（控制科学与工程专业论文）虚拟场景的视点质量评价与绘制优化问题研究.pdf

r e s e a r c ho nv i e w p o i n tq u a l i t ym e a s u r i n g a n d r e n d e r i n go p t i m i z a t i o no f v i r t u a ls c e n e c a n d i d a t e ：z h a oj i a n s u p e r v i s o r ：p r o f w ul i n g d a ad i s s e r t a t i o n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fe n g i n e e r i n g i nc o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g g r a d u a t es c h o o lo fn a t i o n a lu n i v e r s i t yo fd e f e n s e t e c h n o l o g y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a m a r c h ，2 0 1 0 独创性声明 本人声明所黑交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他入已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材科与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 学位论文作者签名： 扫如辱5 茂哮甚 学位论文版权使用授权书 本人完全了船国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阗；可以将学位论文的金部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 1 1 引言l 1 1 2 问题的提出2 1 1 3 论文研究的意义4 1 2 国内外研究现状6 1 2 1 视点质量评价方法6 1 2 2 自动漫游技术l o 1 2 3 网格简化方法1l 1 2 4 图形硬件加速技术15 1 3 本文的研究定位及主要工作1 7 1 3 1 本文的研究定位1 7 1 3 2 本文的主要工作1 7 1 4 论文的组织1 9 第二章虚拟场景的视点质量评价2 l 2 1 视点质量评价方法概述。2 l 2 1 1 视点质量含义2 1 2 1 2 相关视点质量评价方法分析2 5 2 - 2 特征信息加权的视点质量评价方法2 8 2 2 1 特征信息度量2 8 2 2 2 视点量化描述2 9 2 2 3 观察信道模型。3 0 2 2 4 视点质量度量3l 2 3 硬件加速的视点质量计算3 3 2 3 1 视点质量计算3 3 2 3 2 基于c u d a 的视点质量计算3 4 2 4 实验结果与分析3 9 2 5 本章小结4 3 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第三章基于视点质量评价的漫游优化4 5 3 1 基于模糊c 均值聚类算法的视点集选择4 6 3 1 1 视点聚类的数据基础4 6 3 1 2 视点聚类的目标函数4 7 3 1 3 算法实现4 7 3 2 基于蚁群优化的最优视点集选择算法4 8 3 2 1 蚁群优化算法原理分析4 8 3 2 2 视点集优劣的量化表示4 9 3 2 3 最优视点集选择的数学模型5 1 3 2 4 算法实现5 1 3 3 漫游路径的自动生成方法5 4 3 4 实验结果与分析5 5 3 5 本章小结6 0 第四章基于视点质量评价的网格简化6 1 4 1 基本知识6 2 4 1 1 基本定义6 2 4 1 2 数据结构6 3 4 1 3 顶点的二次误差矩阵6 4 4 2 基于视点质量评价的网格简化算法6 4 4 2 1 三角形折叠的二次误差6 5 4 2 2 三角形折叠的视点质量误差6 6 4 2 3 三角形折叠误差及新顶点位置的确定6 6 4 2 4 误差更新6 7 4 2 5 观察视点的布置6 9 4 2 6 算法流程与累进网格表示6 9 4 3 实验结果与分析。7 1 4 4 本章小结7 5 第五章虚拟场景中地形与地物的匹配优化7 6 5 1 相关工作7 7 5 1 1 地形与地物匹配方法。7 7 5 1 2 网格变形技术7 8 5 2 基于切平面中值坐标的微分域网格变形算法。7 9 5 2 1 微分域网格变形算法分析7 9 第l l 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 5 2 2 基于切平面中值坐标的l a p l a c e 坐标表示8 2 5 3 微分域网格变形的g p u 加速算法8 4 5 3 1 微分域网格变形算法数值解法8 4 5 3 2g p g p u 编程模型8 5 5 3 3 基于g p u 的微分域网格变形算法8 6 5 4 基于微分域网格变形的地形与地物自适应匹配算法9 l 5 4 1 三维地形的表达一9 1 5 4 2 基于微分域网格变形的地形与地物自适应匹配9 2 5 5 实验结果与分析9 5 5 6 本章小结9 7 第六章原型系统设计与实现9 8 6 1 任务背景9 8 6 2 系统结构9 9 6 2 1 系统的设计思路一9 9 6 2 2 系统的总体结构1 0 0 6 2 3 系统的功能设计1 0 1 6 3 系统实现1 0 2 6 3 1 场景组织与管理子系统1 0 3 6 3 2 场景交互漫游子系统1 0 5 6 4 系统应用验证10 7 6 5 本章小结。