基于虚拟现实的场景漫游技术研究.pdf

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1、东北大学硕士学位论又摘要基于虚拟现实的场景漫游技术研究摘任石多丈随着计算机技术、通信技术及其他相关技术的飞速发展，信息的可视化成为新的应用发展方向，基于虚拟现实的仿真技术日益成为当前研究的热点。复杂场景的虚拟漫游是视景仿真的一 个重要的应用方面，它在娱乐、旅游、教育与培训、城市规划等领域有着广泛的应用前景。本文在分析了虚拟现实技术在国内外发展及应用情况的基础上，重点研究了视景仿真理论知识与场景生成技术，建立了虚拟场景漫游系统，其中包括室外漫游系统东北大学虚拟校园漫游系统和室内漫游系统 东北大学虚拟现实实验室漫游系统。根据实际场景情况，创建了三维实体模型，开发了具有虚拟现实特点的视景仿真系统，并

2、实现了实时仿真及交互控制的功能。具体工作包括以下几个部分：首先，通过对国内外虚拟现实技术及漫游系统的研究及应用情况综述，阐述了本课题的必要性和现实意义，并提出虚拟漫游系统的实现方法。其次，选用 虚拟现实工作站，通过大型建模软件 对三维实景进行虚拟场景的构建。建模过程包括实体建模、动态建模、地形建模、环境小品建模以及背景模型的构建。结合虚拟场景的建模特点，对建模的关键技术进行了详细的阐述。在建立场景数据库后，对大场景模型进行优化。最后，选用虚拟现实开发软件实现实时漫游，提供了场景漫游的设计过程，并对碰撞检测、交互控制和固定路径漫游等关键技术进行了详细说明。关键词：虚拟现实：场景漫游：三维建模：

3、东北大学硕士学位论文 ， ， （ ， ） ， ， ， ， ， ， ， （ ） （ ） ， ： ， ， ， ， ， ： ； ； ； 独创声明木人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括木人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贞献均己在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。学位论文作者签名：秘峻签字日期：。 占学位论文版权使用授权书木学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查

4、阅和借阅。木人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。（如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意）学位论文作者签名：导 师 签 名：签 字 期：签 多日期东北大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论 虚拟现实技术虚拟现实对很多人来说己经不是一个陌生的名词。虽然它出现在报纸、电视、电影等媒体上的时间不长，但由于它给人们展现的是一门似乎非常神奇的技术，能把人类带入各种梦幻般的境界，因而引起人们的广泛兴趣。抛开这些不说，虚拟现实其实是能应用到许多领域的一个于分严肃的研究课题，认识这一 点是非常重要的。世界上，虽然虚拟现实正在以很快的速度发展，但虚拟现实系统中

5、还有大量的问题没有解决，这也是虚拟现实仍然是最有吸引力的研究领域之一的原因。 虚拟现实的基本概念虚拟现实 （ ，简称），又译为灵境，是由美国科学家 在年首先提出的。它是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术发展起来的计算机领域的最新技术，也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用，这种复杂性使得它至今尚没有确定的定义。简单的顾名思义，它可以理解为通过建立虚拟环境，使人感觉犹如处在现实环境中样。日前公认的较精确定义是：采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境（ ），用户借助

6、必要的设备（如特制的服装、头盔、手套和鞋）以自然的方式与虚拟环境中的实体对象进行交互作用、互相影响，从而产生身临其境的感受和体会。 ） 虚拟现实的本质是将不可视的想象力变成有形体构成的场景，强调的是逼真性和科学的可视性，其基本特性是它的三“”特性：沉浸（）特性，交互（ ）特性和想象（ ）特性 如图 所示。沉浸（ ）特性是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度，如可视场景应随着视点的变化而变化，甚至超越真实，如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。交互（ ）特性是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度，包括实时性例如，用户可

7、以用手指直接抓取虚拟环境中的物体，这时手有触摸感，并可以感觉物体的重量，场景中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动。东北大学硕士学位论文第一章绪论图 虚拟现实的“特性 想象（ ）特性是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位的获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。虚拟现实技术是多种技术的综合，其关键技术和研究内容包括以下儿个方面：环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，环境建模的目的是获取实际三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。立体声合成和立体显示技术。在虚拟现实系统中，如何消除声音的方向与用户头部运动的相关性已成为声

8、学专家们研究的热点。同时，虽然三维图形生成和立体图形显示技术己经较为成熟，但复杂场景的实时显示一直是计算机图形学重要研究内容。触觉反馈。在虚拟现实系统中，产生身临其境效果的关键因素之一是让用户能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力。然而研究力学反馈装置是相当困难的，如何解决现有高精度装置的高成本和大重量是一个需要进一步研究的问题。交互技术。虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，三维交互技术已经成为计算机图形学中的一个重要研究课题。此外，语音识别与语音输入技术也是虚拟现实系统的一种重要人机交互手段。系统集成技术。由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术

