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研究生读书笔记共14页
研究生读书笔记(dúshūbǐjì):
一、虚拟校园(xiàoyuán)系统相关知识
随着计算机技术、通信技术及其他相关技术的飞速发展,虚拟现实的仿真技术也日益成为(chéngwéi)当前研究的热点。
通常传统的校园三维立体图内容单一,缺乏实体感,实用价值受到限制,而虚拟校园是将虚拟现实技术引入到“数字(shùzì)校园”的研究中,为校园的规划和设计提供了一种全新的手段。
虚拟校园三维模型不仅能自然、真实、形象地表达现实世界的对象,而且拓展了现实校园的时间和空间维度,从而扩展其功能。
虚拟校园漫游系统,以真实校园为整体蓝本(校园布局设计、交通、景观、教学及生活环境、建筑物内外、人文)。
该系统成功虚拟了现实校园的全部场景,可以实现访问者自动漫游,以及改变视点进行环视,访问者还可以做出像在真实世界一样的动态行为,实现了环境的艺术性和真实性。
我们一般以真实校园或校园设计规划的蓝图为参照,利用三维技术和VR技术,在虚拟世界中创建出学校的教学楼、图书馆、食堂、宿舍楼、体育场、道路、广场、花园、树木等虚拟模型,然后以虚拟现实技术为核心,结合ASP技术、JS脚本语言和Java语言,实现基于TCP/IP协议和因特网的逼真虚拟校园漫游系统。
——除了网络应用外,该系统还可用于大屏幕投影显示、触摸屏。
虚拟校园漫游系统(VirtualCampus)是基于地理信息系统技术、虚拟现实技术、宽带网络技术、多媒体技术、计算机图形学等高新技术,将校园地理空间信息和其属性信息相结合,构建一个逼真的、具有视觉、厅局、触觉的虚拟校园景观,用户可以利用计算机网络远程访问这个全新的校园景观,通过终端计算机在虚拟校园中漫游,而且可以进行查询、搜索等操作。
虚拟校园漫游系统是数字校园建设的基础,它的研究和创建对以后数字校园的建设有重要的现实意义。
它是一个三维可视化的、有声有色的仿真校园景观,既可以为学校树立良好的形象,提高学校的知名度,宣传校园文化,还可以作为校园规划的辅助工具,在对校园内部的建筑物、道路、辅助设施进行修建规划时,可以在这个虚拟三维环境中动态交互的对未来校园环境进行全面的审查,为校园规划和设计提供更明确的目标。
同时也提高了校园管理的效率和科学化水平,加快校园建设。
虚拟现实系统中场景模型的复杂度和交互实时性之间的矛盾是虚拟场景绘制中存在的主要问题,也是制约虚拟现实应用发展的瓶颈技术。
实时三维图形绘制和加速技术是目前计算机图形、虚拟现实技术中重要(zhòngyào)的研究领域和极富挑战性的课题。
随着虚拟现实技术应用的深入,计算机所绘制的场景日益复杂、逼真,远远超过了计算机硬件绘制能力。
尽管计算机图形软、硬件技术水平飞速发展,许多图元的绘制可通过硬件来实现加速,但是远远不能满足人们的应用需求。
而且,虚拟现实技术的许多应用领域(如:
协同式计算机辅助设计、虚拟场景漫游、飞行仿真、vR游戏、远程医疗和数字地球等)都要求用户能在交互式的帧频率下同场景中的对象进行实时操作和理解。
二、虚拟(xūnǐ)校园场景相关建模技术(jìshù)
1.基于图形(túxíng)绘制的建模技术
基于图形绘制的建模技术(Graphic-BasedModelingandRendering——GBMR,简称几何建模法)是充分利用计算机图形学技术进行虚拟环境的建模和绘制。
首先对真实世界进行抽象,用多边形构造虚拟景观(包括地形、建筑、实体、树木等)的三维几何建模,并建立虚拟环境中的光照和材质模型,然后进行纹理映射及控制参数设定,利用计算机由模型实现多边形处理、着色、消隐、光照以及投影等一系列绘制过程,产生虚拟场景,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和交互。
几何建模法实现的虚拟场景大多具有精确对应的几何模型,得到的场景显得比较细腻、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,按照对应比例与尺寸,一样能够完成场景的构建与漫游,即能够实现虚物实化。