10 9 第七章结束语1 10 7 1 论文的主要工作与贡献1 1 0 7 2 下一步工作与展望1 1 1 致j 谢 1 1 4 攻读博士学位期间发表论文与参与的科研项目1 1 6 参考文献1 18 附录a 三维观察涉及的矩阵变换1 3 0 附录b 三角网格顶点的曲率一1 3 2 第1 i l 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 虚拟现实技术的应用领域1 图l - 2 基于视点质量评价的观察模式对传统观察模式的辅助5 图1 3 论文章节结构图19 图2 1 多视点对场景进行观察2 2 图2 2 视向控制的欧拉角模型2 3 图2 3 三维投影方式2 3 图2 - 4 投影观察中的剔除2 4 图2 5 网格显著度计算流程2 8 图2 - 6 三角形的几种可见情况2 9 图2 7 观察信道模型3 1 图2 8 场景颜色编码3 3 图2 - 9c u d a 程序执行流程3 5 图2 1 0 使用c u d a 滑窗算法计算三角形投影面积数据流程3 6 图2 1 l 视点在球面上的分布3 9 图2 1 2 场景的曲率和显著度分布4 0 图2 1 3 本文算法与v e 、v k l 算法关于模型b e e t h o v e n 的对比4 1 图2 1 4 本文算法与v e 、v k l 算法关于模型b u n n y 的对比4 2 图2 1 5 本文算法与v e 、v k l 算法关于模型t r i c e r a t o p s 的对比4 3 图3 1 自动漫游路径生成流程4 5 图3 2 三种视点相似性的差别4 6 图3 3 蚁群优化算法求解最优视点集示意图。5 2 图3 - 4c a r d i n a l 样条插值5 5 图3 5 观察t r i c e r a t o p s 的最优视点集对比。5 6 图3 - 6 观察a r m a d i l l o 的最优视点集5 7 图3 7 聚类过程目标函数曲线。5 7 图3 8 使用蚁群优化算法求解最优视点的收敛曲线5 8 图3 - 9a r m a d i l l o 场景的自动漫游路径5 9 图3 1 0t r i c e r a t o p s 场景的自动漫游路径6 0 图4 1 半边数据结构示意图6 3 图4 2 三角形折叠操作6 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 3 进行误差更新的三角形6 8 图4 4 视点的均匀布置和最优布置6 9 图4 5 本文算法与q s l i m 算法的距离误差对比曲线7 2 图4 - 6a r m a d i l l o 模型的简化效果对比7 2 图4 7t r i e e r a t o p s 的简化效果对比。7 3 图4 8b e e t h o v e n 简化效果7 4 图4 9d r a g o n 简化效果7 4 图4 10b u n n y 简化效果7 4 图5 1 地形与地物匹配的处理流程一7 7 图5 2 微分域网格变形算法框架7 9 图5 3 网格项点的l a p l a c e 坐标8 0 图5 - 4 顶点与其一阶邻域在切平面的投影8 2 图5 5 共面的一阶邻域。8 4 图5 - 6g p u 编程模型8 5 图5 7 矩阵的纹理映射。8 7 图5 8 采用纹理栈方法计算矩阵与向量乘法。8 8 图5 - 9 采用单块二维纹理计算矩阵与向量乘法8 8 图5 1 0c h o l e s k y 分解的g p u 计算过程8 9 图5 1 1 微分域网格变形算法的g p u 处理流程图。9 0 图5 1 2 规则网格和不规则三角网9 1 图5 1 3 将点状地物插入到地形网格中9 3 图5 1 4 对b u n n y 模型进行形变9 6 图5 15 对d r a g o n 模型进行形变9 6 图5 1 6 对地形进行点匹配和面匹配9 6 图5 1 7 地形与地物的匹配对比9 7 图6 1b o e x p l o r e 系统的设计思路9 9 图6 2b o e x p l o r e 系统的总体结构1 0 0 图6 3b o e x p l o r e 系统的数据流程1 0 1 图6 4 场景组织与管理子系统的界面10 3 图6 5 最优视点计算界面10 4 图6 - 6 自动漫游路径计算模块界面10 5 图6 7 场景交互漫游子系统界面1 0 6 图6 8 沿路径飞行漫游时的界面10 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图6 - 9 集成三维目标模型的虚拟战场环境10 8 图6 1 0 目标模型的最优观察和属性查询一1 