9、起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、识别和合成等等。虚拟现实技术包括沉浸虚拟现实技术与非沉浸式虚拟现实技术。沉浸式虚拟现实技术是通过一些特殊的外部设备来实现的，如三维鼠标器、头盔式三维显示器（视觉）、有六个自由度的力传感器组成的数据手套（触觉）、立体声耳机（听觉）等输入 输出设备和高性能计算机以及相应的软件。操作者有身临其境的真实立体感，并可以使用自然技能，对虚拟世界进行考察，使人完全进入计算机创造的图形世界中，就像感觉真实世界一样。非沉浸式虚拟现实技术则是借助键盘、鼠标、显示器等标准外设来营造一个窗东北大学硕士学位论文第一章绪论口式的虚拟环境，依赖软

10、件技术来实现。根据交互程度，虚拟现实技术可以分为以下几种：被动式。它为三维环境的用户提供一 个放手、自动的过程，路程和观察有软件严格、独占的控制，用户除了退出外没有其他的控制权。查询式。它提供了一个通过三维环境时用户指出的行程，参与者可以选择路程和观察，但是不能够参与其他的三维场景的交互工作。交互式。用户除了可以按自己的意愿自由的选择路径外，还可以与三维场景中的物体进行实时交互。场景漫游中选择交互式的虚拟现实方式可以给用户提供更多的选择权，从自由的角度考虑，交互式的虚拟现实方式更加逼真。虚拟现实的发展 年， 在篇名为终极的显示的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟

11、现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程 随后的 年，美国的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。年，出现了第一个功能较齐全的系统。基于从年代以来所取得的一系列成就，美国的 在年代初正式提出了“ 一词。年代，美国宇航局（）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，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。年，研究中心虚拟行星探测实验室的和 博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面

12、的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境作站（）项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥现设备。进入年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。例如年的月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚拟现实技术设计波音获得成东北大学硕士学位论文第一章绪论功，是近年来引起科技界瞩目的又一件一二作。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设

13、计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。 虚拟现实的应用虚拟现实技术的应用 前景是很广阔的。它可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设计与规划、教育与训练、遥作与遥现、医学、艺术与娱乐等多个方面。下面我们讨论几个典型的应用例子。（）用于遥控机器人的遥现技术遥现技术是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感觉。虚拟现实涉及到体验由计算机产生的三维虚拟环境，而遥现则涉及到体验一个遥远的真实环境。遥现技术在实际应用中需要虚拟环境的指导。例如，在遥控宇宙空间站的开

14、发计划中，从安全性以及费用的角度考虑，我们有必要使用空间机器人。这种空间机器人的特点是由地面上的操作员进行遥操作，或进行部分自主操作。对于像零件更换的固定操作可以完全自主进行，而对于故障检修等难以预测的操作则有必要依赖于遥操作。这时，虚拟开发了宇宙开发地面实验平台。该实验平台由人机交互、计算机系统以及机器人系统所构成。利用遥现技术可以在该实验平台上进行零件更换等空间机器人的典型操作实验，基本上实现了所需要的功能。（）仿真技术虚拟环境是计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触（）飞行仿真系统飞行仿真系统由四部分组成，即飞行员的操纵舱系统、显示外部图像的视觉系统、计算机系统是

15、飞行仿真系统的中枢，用它来计算飞行的运动、控制仪表及指示灯、驾驶杆等信号。视觉系统和运动系统与虚拟现实密切相关，其中，视觉系统向飞行员提 ： 的信号供给飞行现实技术和遥现技术将发挥重要的作用。为研究新一代空间机器人的遥操作技术，日本觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。因此，虚拟环境是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。产生运动感的运动系统、计算和控制飞行运动的计算机系统。供外界的视觉信息。该系统由产生视觉图像的“图像产生部”和将产厂东北大学硕士学位论文第一章绪论员的“视觉显示部”组成。在图像产生中，随着计算机图形学的发展，现在使用名为（ ）的视觉产生装置。在中利用纹理图

