第3章虚拟现实的相关技术及软件38

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,3-,#,虚拟现实技术,天津天狮学院,黄金栋,第3章虚拟现,实,实的相,关,关技术,及,及软件,3.1,三,三维,建,建模技,术,术及软,件,件,3.2,视,视觉,实,实时动,态,态绘制,技,技术,3.3,三,三维,虚,虚拟声,音,音技术,3.4,人,人机,自,自然交,互,互技术,3.5,物,物理,仿,仿真技,术,术,3.6,三,三维,全,全景技,术,术,3.7,虚,虚拟,现,现实开,发,发软件,工,工具集,3.1,三维建,模,模技术,及,及软件,3.1,.,.1,几,几,何,何建模,技,技术,3.1,.,.2,行,行,为,为建模,技,技术,3.1,.,.3,虚,虚,拟,拟现实,的,的建模,软,软件,基于物,体,体的几,何,何和形,状,状等信,息,息的表,示,示，研,究,究图形,数,数据结,构,构等问,题,题。,处理对,物,物体的,运,运动和,行,行为的,描,描述，,通,通常称,之,之为动,画,画。,3.1,三维建,模,模技术,及,及软件,3.1,.,.1,几,几,何,何建模,技,技术,1、技,术,术指标,几何建,模,模技术,的,的研究,对,对象是,对,对物体,几,几何信,息,息的表,示,示与处,理,理。它,涉,涉及表,示,示几何,信,信息的,数,数据结,构,构及相,关,关的构,造,造与操,纵,纵数据,结,结构的,算,算法。,评价一,个,个虚拟,环,环境建,模,模技术,水,水平的,三,三个常,用,用指标,是,是：交,互,互式显,示,示能力,、,、交互,式,式操纵,能,能力和,易,易于构,造,造的能,力,力。,图像必,须,须每秒,更,更新20次以,上,上才能,使,使用户,产,产生连,续,续的视,觉,觉，因,此,此模型,的,的表示,还,还必须,便,便于快,速,速构造,和,和显示,，,，这同,时,时也是,对,对行为,建,建模技,术,术的要,求,求。,3.1,三维建,模,模技术,及,及软件,3.1,.,.1,几,几,何,何建模,技,技术,2、建,模,模方法,层次建,模,模法,利用树,形,形结构,来,来表示,物,物体的,各,各个组,成,成部分,，,，不仅,提,提供了,一,一种简,便,便自然,的,的分割,复,复杂物,体,体的方,法,法，而,且,且对模,型,型的修,改,改也十,分,分有利,。,。,属主建,模,模法,让同一,种,种对象,拥,拥有同,一,一个属,主,主，属,主,主包含,了,了该类,对,对象的,详,详细结,构,构。当,要,要建立,某,某个属,主,主的一,个,个实例,时,时，只,要,要复制,指,指向属,主,主的指,针,针即可,。,。,体素：用来,构,构造物,体,体的原,子,子单位,，,，体素,的,的选取,决,决定了,建,建模系,统,统所能,构,构造的,对,对象范,围,围。,结构：用来,决,决定体,素,素如何,组,组合以,构,构成新,的,的对象,。,。,优点：简单,高,高效、,易,易于修,改,改、一,致,致性好,3.1,三维建,模,模技术,及,及软件,3.1,.,.2,行,行,为,为建模,技,技术,1、运,动,动学法,通过几,何,何变换,如,如平移,和,和旋转,等,等来描,述,述运动,。,。在运,动,动控制,中,中，无,需,需知道,物,物体的,物,物理属,性,性。在,关,关键帧,动,动画中,，,，运动,是,是通过,显,显示指,定,定几何,变,变换来,实,实施的,，,，内插,帧,帧可用,各,各种插,值,值技术,来,来完成,，,，如线,性,性插值,、,、三次,样,样条插,值,值等。,2、动,力,力学仿,真,真法,运用物,理,理定律,而,而非几,何,何变换,来,来描述,物,物体的,运,运动，,通,通过物,体,体的质,量,量和惯,性,性、力,和,和力矩,以,以及其,他,他物理,作,作用计,算,算出来,。,。更适,于,于物体,间,间交互,作,作用较,多,多的虚,拟,拟环境,建,建模。