虚拟现实的建模技术课件

精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远虚拟现实的建模技术虚拟现实的建模技术2024/7/20精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远一、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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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），具有确定的位置和度量值。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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。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。要考虑模型的细节需求与面数的折衷。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远多边形建模多边形建模-实例实例1（editablemesh）6精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远(F4)多边形建模多边形建模-实例实例2 2（eidtable polyeidtable 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。7精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远8精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远9精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远10精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远Nurbs（非统一有理B样条）Non-UniformRationalB-SplinesNon-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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远创建创建NURBSNURBS模型模型花瓶花瓶12精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远13精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远创建创建NURBSNURBS模型模型鼠标鼠标14精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远15精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远16精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远17精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远18精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远19精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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.精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远网上3D户型校园场景精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远电影阿凡达精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远植物大战僵尸精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远虚拟现实系统的分类（1）沉浸式VR系统沉浸式虚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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远虚拟现实系统的分类沉浸式VR系统精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远桌面式VR系统精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远增强式VR系统精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远虚拟现实系统的分类（4）分布式VR系统分布式VR系统（Distributed 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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远虚拟现实系统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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远手部数据交互设备数据手套（DataGlove）数据手套是一种戴在用户手上的传感装置，用于检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，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。从而驱动虚拟手模拟真实手的动作。如图所示为戴上如图所示为戴上VPLVPL数据手套的数据手套的人手与屏幕显示的虚拟手。该数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，用以测量手节处都有一圈纤维，用以测量手指关节的位置与弯曲。指关节的位置与弯曲。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远输入设备数据衣（DataSuit）数据衣将大量的光纤、电数据衣将大量的光纤、电极等传感器安装在一个紧极等传感器安装在一个紧身服上，可以根据需要检身服上，可以根据需要检测出人的四肢、腰部的活测出人的四肢、腰部的活动以及各关节（如腕关节、动以及各关节（如腕关节、肘关节）的弯曲角度，然肘关节）的弯曲角度，然后用计算机重建出图像。后用计算机重建出图像。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远其他交互设备三维扫描仪（3DScanner）l l三维扫描仪的功能是通过扫描真实模型的外观特征，构造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、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。机械式等三种类型。l l三维激光扫描仪（三维激光扫描仪（3DLaserScanner3DLaserScanner）应用最为广泛，其）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。型重建和模型可视化等四个步骤。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远手部数据交互设备三维浮动鼠标器（3DFlyingMouse）三维浮动鼠标器的工作原理是：在鼠标内部安装了一个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。固定基座，就可以测量出鼠标离开桌面后的位置和方向。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远三维定位跟踪设备: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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远三维定位跟踪设备精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远输出设备 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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远带立体眼镜的台式立体显示系统精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远 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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远桌面力觉反馈装置精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远虚拟现实的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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远VRML技术#VRML V2.0 utf-8Shape 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 精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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。Cult3D 的内核基于Java语言，具有很强的交互和扩展性。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远Virtools技术Virtools操作界面精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远Virtools资源编辑界面精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远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精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远三维建模工具简介（1）3dsmax3dsmax可以用于影视制作、广告动画、建筑效果图与模拟产品造型设计等。3dsmax具有的强大功能：灵活多样的建模方式，如多边形建模、细分建模与NURBS曲面建模等；丰富的材质质感表现；高级曲线动画编辑等。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远标准基本体非常容易建立，只要单击并拖动鼠标指针，交替几次就可完成；或通过键盘输入来建立。建立标准几何体是3dsMax的基础。建立【标准基本体】的工具介绍如下。标准基本体的创建精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远扩展基本体的创建精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远车削编辑修改器使用【车削】修改器可以通过旋转二维图形来产生三模模型，如图所示，或通过Nurbs曲线来创建3D对象。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远挤出编辑修改器【挤出】修改器是将二维的样条线图形增加厚度，挤出成为三维实体，可以进行面片、网格对象和Nurbs对象3类模型的输出。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远倒角编辑修改器使用【倒角】修改器是通过对二维图形进行挤出成形的同时，在边界上加入直形或圆形的倒角，如图所示，一般用来制作立体文字和标志。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远+二维图形二维图形放样路径放样路径精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远三维建模工具简介（2）MayaMaya是美国Autodesk公司开发的三维动画软件，主要应用于专业的影视广告，角色动画与电影特技等。Maya与其它的三维软件有明显的区别，首先，Maya继承了Alias所有的工作站级优秀软件的特性：灵活、快捷、准确、专业与可扩展性。Maya的操作平台基于Windows NT，操作更简便。Maya模拟灯光更加真实，可调参数更突出，特技灯光种类更丰富更具有吸引力。矢量材质可模仿木纹、毛石、水等，节省了贴图的制作，同时在折射、反射等效果上更加独特。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远（3）AutoCADAutoCAD是美国Autodesk公司首次于1982年开发的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计，已经成为了一个工业标准。从概念设计到草图和局部详图，AutoCAD提供了创建、展示、记录和共享构想所需的所有功能。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远材质概述材质主要用于描述对象如何反射和传播光线。材质中的贴图主要用于模拟对象质地、提供纹理图案、反射、折射等其他效果(贴图还可用于环境和灯光投影)。依靠各种类型的贴图，可以创作出千变万化的材质。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远位图贴图位图贴图就是将位图图像文件作为贴图使用，它可以支持各种类型的图像和动画格式，包括AVI、BMP、CIN、JPG、TIF、TGA等。位图贴图的使用范围广泛，通常用在漫反射颜色贴图通道、凹凸贴图通道、反射贴图通道、折射贴图通道中。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远平铺贴图平铺贴图是用来制作砖块效果的，常用在漫反射贴图通道中，可在凹凸贴图通道中使用。在它的参数面板【高级控制】里，设置砖块的颜色、尺寸以及砖缝的颜色、尺寸等，制作出个性的砖块。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远渐变坡度贴图渐变坡度贴图是可以使用许多颜色的高级渐变贴图，常用在漫反射贴图通。中，在它的卷展栏里可以设置渐变的颜色及每种颜色的位置。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远噪波贴图噪波一般在凹凸贴图通道中使用，可以通过设置【噪波参数】卷展栏制作出紊乱不平的表面，通过【噪波类型】可以定义噪波的类型。精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远混合贴图混合贴图是将两个不同的贴图按照不同的比例混合在一起形成新的贴图，它常用在漫反射贴图通道中。