16、形驾驶可以产生云彩、海面的波浪等效果。另外，利用图像映射驾驶可以从航空照片上将农田以及城市分离出来，并作为图像数据加以利用。视觉显示部向飞行员提供具有真实感的图像，图像的显示有无限远显示方式、广角方式、半球方式以及立体眼镜和头盔式显示器等四种方式。作为飞行仿真系统的构成部分，运动系统向飞行员提供一种身体感觉，它使得驾驶舱整体产生运动，报据自由度以及驰动方式的不同，可以分为万向方式、共动型吊挂方式、共动型支撑方式以及共动型六自由度方式等。利用该运动系统，飞行员可以感觉到实际飞机一样的运动感觉。（ ）与虚拟生物对话研究人员设计了一种与虚拟生物对话的仿真系统。在该系统中，虚拟世界中的虚拟生物和现实世

17、界中的生物一样，可以决定自己的行动，并且能够动态地应付周围的情况。对于人的挑逗也能够根据情况的不同做出各种复杂的反应，甚至能够进行对话。通过引进虚拟生物，可以实现系统的自主性、交互性及展现其自然的魅力。（）分布式虚拟现实系统的应用近几十年来，计算机、通讯技术的同步发展和相互促进成为全世界信息技术与产业飞速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起，使得信息应用系统在深度和广度上发生了本质性的变化，分布式虚拟现实系统（）即是一个较为典型的实例。所谓是指 个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。分布式虚拟现实系统在远程教育、科

18、学计算可视化、工程技术、建筑、电子商务、交互式娱乐、艺术等领域都有着极其广泛的应用前景。利用它可以创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区全新的应用系统。典型的应用领域有：（）教育应用把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣，学习效果十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展，使系统能够提供更加协调的人机对话方式。（）工程应用东北大学硕士学位论文第一章 绪论当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便直观地显示各种产品。目前，己经成为

19、机械、建筑等领域必不可少的软件工具。分布式虚拟现实系统的应用使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。（）商业应用对于那些期望与顾客建立直接联系的公司，尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司，具有特别的吸引力。分布式虚拟系统的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。例如，顾客可以访问虚拟世界中的商店，在那里挑选商品，然后通过 办理付款手续，商店则及时把商品送到顾客手中。（）娱乐应用娱乐领域是分布式虚拟现实系统的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境，从而使人们能够享受其中的乐趣，带来更好的娱乐感觉。 本课题的研究

20、内容 本课题的研究内容及目的本课题的研究目的是分析对比虚拟漫游的技术研究状况，获得虚拟场景漫游系统的实现方法，并通过三维建模构建大型场景数据库，最终实现虚拟场景的实时漫游。在上述工作的基础上，以三维实景为样板，在复杂实体的建模、场景数据库的优化、虚拟场景的漫游设计等方面展开工作，实现虚拟现实技术的一些重要的概念和方法，为有关三维建模、场景漫游、交互方式等技术验证提供一个完整的实验途径。本课题以东北大学虚拟校园漫游系统和东北大学虚拟实验室漫游系统为实例，其具体工作包括以下几个部分：（）场景建模与优化利用现有的东北大学校园部分实体模型图纸，收集相关实体的结构数据及大量照片，对校园进行实体建模和运动

21、建模。建模时考虑了光照、纹理、材质等诸多因素，建模过程使用大型建模软件 完成。在建立场景数据库基础上，对场景模型进行优化。（）实时漫游利用图形用户界面和大型实时仿真软件实现对虚拟校园的实时漫游，漫游过程中控制视点在虚拟场景中合理移动。所以视点控制这一作是研究漫游系统所东北大学硕士学位论文必须进行的。（）碰撞检测第一章绪论只有进行了碰撞检测，漫游系统才可以给人以行为上的真实感，刁一 可能对实体进行正确的操作。 主要研究关键技术具有通用性的虚拟漫游系统的开发主要涉及了如下关键技术：逼真三维模型的生成技术视点交互控制技术碰撞检测技术 本文的结构本论文主体分五章：第一章是绪论，概括介绍虚拟现实技术的发

22、展和应用，并介绍了本课题的研究内容。第二章是视景与建模技术研究，主要简单介绍了漫游系统的概念和意义，以及国内外虚拟场景漫游技术的研究现状并讲述了本系统的设计目标、开发流程和软硬件平台。第三章是虚拟建模技术研究。主要简述了视景的生成和三维建模的基本内容。介绍了建模软件 及其建模的关键技术。第四章是实时漫游与碰撞检测。介绍了 的使用和 的开发流程，详细介绍了视点的管理和碰撞检测。第五章是虚拟场景漫游系统实现。详细讲解了室外漫游系统和室内漫游系统的实现，其中室外漫游系统以东北大学虚拟校园漫游系统为例，室外漫游系统以东北大学虚拟现实实验室漫游系统为例。东北大学硕士学位论文第二章 虚拟漫游系统的设计与分