几何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,这些都使得几何建模法目前实际应用比较广泛。
但在场景模型比较复杂的情况下,几何建模技术也存在一些不足:
一是对复杂场景进行详细建模太过烦琐,工作量大,费时费力;二是当场景模型复杂时,实时显示的计算量较大,而使用户与虚拟场景无法实时交互,用户对场景中虚拟对象的操作也无法得到实时的反馈,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。
这将使场景的复杂性因硬件的处理能力而受到限制,从而使对复杂场景的建模难以实现。
2.基于图像(túxiànɡ)的建模绘制技术
基于图像(túxiànɡ)的建模绘制技术(Image-BasedModelingRendering——IBMR)是指用预先获得的一组图像(合成的或真实的)来表示场景的形状和外观;而新图像的合成则是通过适当地组合原有图像来实现。
基于图像建模的方法可以克服复杂场景三维建模的困难,并且可以使用真实世界的图像提供更丰富的细节,较容易得到与真实环境相近的效果,生成图像的质量独立(dúlì)于场景的复杂性。
其计算量较小,也不受场景复杂度的限制,且对硬件的要求也不及基于图形的建模高,还可以在微机上实现。
但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,出现漫游失真,该方法适合于基于真实自然场景的三维虚拟环境的建立。
另外,获得实景图像需要高性能的照相与摄影器材,得到的大量图像文件也需要大量的存储空间,这些都使它的应用受到了一些限制。
从以上对两种技术的介绍(jièshào)可以看出:
与GBMR相比较,IBMR的优点在于:
建模容易:
不需耗费大量的人力和技巧,通常的IBMR意义下的建模过程主要是一个系统如何组织和联系现有获得数据的问题,而不是需要所有的几何细节。
用户需要做的事情主要是拍摄照片以及一些简单的交互操作,即使需要一些额外的几何信息,IBMR系统一般也是主要通过计算机视觉的知识进行自动的提取和匹配,而不需要人工的繁复劳动。
绘制快:
不需要复杂的计算,直接从已有的视图中合成新视图,绘制时间不依赖于场景的复杂度,它所构造的场景模型一旦建立,在绘制输出时和场景的复杂度没有关系,只跟采样与显示分辨率有关。
在场景复杂度增加时,它的显示输出时间是一个常数,不会因为场景复杂度增加而引起“屏闪”现象。
由于绘制速度快,可以在低档微机上实时生成场景,无需高档的图形专用硬件,这是IBMR技术的一个明显优势。
真实感强:
由于所有景物的形状、光照(guāngzhào)、材质和纹理等效果都是来自真实拍摄的照片,而不是通过模型计算生成光照与纹理图像,真实场景的显示容易达到很高的逼真效果,是传统基于几何方法无法比拟的,这是IBMR技术相对于传统几何建模绘制技术最明显的一个优势。
计算量小:
基于几何的方法需要建立场景完整的、精确的表达,绘制时也要对整个场景进行计算和存储。
相反,IBMR技术只需要离散的相片采样,绘制时也只要对与当前视点相邻的图像进行处理,因此计算量远远小于传统计算机图形学建模。
3.基于图形与图像(túxiànɡ)的混合建模技术
可以看出GBMR和IBMR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于一体,在应用中扬长避短。
既避免复杂场景几何模型的大量计算,又满足实时性要求。
混合建模技术的基本思想是先利用IBMR构造虚拟场景的环境来获得逼真的视觉效果,同时对虚拟环境中用户要与之交互的对象利用GBMR来进行实体构建,这样既增加(zēngjiā)了场景真实感,又能保证实时性与交互性,提高用户的沉浸感,在实际应用上,这种技术将很有意义。