0 8 第v l 页 表4 1 本文算法与q s l i m 算法的距离误差7 l 表5 1 使用g p u 与单独使用c p u 进行欧氏坐标重建的效率比较9 5 表6 1b o e x p l o r e 系统的功能表1 0 2 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第v i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 虚拟场景的视点质量评价与绘制优化是计算机图形学和虚拟现实技术领域中 非常重要的研究课题，一方面对场景理解、科学可视化、三维模型检索等研究领 域具有一定的理论指导意义；另一方面在虚拟战场、虚拟城市、影视动画和三维 游戏等众多应用领域有着重要的实用价值。如何对虚拟场景的观察视点进行评价， 并从视点观察质量角度出发对虚拟场景进行绘制优化，这一工作具有一定的困难 和挑战，同时也是进一步提升虚拟场景观察和漫游绘制质量的必然要求。 本文的研究工作主要涵盖了虚拟场景的视点质量评价、自动漫游路径生成、 网格简化、地形与地物匹配等方面，对其中的一些理论和应用问题进行了深入分 析和探讨。具体而言，论文的主要工作和贡献体现在以下几个方面： 提出了一种特征信息加权的视点质量评价方法。从信息获取的角度，将虚 拟场景的特征信息和几何信息作为主要评价因素，对虚拟场景的视点质量进行评 价。首先采用网格显著度对场景的特征信息进行度量，在此基础上对观察视点进 行量化处理；然后根据建立的观察信道模型，定义了一个理想观察视点；最后将 观察视点与理想视点之间的相似性测度作为观察视点的视点质量。实验对比表明 本文算法对观察视点的评价结果较为客观，获得的最优观察视图具有较好的视觉 效果。此外，根据图形硬件的高速并行特性，设计并实现了一种基于c u d a 的视 点质量计算方法，提高了视点质量的计算效率。 提出了一种基于视点质量评价的自动漫游路径生成算法。自动漫游路径的 生成包括最优视点集选取和路径生成两个关键步骤。对于最优视点集的选取，提 出了两种不同的方法：一种是采用模糊c 均值聚类算法，根据聚类中心求解最优 视点集；另一种是将观察视点集对应的虚视点的视点质量作为目标函数，并采用 蚁群优化算法进行求解。在路径生成的过程中，设计了一种排序和平滑算法，解 决了路径自交叉和拐点尖锐的问题。算法所生成的自动漫游路径光滑平整，且沿 该路径观察时能够最大限度地获取场景信息，提高了观察和漫游绘制的效率与效 果。 提出了一种基于视点质量评价的网格简化算法。为了提高场景网格的简化 质量，以观察视点的视点质量变化驱动场景网格的简化。算法首先在场景网格周 围以最优分布或均匀分布方式布置观察视点；然后采用特征信息加权的视点质量 评价方法计算三角形折叠引起的视点质量误差；接着将视点质量误差与二次误差 结合定义三角形折叠的误差测度；最后根据误差测度确定三角形的折叠次序，从 而完成场景网格的简化。算法能够保持场景网格中的显著区域，并能够对不可见 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 三角形进行优先简化。 提出了一种基于微分域网格变形算法的地形与地物匹配优化算法。为了解 决虚拟场景中地形与地物的匹配失真问题，首先提出了一种改进的微分域网格变 形算法，根据顶点的切平面中值坐标定义微分坐标；然后将细节编码和解码过程 移植到g p u 中，实现了一种图形硬件加速的微分域网格变形算法；最后根据地物 的底面特征对地形网格进行形变处理。算法不仅实现了虚拟场景中地形与地物的 自适应匹配，具有较好的匹配效果，而且由于将匹配问题转换为线性系统求解问 题，因此具有较高的执行效率。 以虚拟战场环境的相关应用为任务背景，设计并实现了一个优化漫游绘制 原型系统b o e x p l o r e ，对虚拟场景的视点评价与绘制优化的研究成果和算法进 行了应用和验证，并在相关项目中得到了应用一 主题词：虚拟场景、视点质量、绘制优化、最优观察、网格显著度、自动漫游、 网格简化、地物地形匹配 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a bs t r a c t i n c o m p u t e rg r a p h i c s a n dv i r t u a l r e a l i t y ，v i e w p o i n tq u a l i t ym e a s u r i n g a n d r e n d e r i n go p t i m i z a t i o ni sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c t o no n eh a n d ，i tc a np r o v i d e s o m et h e o r e t i c a lg u i d a n c et om a n yr e s e a r c ha r e a s ，f o ri n s t a n c e ，s c e n eu n d e r s t a n d i n g ， s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o na