23、析第二章虚拟漫游系统的设计与分析漫游系统简介漫游系统的概念及意义漫游系统 包括一 个逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，它是个真实空间或假想空 的实时仿真虚拟空间，用户借助必要的装备以自然的方式在该虚拟空间中漫游，从任意角度对环境中虚拟对象进行观察，从而产生身临其境的感觉，同进也可以对其中的物体进行规划和操作。一般来说，虚拟场景漫游系统具有图所示的总体框图。图虚拟漫游系统总体框图 近年来技术的普及，使得设计者可以用计算机进行三维建模，利用效果图和三维动画来表现真实世界的三维空间。然而，效果图只能提供静态局部的视觉体验；动画虽然有较强的动态三维表现力，但不具备实时的交互性，人是被动的，

24、而且是对方案的修改以及观察路线的变化需要重新计算，几天甚至几周才能够看到结果，基本上不能辅助设计师动态地推敲和调整方案。尤其是目前的动画，需要相当高的投入，而只能实现简单、固定的演示功能，因此也未能在设计领域被广泛采用。虚拟漫游系统则可以很好地解决上述问题。漫游系统将以前的平面设计变成具体形象的三维场景，没有时间限制，并且场景中的三维景观具有实时交互性。在设计成果的展示方面，虚拟漫游系统更具有传统技术不可比拟的优势。漫游系统中的沉浸感和互动性不但能够让用户获得身临其境的直观体验，同时还能随时获取项目的数据资料，而且更可以导出视频文件用来制作多媒体宣传资料，进一步提高项目的宣传展示效果。例如，英

25、国的岛大桥的规划设计，在环境保护问题上有争议，受到公众关注。后来应用虚拟现实技术，逼真地向公众展示了设计建成后的大桥及周围环境一一东北大学硕士学位论文第二章虚拟漫游系统的设计与分析的形貌，以及作环岛飞行和驾车通过大桥的动态视觉感，受到公众的欢迎，大桥的设计方案因此也得到了肯定。虚拟漫游系统不仅对传统的平面设计图纸具有比较优势，而且在诸多方面也远胜于近年来使用较多的效果图与三维动画。从表 对照不难看出，虚拟漫游系统必将成为继之后普遍应用的一种重要的辅助设计工具。表 虚拟漫游与三维动画的区别 虚拟漫游虚拟环境由基于真实数据建立的数字模型组二维动画场景画面由动画制作人员根据材料或想象直合而成，严格遵

26、循工程项目设计的标准和要 接画制而成，与真实的环境和数据有较大的差求，属于科学仿真系统距，屈于演示类艾术作品操纵者亲身体验虚拟三维空间，身临其境预先假定的观察路径，无法改变操纵者可以实时感受运动带来的场景变化，步只能如电影一样单向演示，场景变化，画面需移景异，并可亲白布置场景，具有双向互动的功能要事先制作生成，耗时、费力、成本较高支持立体显示和立体声，三维空间更真实不支持在实时三维环境中，支持方案调藉、评估、管 只适合简单的演示功能理、信息卉询等功能，适合较大型复杂 程项目的规划、设计、管理等需要，同时又具有更真实和直观的多媒体演示功能 国内外虚拟场景漫游技术研究状况目前国内外研究的虚拟场景漫

27、游在实现方法上可分为两种，主要按照虚拟场景的构造方法来区分。一种是传统的基于几何建模的虚拟漫游技术，另一种是新兴的基于实景图像的虚拟漫游技术 基于建模的虚拟漫游技术纂于建模的虚拟漫游技术（简称建模法）以计算机图形学为基础，一首先对真实场景进行抽象，用多边形构造虚拟景观（包括地形、建筑、实体、树木）的三维儿何建模，并建立虚拟环境中的光线和材质模型，然后进行纹理映射及控制参数设定，最后通过软件控一 一东北大学硕士学位论文第二章虚拟漫游系统的设计与分析制根据观察者的位置、光照、消隐信息，在输出设备上实时渲染绘制视景画面，从而完成对整个场景的漫游。图 是建模法的流程框图。一一乍压奉可石少匕 匕二，一一

28、 口一一） 画 比较细腻、逼真，同时便于用户与虚拟场景中虚拟对象的交互，以及对虚拟对象的深度信息进行直接获取。即使在规划设计阶段，只要有相关的建筑图纸，按照对应比例与尺图建模法虚拟漫游流程框图 建模法实现的漫游系统中虚拟景观大多具有精确对应的几何模型，得到的场景显得寸，一样能够完成场景的构建与漫游，即能够实现虚物实化。建模法应用时间较长，技术路线比较成熟，国内外都研发了许多建模工具及控制集成软件，这些都使得建模法目前实际应用比较广泛。但是，建模法也存在许多工作不足：一是对复杂场景进行详细建模太过烦琐，上作量大，费时费力；二是当场景模型复杂时，实时显示的计算量较大，难以将实时交互与高质量图形环境