尽管基于图形与图像的混合建模技术集基于图形渲染建模与基于图像建模的优点于一体,但是其实现也带来很多技术上的困难和人机交互的难度,如两种场景的无缝连接和交互时的场景变换等问题尚待优化,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。
为了避免复杂场景几何模型的大量计算,构造真实感强、逼真度高、实时性强的校园场景,VCS虚拟校园系统采用基于图形与图像的混合建模技术作为三维场景模型建立的最主要建模技术。
同一个(yīɡè)物体,把它放到远近不同的位置,人的眼镜所能看到的该物体细节的详细程度是不一样的,在视点离物体比较远的情况下,再详细的模型,也只能看到大概的轮廓,因此如果此时仍然选用细节非常详细的物体模型参与该模型远景的生成,则是一种浪费,应该用一个相对比较简单但又能表现其主要轮廓的模型取而代之。
有效的办法是,根据这一视觉规律,预先为同一个物体建造一组详细程度有差别的几何模型,计算机在生成视景时,根据该物体所在位置离视点距离的大小,调入相应详细程度的模型参与视景的生成,以节约计算时间,增强视景的“实时”效果,其实现方法就是为物体建造一组详细程度不同的模型。
目前的层次细节技术的研究主要集中于如何建立原始网格模型(móxíng)的不同层次细节模型以及如何建立相邻层次的多边形网格模型之间的几何形状过渡。
对于原始网格模型的不同层次细节的模型建立,我们假设场景的模型都是三角形网格(在实际应用中,为了绘制方便,三维场景最后一般都被转化为三角形网格),从网格的几何及拓扑特性出发,存在着三种不同基本简化操作,分别是:
(1)顶点删除操作。
删除网格中的一个顶点,然后对它的相邻(xiānɡlín)三角形形成的空洞作三角剖分,以保持网格的拓扑一致性。
(2)边压缩操作。
把网格上的一条(yītiáo)边压缩为一个顶点,与该边相邻的两个三角形退化(面积为零),而它的两个顶点融合为一个新的顶点。
(3)面收缩操作。
把网格上的一个(yīɡè)面片收缩为一个顶点,该三角形本身和与其相邻的三个三角形都退化,而它的三个顶点收缩为一个新的顶点。
虚拟场景模型是整个实时漫游系统的基础,模型的好坏直接影响运行的效果和场景的逼真度,过多的模型细节会严重降低基于Web场景图形的绘制效率,因此在建模过程中往往要在模型的细节度和复杂性之间寻求平衡,必要时用纹理代替模型细节。
完全用VRML语言建立复杂的三维模型是相当烦琐的并毫无直观性可言,而3DSMAX强大的三维建模功能刚好可以弥补VRML这方面的不足3DSMAX是一种功能强大的可视化建模工具,只要综合利用3DSMAX中提供的各种建模方法和工具,就可以得到合乎用户需要的模型,一般对于复杂的造型采用它,3DSMAX支持VRML文件格式的输出,通过VRML插件辅助工具,可以直接输出场景,包括几何造型、材质、动画等,大大简化了VRML编程复杂度。
在VCS虚拟校园系统场景的构建中,充分利用了3DSMAX12给用户提供的多种建模方法,分别如下所示:
(1)直接创建几何体对象。
3DSMAX内置了许多基本的几何体模块,比如球体、立方体、圆柱体、三角锥等,用户只要拖动鼠标定义对象的尺寸,或者在命令面板中直
接用键盘输入各种位置、大小信息,3DSMAX就会生成一些基本几何体,在对这些基本几何体进行一系列的编辑,既可以得到所要创建(chuàngjiàn)的对象。
(2)使用样条曲线图形。
样条曲线是一种根据数学原理弯曲的特殊类型(lèixíng)曲线,它们通常是在三维空间中绘制的二维曲线,3DSMAX通过给二维图形添加厚度(Extrude)、旋转(Lathe)样条曲线来创建三维对象。
(3)使用网格(Mesh)对象。
网格对象是大多数3D文件类型使用的默认模型类型,包括流行的3D格式3DSDXF都是以网格的形式存储的。
3DSMAX可以把一些简单的几何体转换为网格对象,然后通过编辑(biānjí)修改器(Modifier)对网格对象的次对象,如顶点(Vertex),边(Edge)、面(Face)、多边形(Polygon)和体元素(Element)进行编辑,从而得到想要得到的复杂模型。
