虚拟现实chapter21概述课件

内容回顾,第一章 虚拟现实技术概述,采用以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等一体化的虚拟环境，用户从自己的视点出发，借助特殊的输入输出设备，采用自然的方式与虚拟世界的物体进行交互，相互影响。,虚拟现实定义：,虚拟现实系统“ 3 I ”图 Immersion-Interaction-Imagination,四类虚拟现实系统,虚拟现实系统： =用户+硬件+虚拟环境 沉浸性,一、虚拟现实建模概述 虚拟现实建模即虚拟环境的建模,虚拟环境：计算机生成的环境 真实场景的重现虚构的场景 远古时代人类生活环境的重现数千年后的未来 人类不能达到的危险环境 人类不可能进入的微小世界,虚拟现实中的三类虚拟环境： 真实世界环境的模仿 建筑物；小区；地理环境 人类主观构造的环境 影视制作 三维动画 真实世界中人类不可见环境的模仿 分子结构 海洋水动力模拟,物理仿真和动画,碰撞检测,光照模型,几 何,表面属性,动力学性质,物理性质,生学性质,头部位置,手位置,视频,音频,触觉,输 入,输 出,处 理,虚拟环境： 虚拟物体 虚拟光 物理仿真 动画 碰撞检测,虚拟物体的特性 （1）静态和动态特征 静态：地板、墙壁、楼梯 动态：门、窗、抽屉 动态模型的建立： 考虑模型的运动过程； 对象运动引起的场景变化；,虚拟物体的特性 （2）物理约束 有约束的动态对象 门、窗、抽屉的运动； 使物体在有限的范围内运动；,虚拟物体的特性 （3）细节层次 物体的不同细节模型； 动态装载；,虚拟物体的特性 （4）表面属性 物体的颜色、纹理； （5）音频装置 带音响效果的虚拟环境 如碰撞激发的声音,虚拟光 虚拟环境的照明方式 现实世界：以太阳为主要光源对静态物体建立光照模型； 虚拟世界：一个独立的辐射光照模型,物理仿真 对对象物理特性的模拟： 如对象的质量，重量，惯性，表面纹理，硬度，性状改变模式等,动画 简单的动画：平移、旋转 复杂的动画：动画与数据库结合，采用离散的关键帧技术 碰撞检测 虚拟环境中虚拟物体的相互碰撞,如何实施虚拟环境的建模？,虚拟环境的建模是： 对虚拟世界中模型的建模,虚拟世界中的模型： 静态模型：地形、地貌、建筑物、道路、桥梁等 静态模型的描述： 几何模型 光照模型 灰度模型 纹理处理 渲染效果等；,虚拟世界中的模型： 动态模型：飞机、车辆等活动目标 动态模型的建立： 如何确定场景中每一个对象运动过程中的坐标； 视点变化时场景如何动态刷新,如何完整的描述出模型？,模型的信息： 视觉外形 形状：由构成物体的各个多边形、三角形及顶点来确定 外观：由表面纹理、材质，颜色、光照系数等决定 物理特征 虚拟世界中对象的物理特征表达是很复杂的，目前的VR技术还不能支持所有的物理特征；,实体信息 实体的动力学特征（如汽车运动） 视觉特征 听觉特征 环境信息 城市地形地貌、气象条件、光照等环境的信息,虚拟现实的建模（视觉建模） 几何建模 运动建模 物理建模 行为建模 模型分割,几何建模 描述虚拟对象的形状和外表 运动建模 主要是对象的移动和碰撞检测两部分 物理建模 包括定义对象的质量，重量，惯性，表面纹理，硬度，性状改变模式等,对象行为建模 对象可以有自己的行为特征，并不一定与用户的输入有关； 模型分割 虚拟环境分割 细节分割,（一）几何建模,构建一个逼真的客观世界身临其境、沉浸其中的环境； 实体对象的组织方法： 层次（Hierarchy）建模方法 属主建模方法,层次建模方法 用树形结构表示实体的各个组成部分，呈分层结构；如自顶向下分解一个几何对象或自底向上构造一个几何对象。 分层结构：子对象和其之间的连接，能表现子对象之间的拓扑特性；各节点具有自己的局部坐标系，可以相互转换 一种简便自然的复杂实体对象的分割方法，对模型修改十分有利,人体的层次模型：,属主建模方法 思想：同一种对象拥有同一个属主（母体）， 属主：类对象的详细的结构和属性特征； 属主的实例：复制指向属主的指针； 如：汽车建模，先建立轮子的模型 特点：（1）简单高效 （2）易于修改 （3）一致性好,实体对象的几何模型： 对象的形状（多边形、三角形和顶点） 对象外表(纹理、表面反射系数、颜色等),1. 对象形状（几何造型） 三种方法建造虚拟环境中场景与对象的三维模型： 三维建模软件绘制三维模型； 从商业数据库中购买现有的三维模型； 用特殊的硬件或软件实现自动三维建模；,用软件绘制三维模型： 三维模型能通过PHIGS、Starbase或GL.XGL等图形库从头创建。但开发一个完整的三维数据库费时费工,一般都要利用一定的建模工具。 建模软件,如AutoCAD或3D Studio,或专门VR建模工具,如MultiGen或VRT3，得到高质量的三维数据库。,购买三维模型： 如著名的美国Viewpoint Datalabs的产品：Viewpoint Catalog。提供18类几何图形：地貌、一般建筑、世界著名建筑、小卧车、运输车、面包车、其他车辆、飞机、舰船、火车、解剖、人物、动物等。 可根据需要调用和加工，结合自己创建的实体模型，建立虚拟环境模型库。