29、结合起来，场景难以达到完全逼真；三是场景实时渲染绘制对计算机软硬件要求较高。随着视景建模、图形快速显示、实时交互等相关技术的发展及硬件性能的不断提高，建模法在虚拟漫游领域还是很有用武之地的。为了实现高度的交互性，本文所实现的场景漫游系统采用了基于几何建模的方法。 基于图像的虚拟漫游技术基于图像的虚拟漫游技术（简称图像法）不依赖于三维几何建模，而是利用照相机采集的离散图像或摄像采集的连续视频作为基础数据，经过图像处理生成真实的全景图像，然后通过合适的空间模型把多幅全景图像组织为虚拟实景空间，用户在这个空间中可以前进、后退、环视、仰视、俯视、近看、远看等操作，从而实现全方位三维场景漫游的效果。图

30、是图像法的流程框图。东北大学硕士学位论文第二章虚拟漫游系统的设计与分析 ，： 州用 户 接 一浏览器实时控制虚拟实图图像法虚拟漫游流程框图 虚拟实景空间的生成主要依赖于全景图像生成器和空间编辑器。前者负责把多幅相互间有少量重叠区域的普通图像或连续的视频拼接为全景图像，把众多的全景图像组织为虚拟实景空间的功能则是由空间编辑器实现，常用的处理方法有图像透视交换、图像拼合、图像变形、图像合成与裁剪等。浏览器提供给最终用户漫游虚拟实景空间时使用，它采用全景图像数据预调，视点空间缓冲预调、视图变形、图像平滑过渡等一系列关键技术使得用户视点转移时场景能够平滑过渡，从而保证了用户视觉的一致性，使用户产生在实

31、景空间中行走的感觉。图像法能生成反映真实场景的高质量的图像环境，由于不需复杂建模，漫游效果及处理时间与场景内容的复杂度无关，不需要专业的图形加速设备，对硬件的要求不及几何建模那么高，而且通过真实图像完全可以实现实物虚化，可以应用于旅游景点、虚拟场馆介绍以及远地空间再现等许多方面，是目前国际上的研究热点之一。但图像法首先要求获得基于真实场景的实景图像（ ），因此当真实场景并不存在，或还只处于设计规划阶段时，在场景构造上它就无能为力了；而且由于场景中的虚拟物体是图像中的二维对象，因而用户很难甚至不能与这些二维对象进行交互：另外，获得实景图像需要高性能的照相与摄影装备，得到的大量图像文件也需要大量的

32、存储空间，这些都使它的应用受到了一些限制。由于图像法有这样的缺点所以选择了比较成熟的建模法。 基于图形与图像混合建模的虚拟漫游技术上述的两种实现虚拟漫游技术方法中，建模法可称为基于几何模型的建模和绘制（ 一一），又称为基于图形的建模和绘制（ ），而图像法又称为基于图像的建模和绘制（ ）。这两种方法各有优缺点，如果采用基于图形与图像混合建模技术就能将两者的优点集合于一体，在应用中扬长避短。混合建东北大学硕士学位论文第二章虚拟漫游系统的设计与分析模技术的基本思想是先利用构造虚拟场景的环境来获得逼真的视觉效果，同进对虚拟环境中用户要与之交互的对象利用来进行实体构建，这样既增加了场景真实感，又能保证实

33、时性与交互性，提高用户的沉浸感。混合建模虽然具有各种优点，但其实现也带来了很多技术上的困难。首先是虚拟实体对象（即实体模型）与纯粹对象（即二维图像中的对象）之间在虚拟世界坐标系中的坐标位置、摆设方向上要精确匹配，其次是虚拟实体对象几何模型，在虚拟光源照射下所产生的实体亮度、阴影强度及方向与纯粹虚对象的亮度、阴影强度和方向也要准确匹配，另外，这种虚实无缝连接还要满足实时交互性，即随着用户视角、位置的改变要能立即生成新的视点图像，而且对实体对象的操作要能立即得到反馈。这些都对虚拟现实混合建模的算法提出了很高的要求。因此，混合建模技术现在还处于探索研究阶段，还没有得到广泛应用。方法在实现时为了降低场