(4)使用面片(Patch)对象。
面片的使用方法类似于网格,它们的区别仅在于(zàiyú)生成图形的数学原理基于Web的VCS虚拟校园系统的构建不同,网格对象用平面方程来包围几何体的表面,面片则是用Bezier曲线来逼近物体表面,它是多边形网格对象的补充。
(5)使用复合(Compound)对象。
它主要是通过对已得到的简单模型进行变形(Morph),离散(Scatter)、包裹(Conform)、连接(Connect)、形体合并(ShapeMerge)、布尔运算(Boolean)、放样(Loft)等过程生成用户需要的复杂模型。
(6)用NURBS对象。
NURBS是Non-UniformRationalBSplines(非均匀有理B样条曲线)的首字母缩略词,从这个名字就可以知道它是基于NURBS曲线原理来构造三维物体的。
(7)放样(Loft)对象。
放样是来自造船业的一个术语,它借用了造船业的思想,先创建并定位横截面,然后定义一个放样路径,让横截面沿路径拉伸,从而得到三维对象。
在3DSMAX中对三维模型建模成功后,保存为VRML文件格式,但是这种文件数据量大,为适合网络实时传输,就必须对模型进行优化,即在保证模型不失真的情况下优化模型,尽可能减少文件的数据量。
然后输出的文件在Vrmlpad2.0编辑环境下由VRML本身的节点实现一些场景或物体的组合以及交互性和动态行为等。
学校内教学楼、宿舍楼、食堂及实验楼等公共设施众多,有了三维虚拟(xūnǐ)校园,使新生在入学前就可以全面的了解校园的布局,交互式的查询,可以了解校园的所有信息,为尽快的适应学习生活提供方便;三维虚拟校园不只是对现实校园建筑形状、地理形态的仿真,而是对整个校园及其社会活动和经济活动在网络上的真实再现。
(还可接驳触摸屏、大屏幕投影、拼接屏
三、Converse3D软件平台相关(xiāngguān)知识
现实引擎是由北京(běijīnɡ)中天灏景网络科技有限公司自主研发的具有完全知识产权的一款三维虚拟现实平台软件,可广泛(guǎngfàn)的应用于视景仿真、城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、娱乐、艺术与教育等行业。
该软件适用性强、操作简单、功能强大、Converse3D虚拟现实引擎的问世给中国的虚拟现实技术领域注入了新的生命力。
Converse3D的核心引擎是整个虚拟现实系统的核心部分,采用DirectX9.0和C++编写。
包括场景管理、资源管理、角色动画、Mesh物体生成、3dmax数据导出模块、粒子系统、LOD地形、UI、服务器模块等。
采用多叉树结构组织各种资源节点、动态载入、卸载资源、视见体裁切技术,这为渲染海量三角面而性能不减提供了支持;支持3dsmaxMesh物体、角色动画、相机动画、烘焙贴图等各种数据的导出与引用;使用脚本配置粒子系统和UI,功能强大而灵活;支持顶点渲染和像素渲染。
Converse3D-虚拟现实引擎特色是采用多线程加载、卸载技术同时支持B/S、C/S它的两种系统架构支持动态实时光照、软件抗锯齿,可用于虚拟现实和游戏制作与开发、LOD地形管理技术,支持超大范围地形、支持城市级大场景的网络展示、动态内存(显存)管理技术、独有的模型、贴图压缩技术、数据压缩比高
骨骼动画系统(xìtǒng),支持Skin和Physique蒙皮、矩阵动画、相机(xiàngjī)动画、纹理动画、柔体动画、二次开发包(SDK)强大(qiángdà)稳定、适用面广
内嵌高性能物理(wùlǐ)引擎,粒子特效系统
其中,C3D-Creator三维场景编辑器、构建三维场景,是C3D虚拟现实系列产品所共同依赖的场景编辑器,在其中创建模型、界面、调整材质、设置交互及各种特殊效果。
C3D-SDK二次开发工具包用于虚拟现实项目的二次开发,可构建系统级大型项目,广泛应用于工业、农业、石油、电力、虚拟会展、虚拟商城等行业。
C3D-Web3D三维网络展示平台实现三维场景的网络展示,用户通过IE等主流浏览器便可浏览三维场景。