,自动三维建模 三维扫描仪：对实际物体三维建模的工具，能快速的将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号。 扫描后直接输出包含物体表面每个采样点的三维空间坐标和色彩的数字模型文件,（4）三维激光扫描,2.对象外表 外表真实感主要取决于它的表面反射和纹理 增加物体的多边形（before）:在需要实时仿真时,增加多边形会使图形速度变得缓慢。 实时纹理处理能力（after）：允许二维的图像数据覆盖到多边形上，在维持图形速度的同时,可用少量的多边形和纹理增强真实感。,对象的物理特性： 固体不应彼此穿过 物体在被推拉抓取时应按预期方式运动。 VR的物理属性用微分方程来描述，构成动力学系统：由系统分析和系统仿真来研究。,（二）物理建模技术,经典力学的仿真不能满足VR的要求： 工程实践中的仿真是耗时的推理活动： 花很多时间手工开发系统的数学模型 模型再转换成仿真软件和参数选择 设计时，初始方程必须修改，并重新运行仿真,VR的力学仿真必须可靠地、无缝地、自动地、实时地运行。在世界建模的范围内，任何可能发生的情况必须正确处理。 计算机图形把这类仿真称为基于物理的建模。 复杂性高，但能逼真地模拟自然物理现象。,基于物理的建模： 刚体运动模拟 塑性物体变形运动模拟 流体运动模拟,1、刚体运动模拟,碰撞检测： 检测虚拟环境中虚拟物体是否发生相互碰撞的过程称为碰撞检测 碰撞响应： 对检测到的碰撞要做出正确的响应，修改虚拟物体的运动方程，确定物体的变形和损坏等；,碰撞检测方法： Hahn的解析方法： 假设两个刚体在接触时只有一点接触。这是理想化的。为了防止非完全弹性碰撞时刚体间的相互贯穿，把碰撞接触模拟为一个屡次发生碰撞的序列。,Moore的两个有效碰撞检测算法： 其一处理三角剖分的物体表面 另一个处理多面体环境的碰撞检测。利用一个刚体上各顶点的运动轨迹与另一刚体上各面片进行求交测试。,物体穿透： 固体不能彼此穿过：放一个杯子在桌上时，杯子稳定地放在桌上，不会浮起也不会穿进去。,防止穿透问题有三个主要部分： 首先，检测碰撞 其次，为响应碰撞应调节物体速度 最后，如果碰撞，响应不引起物体立刻分开，必须计算和施加接触力，直到分开。,2、非刚体的建模,物理世界中许多物体在运动中会产生变形，这就是柔性物体。 变形模型应该能够模拟各种变形效果： 完全弹性变形 非完全弹性变形 塑性变形 断裂等,Terzopoulos的连续弹性理论，模拟物体的变形和运动。考虑物体的分布式物理属性（如质量和弹性等），模拟了柔性物体对外力的动力学响应。但是当物体的刚性增加时，模型会出现数值不稳定（病态）现象。,Baraff等的柔软物体动态的简化模型：用少量全局参数表示物体形状，并根据这些变量形成动态方程。简化模型只注意物体粗略的变形，但最终提供了很高的性能。,水流、波浪、瀑布、喷泉、溅水、船迹、气体等流体 从流体力学中选取适当的流体运动方程，进行适当的简化，通过数值求解得到各时刻流体的形状和位置。,3、流体运动模拟,（三）行为建模,自主智能体（Agent）： 是一个具有自适应性和智能性的软件实体，能代表用户或其它程序，以主动服务的方式完成一项工作。 智能体的作用：对手，训练者，同伴，或只是增加信任感的多余者。,移动Agent： 一种特殊的Agent,具有Agent的基本属性,还具移动性 可以从一台机器通过网络移动到另外一台机器运行,并根据需要克隆或生成子Agent,子Agent具有同父Agent相同的性质。,简单的智能体对VR往往是足够的 构造仿真的自主智能体涉及很多技术：机器人学、计算机动画、人工智能和最优化，也涉及社会学和心理学等领域,在人工智能或计算机领域，把Agent看做是能够通过传感器感知其环境，并借助执行器作用于该环境的任何事物。 如人Agent 传感器：眼睛、耳朵和其他感官 执行器：手、腿、嘴和其他身体部分。 机器人Agent： 传感器：摄像机和红外测距器等 执行器：各种马达,Agent是行为建模。如计算机生成兵力（Computer Generated Forces，CGF）建模。CGF是用计算机模型实现参与仿真的作战人员和武器系统等仿真对象，目的在于减少真实作战人员和武器系统参与仿真。,基于Agent的建模框架包括三个部分。 （1）感知部分，用来接受外界信息。 （2）认知处理部分，包括形势评估、决策制订、规划、学习等，还有工作存储器（存放当前信息）和长期存储器（存放知识和任务）。 （3）行为输出部分，输出行为并影响外界环境,机器人足球比赛： 在比赛中，每个Agent(足球机器人)都具有定向跑步、带球、传球、接球、避碰等个体技能。 足球机器人通过任务分解、多级学习、动态角色分配等实时策略，构造球队的站位、队形和队员的行为模式，以实现球队在比赛过程中的协调。,（四）模型分割,虚拟环境的几何体和物理建模所得到的是一个复杂的模型,大量的多边形使渲染(rendering)速度大大减慢。如果不能满足渲染对大量内存的需求,还会导致大量的内存交换,而降低系统的交互速度。,建筑仿真：要虚拟化整个大型建筑的地板、办公室、家具、走廊、楼梯等,需要成千上万的多边形。 虚拟外科仿真：人的解剖结构非常复杂, 不可能在满足交互速率的条件下以足够的细节去渲染整个身体。,任何应用都可有建模复杂度问题： 解决方法：