34、景的复杂度，经常也采用图像作为纹理来替代实体模型的表面细节甚至整个模型，但其对纹理图像的使用并没有像中对连续图像进行拼合、组织、编码以形成场景，因此，这种图形与图像的混合使用与真正意义上的混合建模技术还有很大的距离。虚拟漫游技术的研究现状众多的国外大学及科研机构都在从事虚拟场景漫游的研究。其中美国加州大学北卡分校（ ）及伯克利（ ）分校的学术活动相当活跃，两校都拥有世界一流的漫游技术研究室，研究室中装配着大量图形工作站、高分辨率图形显示器、各种类型的头盔显示器（）、数据手套、步行器等价值昂贵的设备。漫游技术研究室把建筑漫游作为自己的主要研究方向，到目前为止，他们完成的实时漫游大型建筑己达十个以

35、上，其中至少有三项是为了节省时间和资金而进行的事前仿真让用户和设计者在工程开始之前对整修设计做出评估并反复修正设计方案。 年，在上用视景质量的代价换取了由 个三角形构造的一个电厂模型的实时交互漫游，表明其研究的纹理盒消除模型、细节层次模型、可见区预计算算法大大提高了场景渲染的效率。年，加州伯克利分校在工作站也实现了本校新楼的实时漫游。在我国，清华、北航、杭州大学、浙大、中国刃，业大学等许多大学都己在开展虚拟场景漫游技术的研究，在视景技术、三维图形算法、建模方法等方面都取得了重要成果，并在城市规划与建筑领域得到了初步的实际应用。一一东北大学硕士学位论文第二章虚拟漫游系统的设计与分析清华大学土木系

36、的“”小组使用 公司的虚拟环境软件包于 年开发了“清华北大蓝旗营教师住宅小区”虚拟环境漫游系统；北京航空航天大学虚拟现实与可视化新技术研究室，也完成了恒昌花园及其房内装修；杭州大学也己成功研制出了能使人身临其境的“虚拟故宫”漫游系统，对主要建筑物的外观进行了建模，使用脚踏车作为交互手段，可以让漫游者原地不动地在故宫中潇洒骑一回；大连海事大学也己成功开发船舶模拟器的虚拟机舱漫游系统，并达到理想效果。虚拟漫游系统的实现系统设计目标本系统所漫游的场景分为两种：室外漫游与室内漫游。本系统实现的室外漫游的场景主体为东北大学实景，根据东北大学实景建立了重点建筑群约处，包括：主楼、各个教学馆、宿舍、花园、家

37、属区等。室内漫游建立了东北大学矿电楼内部环境，重点构建了东北大学虚拟现实实验室。本系统能够细腻、逼真地提供场景画面，同时还要能够实现实时交互控制，以便操作者能够切换视点，在场景中随意浏览，让操作者有身临其境的感觉。系统开发流程虚拟漫游系统实现的技术途径主要采用几何建模与实景图像法（主要用于纹理映射），系统实施大体可以简化为两大步骤：首先完成三维场景建模与优化，然后对场景进行实时漫游。其具体的开发流程 见图系统的软硬件平台（）软件平台 （）三维建模软件 是 公司出品的三维仿真建模软件，它提供创建和编辑数据库文件原可视化环境，其对场景的描述几乎己成为交互式的工业标准。 定义了一种数据格式，称为 ，

38、简称 。数据库采用树状层次结构进行组织，它支持许多场景仿真中的概念：如光源、纹理映射、层次细节（ ） 声音、自由度、动画序列、模型实例化等。东北大学硕士学位论文第二章虚拟漫游系统的设计与分析图虚拟漫游系统开发流程 （）图形用户界面切是用来设定和预览应用程序的图形式用户界面，它可以在不涉及源代码的前提下便捷地改变应用程序的性能。此外，的开放性使用户可认根据自己的特殊需求赋予其新的功能。（。）大型实时仿真软件 美国 公司用于虚拟现实、实时视景仿真、声音仿真以及其它可视化领域的世界领先级应用软件工具。它支持快速复杂的视觉仿真程序，能为用户提供一种处理复杂仿真事件的便捷手段。是在 软件的基础上发展起来

39、的，为 增加了许多重要特性。它将易用的工具和高级仿真功能巧妙地结合起来，使用户以简单的操作迅速地创建、编辑和运行复杂的仿真程序。可以迅速创建各种实时交互的环境，以满足不同行业的需求。东北大学硕士学位论文第二章虚拟漫游系统的设计与分析（ ）图像处理软件 专业的图像处理软件，用于处理实景照片，得到模型的纹理。（）硬件平台（）立体投影虚拟现实工作站一套其中包括 专业虚拟现实工作站（ 台）、视频分配器（台）、 立体投影系统（ 套）专用投影幕（ 个）自由度三维空间交互球 （个）、无线立体眼镜（副）。（）桌面虚拟现实系统其中包括桌面虚拟现实专业工作站台（ 台）、中央红外信号控制发射器（ 台）、无线立体眼镜