广泛应用于电子产品、工业产品、数字城市等的分布式网络展示。
C3D-Community虚拟社区可实现基于网页的多人在线角色扮演互动交流系统,用于多人协同应急演练、虚拟会展、虚拟商城等。
C3D-Traveller旅游实训系统实现多通道环幕立体显示软硬件系统,具有景点切换、导游回放、试题汇编、方向盘接入等功能。
广泛应用于大中专院校的导游专业。
C3D-PhycX物理引擎用于模拟物理现象,可模拟刚体运动、流体运动、布料等物理效果,物体之间的相互作用精准而高效。
涵盖了现实世界中几乎所有的物理运动。
Converse3D多通道环幕立体投影系统用于多通道环幕立体展示,软件弧形矫正、边缘融合,被动式立体投影,高速帧同步。
C3D-Industry工业仿真可实现工业领域中诸如虚拟培训、虚拟装配、虚拟生产线等功能。
在虚拟现实系统中首先要做的第一步是生成虚拟场景,也就是我们通常所说的场景建模。
当前世界范围内围绕虚拟场景建模问题的解决方式主要有以下两种,其一是基于计算机图形学的三维几何模型建模G(ocmeyrt一BasdeMdoelni助,又称为基于图形的建模(Grpahics一BasdeMdoelin幻,另一种建模方式是近几年发展起来的基于图像的建模(mIgae一BasdeMdoeling)技术,它采用待建三维虚拟空间的多幅图像样本,在一定的图像处理算法和视觉计算算法的基础上来构造三维场景。
这两种建模方法各有优缺点,基于计算机图形学的几何模型建模的优点是,用户可以方便地与虚拟场景中的虚拟对象进行交互,也可以方便地获取虚拟对象的深度信息,由于深度信息是三维图形最基本的特征,同时“以人为本”的交互性能深受大家的青睐,基于图形的建模方式在众多虚拟现实系统中得以广泛应用。
其缺点是几何模型三维场景的真实感是建立在对几何物体表面材质的光照模型基础上的,其阴影和纹理要在基于某种光照模型的计算下,通过硬件绘制,并配以图形加速性能显示出来,这在场景模型复杂的情况下,将会因计算量较大,而产生延时,从而使场景的复杂度受到限制;基于图像的三维场景建模是在对场景己有图像集合处理的基础上生成的,其优点是计算量较小,对硬件的要求不如几何建模那样高,缺点是场景中的虚拟物体是图像中的二维对象,因而用户很难,甚至不能与这些虚拟对象进行交互操作,,此外基于图像的三维场景建模的虚拟现实系统,在用户的使用过程中,仅能定点游览或小范围的变动视点,而不能随意漫游,极大地限制了该方法的使用。
一个较好的策略是结合这二种建模方法,取长补短,使虚拟现实系统的性能更加完善,目前的混合建模方法由此而生。
通常虚拟现实系统的场景都较为庞大繁杂,而且一般的图形图像API都不支持绘制复杂的对象,如果直接在应用程序中生成,非常烦琐复杂、工作量巨大,同时计算机的软硬件要求很高。
目前通用的做法是预先生成系统的相关模型,然后在应用程序中进行调用。
国外有一些专用的建模工具(并配备专用的引擎工具)如:
MULTIGENCREAIER、WORLDTOOL等,而国内这方面还没有较为成熟的应用软件,因此进行这方面的工作很有现实意义。
一种变通的做法是利用如3DsMAX、AUQTCAD、3DsTuDIO等通用软件进行建模,由于这些通用软件并没有为虚拟现实系统提供专用的接口,使用这些通用软件的一个主要问题是需要了解这些软件的文件格式,开发专用的接口,以便虚拟现实系统能根据系统开发者的要求调用建成的场景模型。
四、Unity3D相关(xiāngguān)知识
Unity是由UnityTechnologies开发(kāifā)的一个让玩家轻松创建(chuàngjiàn)诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时(shíshí)三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具,是一个全面整合的专业游戏引擎。
