需要提供详细的坐标信息，并且在创建过程中需要完全依靠想象力来进行布局，这对技术人员的要求比较高。为了避免直接用多边形或三角形拼构某个对象形状时繁琐的过程，可以直接购买商品化几何图形库。目前比较著名的是美国Viewpoint Datalabs 公司的View Point Catalog图形库。然而，规则三维立体可以用上述方法进行建模，那么对于某些特殊的几何对象，现有的图形库不能满足要求时，需通过对三维物体表面的测试得到离散的三维数据，然后将这些数据用多边形描述出来从而构造出对象的形状。近年来三维扫描技术得到了迅速发展。三维扫描仪，又称为三维数字化仪，是一种将真实世界的立体彩色图形转换为计算机能直接处理的数字信号的装置。它在V R技术、影视特技制作、高级游戏、文物保护等方面有着广泛的应用。事实上，在V R 系统中,靠人工构造大量的三维彩色模型费时费力，且真实感差。利用三维扫描技术可为V R 系统提供大量的、与现实世界完全一致的三维彩色模型数据。2. 外观对象的外表是一种物体区别于其它物体的质地特征，V R 系统中虚拟对象的外表真实感主要取决于它的表面反射和纹理。一般来讲，只要时间足够宽裕，用增加物体多边形的方法可以绘制出十分逼真的图形表面。但是VR 系统是典型的限时计算与显示系统，对实时性要求很高。因此，省时的纹理映射(Texture Mapping )技术在VR 系统几何建模中得到广泛应用。用纹理映射技术处理对象的外表，一是增加了细节层次以及景物的真实感；二是提供了更好的三维空间线索；三是减少了视景多边形的数目，因而提高了帧刷新率，增强了复杂场景的实时动态显示效果。3. 纹理映射 传统光照明模型仅考虑表面法向的变化，且假设表面反射率为一常数，因而只能生成颜色单一的的光滑景物表面。景物表面存在丰富的纹理细节, 难以直接构造。人们正是依据这些纹理细节来区别各种具有相同形状的景物。解决这一问题的途径是纹理映射技术所谓纹理映射，就是把给定的纹理图像映射到物体表面上，并不是特定的几何模型，使用纹理映射可以避免对场景的每个细节都使用多边形性来表示，进而可以大大减少环境模型的多边形数目，提高图形的显示速度。从物体表面的质地特征来看，纹理映射分为颜色纹理映射和凹凸纹理映射。前者是通过颜色色彩或明暗度的变化来表现物体的表面细节；后者则是通过对景物表面各采样点法向量的扰动来表现物体几何形状凹凸不平的粗糙质感。从具体算法来看，纹理映射可分为标准纹理映射和逆向纹理映射。标准纹理映射是对纹理表面均匀扫描，并直接映射到屏幕空间。逆向纹理映射是对屏幕上的每一像素，通过逆映射寻找到物体空间上的对应点，再在纹理空间找到相应的像素点，取得纹理值经滤波后显示该像素。纹理映射的过程如下图所示：代表眼点，代表物体上的点，代表纹理上的像素点。所以，纹理映射实际上是屏幕空间、物体空间和纹理空间之间的一系列的变换过程。虚拟对象的纹理可通过拍摄对应物体的照片、然后将照片扫描进计算机的方法得到，也可用图像绘制软件建立。物体空间与纹理空间之间映射关系的确定是实现纹理映射的关键。这种映射关系可以描述为对于比较简单的二次曲面，其纹理映射函数可解析地表达出来。例如圆柱面，可以用参数方程表示为给定，可以根据上式确定。而给定圆柱上的，也可以根据其逆映射求出：。但对于复杂的高次参数曲面来说，求解析表达式往往是不可能的，这是应采用数值求解方法来离散求的。下图是使用OpenGL做出的纹理贴图示例：4. 光照当光照射到物体表面是，可能被吸收、反射或者折射。被物体吸收的部分抓华为热，而那些被反射、投射的光传到我们的视觉系统，使我们能看见物体。为了模拟这一物理现象，我们使用一些数学公式来近似计算物体表面按照什么样的规律，什么样的比例来反射或者折射光线。这种公式称作明暗效应模型。假设物体不透明，那么物体表面呈现的颜色仅仅由其反射光决定。通常，反射光由三个分量表示，分别是：环境反射光，漫反射光，镜面反射光。1）环境反射光：环境反射光在任何方向上的分布相同。环境反射光用于模拟从环境中周围物体散射到物体表面再反射出来的光。环境反射光可以用下面的公式表示：。其中，是环境反射常数，与物体表面的性质有关；是入社的环境光光强，与环境的明暗有关。2） 漫反射光：漫反射光的空间分布也是均匀的，但是反射光的光强与入射光的入射角的余弦成正比。通常可以用下面的公式表示：。其中是漫反射常数，与物体表面的性质有关。是入射光的光强，是入射角。法向量N反射方向R光源L视点E 入射方向、反射方向以及实现方向示意图3） 镜面反射光：镜面反射光为朝一定方向的反射光，他遵循光的反射定律。反射光和入射光对称的位于表面法向量的两侧。对于纯镜面，入射到表面面元的光严格地遵守光的反射定律单向反射出去。然而真正的纯镜面是不存在的，一般光滑表面，实际上是由许多朝向不同的微小平面组成的，其镜面反射光存在于镜面反射方向的周围。实际常常使用余弦函数的某次幂来模拟一般光滑表面反射光的空间分布。如下式：在计算机图形学中，光滑的曲面常用多边形进行逼近表示，因为处理平面比处理曲面容易得多。但是，这样就会是去缘由曲面的光滑度，呈现多边形。这种现象是因为不同平面的法向量不同，形成不同平面之间的不连续的光强跳跃。Gouraud明暗处理技术可以简单的进行平面的明暗处理。Gouraud明暗处理的思想是对离散光亮度进行采样做双线性插值以获得一连续的光亮度函数。其基本算法是：如下图所示，先计算多边形定点出（A,B,C.D）的光亮度值，吧他们作为曲面光亮度的才样点，然后再对多边形定点的光亮度值机型插值计算出多边形内任一点的光亮度。若采用显性扫描线绘制，可沿当前扫描线进行双线性插值，这是一种简单的插值算法。即先用多边形定线的亮度值计算出扫描线与多边形边框焦点处的亮度值，在对扫描线内的每一个像素点计算光亮度值。Gouraud算法多边形明暗度的线性插值这种算法有点是算法简单，计算量小。但是这种算法在某下环境下存在缺陷。当他处于动态观察物体的时候，物体表面的敏感度将以不规则的方式变化。下图是光照示例，图中白色小球是一个点光源，光线在BOX和SPHERE两个对象上发生反射，产生明暗效果，环境的AMBIENT设置为0.2。四、课程总结（从自身的角度给出本次课程的课程总结）正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。随着虚拟技术的发展我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未客服的技术保障。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的集合作用问题。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底地克服了。 虽然如此，但它独特的优势特长为各个领域的发展提供了一个全新的突破口，同时，我们也相信，随着计算机技术，尤其是网络技术的飞速发展虚拟现实技术将会得到更为长足的发展，必将更为广泛地应用于各个领域，为人类的生产生活带来全新的面貌前沿技术讲座课程成绩评定表考勤成绩： 占总成绩比例20%大作业成绩： 占总成绩比例80%总成绩： 教师评语指导教师签字： 年 月 日