40、（ 副）、有线立体眼镜（ 副）自由度三维空间交互球 （ 个）。（ ） 机台主要用于辅助建模及纹理处理。（ ）数码相机台，用于摄取实景照片。东北大学硕士学位论文第三章视景与建模技术研究第三章视景与建模技术研究为了使用户能够真正沉浸于一个由计算机生成的虚拟环境中，必须使生成的环境足够逼真和自然，一个虚拟环境是否逼真，取决于人的感官对比环境的主观感觉。人对环境的感知主要是通过视觉、听觉、触觉、嗅觉及力觉等来获取的，因此一个好的虚拟环境必须给这些感官提供与现实环境相似的刺激。人的信息感知约有是通过眼睛获取的，所以视觉感知的质量在用户对环境的主观感知中占有最重要的地位。也就是说，一个虚拟环境的好坏主要取

41、决于其视景生成系统的好坏，虚拟环境的视景效果是影响虚拟现实系统沉浸感的最重要的因素。虚拟场景的构建首先要完成的是对场景的三维建模工作，三维模型的构建是漫游系统实现的基础，也是虚拟视景生成技术的一项重要研究内容。本章主要介绍视景生成技术与建模技术，为第四章的实体模型的建立的奠定理论与技术基础。视景生成与三维建模基础在虚拟场景中漫游 时，用户感知的主要是视景图像，视景图像是计算机根据环境的需要，利用给定的条件和模型，在对图像数据和图形数据计算后生成的，其生成的过程如图 所示。图视景的生成由图可见，视景图像的生成首先取决于生成条件与模型。在用数学方法建立所 需三维场景的几何描述，即完成三维模型构建后

42、、再通过场景的透视变换将三维几何描述转换为二维视图，并确定场景中的所有可见面，然后通过光照与材质模型对所有可见面着色，最终生成具有真实感的图像。 视景的生成在建模和三维图像显示过程中，需要将三维空间转换为二维视图，经常要接触图像东北大学硕士学位论文第三章视景与建模技术研究变换的概念，即几何变换、投影变换、视口变换等。 从三维空间到二维平面真实世界里的所有三维物体在虚拟场景中输出时必须以二维视图的形式表现出来，所以在建模及视景显示中必须完成从三维空间到二维平面的转换。这一过程类似于照相机的摄影过程，通常要经历以下几个步骤（括号内表示的是相应的图形学概念）：第一步：调整三维物体的位置与形态（模型变

43、换， ）；第二步：将相机对准三维景物，调整拍摄角度（视点变换， ）；第三步：选择相机镜头并调焦，使三维物体投影在二维胶片上（投影变换， ）：第四步：决定二维相片的大小（视口变换， ） 投影变换真实世界中我们描述物体采用的是三维坐标，而输出视景的计算机屏幕是二维的，这就需要将三维物体变换为二维图形，也就是要对物体进行投影变换。投影变换 可分为几类，如图 所示。正正投影正平行投影正等测几正轴测投影正二测平行投影！斜等测正三测姆斜平行投影！ 斜二测一点透视透视投影凡二点透视三点透视图投影的分类 有时为了突出图形的一部分，只把图形的某一部分显示出来，这时可以定义一个三维视景体，根据投影中心与投影平面之

44、间距离的不同，投影可以分为平行投影和透视投影。平行投影的投影中心与投影平面之间的距离为无穷大，它的视景体是一个长方体。而透视投影的投影中心与投影平面之间的距离是一个有限值，它的视景体是一个棱台。透视投影符合人类的视觉习惯，同样尺寸的物体离视点近的比离视点远的大，远到极点即消失。由于这种投影方式与人类的工作方式相似，因此经常被用于动画、视觉模拟等场合。正如人的眼睛不能聚焦到非常近或非常远的物体一样，透视投影有两个剪切面：东北大学硕士学位论文第三章视景与建模技术研究近剪切面和远剪切面，分别将离视点太近和太远的物体部分地或全部地剪切掉。如图所示。月卜一，一，一一之二之三 几一二军 图对称式观测截锥体