Unity类似于Director,Blendergameengine,Virtools或TorqueGameBuilder等利用交互的图型化开发环境为首要方式的软件其编辑器运行在Windows和MacOSX下,可发布游戏至Windows、Mac、Wii、iPhone和Android平台。
也可以利用Unitywebplayer插件发布网页游戏手机游戏,支持Mac和Windows的网页浏览。
它的网页播放器也被Macwidgets所支持。
Unity3D是利用交互的图形化开发(kāifā)环境为首要方式的软件,其编辑器运行(yùnxíng)在Windows和MacOSX下,可发布漫游(mànyóu)效果至Windows、Wii、Mac、iPhone和Android等平台(píngtái)。
Unity3D也可以使用Unitywebplayer插件来发布网页漫游效果,支持Mac和Windows的网页浏览。
采用javascripts、C#等编写脚本语言。
由于Unity3D主要作为一款游戏引擎,已经为用户在硬件API基础之上搭建了一层基于组合的架构,所以在制作3D漫游效果时,只需要在Unity3D软件的基础之上,根据自己将要制作的漫游效果类型,再搭建一层可以合理的容纳漫游功能的框架即可。
在使用Unity3D软件的过程中,用户需要理解Unity3D所提供的一些内置关键概念。
譬如说,在Unity3D软件中,所有的物体都是GameObject,即漫游效果的对象。
Unity3D使用不同的组件来区分不同的漫游对象,只需要给不同的漫游对象赋予不同的组件,就可以让漫游对象具备不同的特性,从而让漫游对象拥有属于自己的行为。
换言之,漫游对象只相当于一个容器,用于存储所有的组件,这些组件可以让漫游对象相互区分。
例如,当创建一个脚本,然后把这个脚本赋予一个漫游对象,那么这个脚本就成为这个漫游对象的一个组件,脚本中可以体现出不同的属性,同时在运行过程当中可以动态地将漫游对象的行为和状态进行改变。
在漫游进行的过程中,漫游的管理主要是靠漫游管理单元进行,在这个单元中,将会涉及到漫游的基础功能和漫游的高级功能,它们负责控制与信息交互。
漫游的基本功能有动画系统、脚本控制系统、材质贴图系统、保存加载系统、粒子系统、物理系统等;漫游的高级功能包括消息提示系统、人工智能、网络联机、跨平台特性等。
在漫游的过程控制单元中,涉及到两个控制单元,一个是关卡控制单元,用来控制与关卡相关联的漫游信息;另外一个则是全局的控制单元,主要用于控制与漫游全局相关的漫游信息。
漫游(mànyóu)的基础功能(gōngnéng)系统为漫游(mànyóu)提供(tígōng)了一些必须用到的功能,主要作用是控制漫游常用到的基本功能。
这些功能支撑着漫游的顺利进行,是完全独立于所有的关卡存在的,它们并不知道到底有多少关卡,关卡的内容是什么,它们的主要工作,就是与漫游的控制单元进行信息的交换,从而支持漫游的进行,它们是Unity3D游戏引擎提供的基础功能。
所以在漫游效果制作的过程中,会经常用到这些功能,这就需要漫游系统设计者理解不同的功能模块的参数和使用方法,才能够设计出好的漫游效果。
漫游的高级功能则是为漫游效果提供了一些特制的功能模块,这些模块一般都是在漫游的基础功能模块之上搭建起来的,它们或多或少使用了漫游基本功能中的一些功能或者特性。
某些高级功能是为了定制特定的漫游功能,若没有某些高级功能系统,一个漫游系统只能够进行一些最基本的漫游玩法,加入了某些高级功能系统之后,一个好的漫游系统才会逐步开始完善。
另外,除了使用漫游对象和组件,Unity3D软件为了能够让漫游系统的设计者能够更好地管理场景相关资源,提出了预制物体(Prefabs)和场景(Scene)的概念。
预制物体是一种资源文件,它本身也是一种游戏对象,但是它是保存在项目的目录下,没有在场景中出现。
预制物体类似面向对象的类,预制物体可以通过实例化的形式在场景中出现,预制物体与类的不同之处在于,前者只需要在项目目录下改变属性即可,场景中所有实例化的预制物体都将会得到改变。
场景(Scene)是Unity3