,3.1,三维建,模,模技术,及,及软件,3.1,.,.3,虚,虚拟,现,现实的,建,建模软,件,件,1、3dsMax,美国Autodesk公司,推,推出的,功,功能强,大,大的三,维,维设计,软,软件包,，,，它集,三,三维建,模,模、材,质,质制作,、,、灯光,设,设定、,摄,摄像机,使,使用、,动,动画设,置,置及渲,染,染输出,于,于一身,，,，提供,了,了三维,动,动画及,静,静态效,果,果图全,面,面完整,的,的解决,方,方案。,2、MAYA,也是由Autodesk公,司,司出品,的,的一款,顶,顶级建,模,模、动,画,画、特,效,效和渲,染,染软件,，,，相对,于,于3ds Max，Maya在电,影,影、大,型,型游戏,、,、数字,出,出版、,广,广播电,视,视节目,制,制作等,方,方面更,胜,胜一筹,。,。,3、Creator,MultiGen-Paradigm公,司,司出品,的,的交互,式,式三维,建,建模软,件,件，拥,有,有多边,形,形建模,、,、矢量,建,建模、,大,大面积,地,地形精,确,确生成,等,等功能,，,，不仅,能,能够创,建,建三维,地,地形和,模,模型，,而,而且可,以,以高效,、,、最优,化,化地生,成,成实时,三,三维数,据,据库。,3.2,视觉实,时,时动态,绘,绘制技,术,术,3.2,.,.1,实,实,时,时动态,绘,绘制技,术,术的基,本,本原理,3.2,.,.2,基,基,于,于图形,的,的实时,动,动态绘,制,制技术,3.2,.,.3,基,基,于,于图像,的,的实时,动,动态绘,制,制技术,3.2,视觉实,时,时动态,绘,绘制技,术,术,3.2,.,.1,实,实,时,时动态,绘,绘制技,术,术的基,本,本原理,实时动,态,态绘制,技,技术是,指,指利用,计,计算机,为,为用户,提,提供一,个,个能从,任,任意视,点,点及方,向,向实时,观,观察三,维,维场景,的,的手段,，,，所期,望,望的是,图,图像帧,速,速高而,等,等待时,间,间短。,当生成,虚,虚拟环,境,境的视,图,图时，,必,必须要,设,设计出,好,好的数,据,据空间,和,和视频,图,图像，,使,使计算,机,机系统,尽,尽快运,行,行，每,秒,秒生成,足,足够数,量,量的新,帧,帧，从,而,而保证,系,系统刷,新,新频率,不,不低于2030帧,/,/秒。,等待时,间,间是实,时,时动态,绘,绘制技,术,术的另,一,一个关,键,键指标,，,，它指,用,用户动,作,作的开,始,始与在,显,显示器,上,上出现,对,对这一,动,动作的,响,响应反,馈,馈之间,的,的时长,。,。,3.2,视觉实,时,时动态,绘,绘制技,术,术,3.2,.,.2,基,基,于,于图形,的,的实时,动,动态绘,制,制技术,1、场,景,景分块,（,（WorldSubdivision,）,）,指把一,个,个复杂,的,的场景,划,划分为,多,多个相,互,互之间,几,几乎或,完,完全不,可,可见的,子,子场景,。,。这样,系,系统就,能,能大量,地,地减少,在,在某一,时,时刻需,要,要显示,的,的多边,形,形数目,，,，从而,有,有效降,低,低可视,场,场景的,复,复杂度,。,。,2、可,见,见消隐,（,（VisibilityCulling）,基于给,定,定的视,点,点和视,线,线方向,，,，决定,场,场景中,哪,哪些物,体,体的表,面,面是可,见,见的，,哪,哪些是,被,被遮挡,而,而不可,见,见的。,使,使用此,方,方法能,使,使系统,仅,仅显示,用,用户当,前,前能“,看,看见”,的,的场景,，,，与用,户,户的视,点,点关系,密,密切。,3、细,节,节选择,（,（LevelofDetail）,为每个,物,物体建,立,立多个,相,相似的,模,模型，,不,不同模,型,型对物,体,体的细,节,节描述,不,不同。,对,对物体,细,细节的,选,选择越,精,精确，,模,模型也,就,就越复,杂,杂。