45、 表示取景体在平面上取景区域的角度，以度为单位，取值范围是 度； 代表剪切面的宽高比； 和 是在轴负向上视点距近、远切面的距离； 几何变换图形的几何变换主要涉及各种坐标变换、曲线和曲面的拟合等问题。其中图形坐标变换包括三维和二维，基本变换类型有平移、放大与缩小、旋转、剪切等。曲线、曲面拟合主要研究曲线段或曲面片几何连续和光滑连接等问题。 视口变换在计算机图形学中，视口变换的定义是将经过几何变换、投影变换和剪切变换后的物体显示于屏幕窗口内的指定的区域内，这个区域常为矩形，称为视口。在实际应用中，视口的长宽比率总是等于视景体剪取面的长宽比率。如果两个比率不相等，那么投影后的图像显示于视口时会发生变

46、形。 坐标系统目前虚拟环境系统中常用的坐标系统有直角坐标系、极坐标系、球坐标系等。其中，直角坐标系也称为笛卡儿坐标系，分为左手坐标系和右手坐标系两种，是计算机图形学中最常用最基本的坐标系统，本系统采用的是右手坐标系，见图东北大学硕士学位论文第三章视景与建模技术研究 图右手直角坐标系统 本文讨论的虚拟漫游系统采用的是直角坐标系统，它主要有以下几种类型：（）局部坐标系统伽： ，又称造型坐标系统）它是右手三维直角坐标系，用来定义虚拟环境中的实体。建立这一坐标系统的原因是对于每一个实体都定义各自的坐标原点和长度单位，有利于物体的构造和操作。在局部坐标系中构造和操作的结果，经过变换可放在世界（全局） 坐

47、标系中指定的位置，而不必利用全局坐标系去构造每一个实体和在全局坐标系中进行变换运算，从而简化了过程，减少了大量的矩阵计算。（）世界坐标系统（： ，又称全局坐标系）它也是右手三维直角坐标系统，一般与用户定义的局部坐标系一致，但它用于定义整个虚拟环境，是最高层的图形结构，各种实体经变换后都放在全局坐标系中的适当位置。（ ）观察坐标系（： ）它是左手三维直角坐标系统，可在世界坐标系的任何位置、任何方向定义，它有两个主要用途：一是用于指定裁剪空间，确定形体的哪一部分要显示输出；二是通过定义观察（ 投影） 平面，把三维形体的用户坐标变换为规格化的设备坐标。观察平面是在观察坐标系中定义的，通常其法向量和重

48、合。和间的距离为，用户在此平面上定义观察窗口，用户坐标系与观察坐标系之 的关系如图所示。东北大学硕士学位论文第三章视景与建模才 支术研究图世界坐标系和观察坐标系 （ ）屏幕坐标系计算机对数据化的实物模型作了加工处理，要在图形显示器上显示输出，于是要在图形显示器屏幕上定义一个二维直角坐标系，这个坐标系称为屏幕坐标系。此坐标系纵标轴的方向通常取成平行于屏幕的边缘，坐标原点在左下角，长度单位是一个像素的长度，可以是整型数。（）输入设备坐标系统这类坐标系统主要用来跟踪一些传感器，采用什么规则由厂商决定。为了使物体能认合适的位置、大小和方向显示出来，必须要通过投影，并将投影后图形在视口内显示。为了适应物

49、理设备坐标和视口所在坐标的差别，还要做一适应物理坐标的变换。这个坐标系称为物理设备坐标系。根据上面所述，三维图形的显示流程应如图 所示。标些 变换卜一卜世界 丛画卜习投裂 示一一卜投 设备坐标设备坐标图 石三维图形的显示流程 三维建模基本内容建立模型即创立和管理一个系统的表示。这个系统即可以是单个对象也可以是对象集合，它的一种表示称为系统的一个模型。系统可以用图形或者符号定义，也可以完全是描述性的定义。建模首先要实现的就是对系统的定义，虚拟场景一般是一个复杂的对象系统，对它的描述必须包括场景中的所有对象。所谓三维模型 就是用三维图形来一 一东北大学硕士学位论文第三章视景与建模技术研究定义场景的

50、系统模型。为了给用户创建一个能感到身临其境和沉浸其中的环境，虚拟现实系统必须能根据需要逼真的示出客观世界中的一切对象。不只是要求所显示的对象模型在外形上与真实对象酷似，而且要求它们在形态、光照、质感等方面都十分逼真。三维建模包括几何建模、运动建模、物理建模、对象行为建模等。几何建模对象的几何建模是生成高质量视景图像的先决条件，它是用来描述对象内部固有的几何性质的抽象模型。一个对象由一个或多个基元构成，对象的几何模型所表示的内容包括：（）对象中基元的轮廓和形状，以及反映基本表面特点的属性，如颜色。（）基元间的连接性。即基元结构或对象的拓扑特性。连接性的描述可以用矩阵、树、网络等。（）应用中的要求