,3.2,视觉实,时,时动态,绘,绘制技,术,术,3.2,.,.3,基,基,于,于图像,的,的实时,动,动态绘,制,制技术,用图像,合,合成代,替,替几何,建,建模来,创,创建复,杂,杂的场,景,景，不,但,但真实,感,感强，,而,而且整,个,个过程,都,都可以,在,在二维,空,空间中,进,进行，,其,其绘制,时,时间不,取,取决于,场,场景的,复,复杂度,，,，而只,与,与显示,分,分辨率,有,有关。,3.3,三维虚,拟,拟声音,技,技术,三维虚,拟,拟声音,与,与人们,熟,熟悉的,立,立体声,音,音有,所,所不同,。,。所谓,的,的立体,声,声虽然,有,有左右,声,声道之,分,分，但,就,就整体,效,效果而,言,言，立,体,体声来,自,自听者,面,面前的,某,某个平,面,面，而,三,三维虚,拟,拟声音,则,则是来,自,自围绕,听,听者双,耳,耳的一,个,个球形,中,中的任,何,何地方,，,，即声,音,音出现,在,在头的,上,上方、,后,后方或,前,前方。,3.3,三维虚,拟,拟声音,技,技术,3.3,.,.1,三,三维,虚,虚拟声,音,音的特,征,征,3.3,.,.2,头,头,部,部相关,传,传递函,数,数,3.3,.,.3,语,语,音,音合成,技,技术,3.3,三维虚,拟,拟声音,技,技术,3.3,.,.1,三,三维,虚,虚拟声,音,音的特,征,征,全向三,维,维定位,特,特性,（3DSteering,）,）,指在三,维,维虚拟,环,环境中,把,把实际,声,声音信,号,号定位,到,到特定,虚,虚拟声,源,源的能,力,力。它,能,能使用,户,户准确,地,地判断,出,出声源,的,的精确,位,位置，,从,从而符,合,合人们,在,在真实,世,世界中,的,的听觉,方,方式。,三维实,时,时跟踪,特,特性,（3DReal-Time Localization）,：,指在三,维,维虚拟,环,环境中,实,实时跟,踪,踪虚拟,声,声源位,置,置变化,或,或虚拟,影,影像变,化,化的能,力,力。只,有,有声音,效,效果与,实,实时变,化,化的视,觉,觉相一,致,致，才,可,可能产,生,生视觉,与,与听觉,的,的叠加,和,和同步,效,效应。,3.3,三维虚,拟,拟声音,技,技术,3.3,.,.2,头,头,部,部相关,传,传递函,数,数,首先通,过,过测量,外,外界声,音,音与鼓,膜,膜上声,音,音的频,谱,谱差异,，,，获得,了,了声音,在,在耳部,附,附近发,生,生的频,谱,谱成形,，,，随后,利,利用这,些,些数据,对,对声波,与,与人耳,的,的交互,方,方式进,行,行编码,，,，得出,相,相关的,一,一组传,递,递函数,，,，并确,定,定出两,耳,耳的信,号,号传播,延,延迟特,点,点，以,此,此对声,源,源进行,定,定位。,通常在VR系,统,统中，,当,当无回,声,声的信,号,号由这,组,组传递,函,函数处,理,理后，,再,再通过,与,与声源,缠,缠绕在,一,一起的,滤,滤波器,驱,驱动一,组,组耳机,，,，就可,以,以在传,统,统的耳,机,机上形,成,成有真,实,实感的,三,三维声,音,音了。,由,由于这,组,组传递,函,函数与,头,头部有,关,关，故,被,被称为,头,头部相,关,关传递,函,函数（Head-RelatedTransferFunction,，,，HRTF）,。,。,3.3,三维虚,拟,拟声音,技,技术,3.3,.,.3,语,语,音,音合成,技,技术,语音合,成,成技术,是,是从语,音,音参数,出,出发，,先,先通过A/D,转,转换将,语,语音数,字,字化，,经,经过数,字,字处理,和,和运算,，,，然后,再,再通过D/A,转,转换而,输,输出语,音,音的。,将语音,合,合成与,语,语音识,别,别技术,结,结合起,来,来，还,可,可以使,用,用户与,计,计算机,所,所创建,的,的虚拟,环,环境进,行,行简单,的,的语音,交,交流，,这,这在VR环境,中,中具有,突,突出的,应,应用价,值,值。