n d3 dm o d e l sr e t r i e v a l o nt h eo t h e rh a n d ，i th a si m p o r t a n t p r a c t i c a lv a l u ei ns o m ea p p l i c a t i o na r e a s ，s u c ha sv i r t u a lb a t t l e f i e l d ，v i r t u a lc i t y ，v i d e o a n i m a t i o na n d3 dg a m e s ot h eq u e s t i o n sa r eb r o u g h tf o r w a r d ：h o wt om e a s u r et h e v i e w p o i n tq u a l i t yi nv i r t u a ls c e n e ? h o wt oo p t i m i z et h es c e n er e n d e r i n gb a s e do n v i e w p o i n tq u a l i t y ? t h ew o r kw i l lc o m eu pa g a i n s ts o m ed i f f i c u l t i e sa n dc h a l l e n g e st oa c e r t a i ne x t e n t ，m e a n w h i l ei ta l s oc a ne n h a n c et h eo b s e r v a t i o na n de x p l o r a t i o ni nv i r t u a l s c e n e t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nv i e w p o i n tq u a l i t ym e a s u r i n gi n v i r t u a ls c e n e ，a u t o m a t i ce x p l o r a t i o np a t hp l a n n i n g ，m e s hs i m p l i f i c a t i o n ，t e r r a i na n d g r o u n df e a t u r e sm a t c h i n ga n ds oo n s o m ec o r r e s p o n d i n gt h e o r ya n da p p l i c a t i o n p r o b l e m sa l ea n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h o r o u g h l y i nd e t a i l ，t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： af e a t u r ei n f o r m a t i o nw e i g h t e dv i e w p o i n tq u a l i t ym e a s u r i n gm e t h o di s p r o p o s e d f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fi n f o r m a t i o na c q u i r i n g ，f e a t u r ei n f o r m a t i o n a n d g e o m e t r i ci n f o r m a t i o no fv i r t u a ls c e n ea r et a k e na sm a i nm e a s u r i n gf a c t o r s ，a n dt h e s e m e a s u r i n gf a c t o r sa r eu s e dt oc a l c u l a t et h ev i e w p o i n tq u a l i t y f i r s t l y ，m e s hs a l i e n c yi s u s e dt od e s c r i b et h ef e a t u r ei n f o r m a t i o no fas c e n e ，a n dt h ev i e w p o i n ti sq u a n t i f i e do n t h i sb a s i s t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c t i o no b s e r v a t i o nm o d e l ，趾i d e a lv i e w p o i n ti s d e f i n e d f i n a l l y ，t h es i m i l a r i t yb e t w e e nc o m m o nv i e w p o i n ta n d i d e a lv i e w p o i n ti st a k e n a sv i e w p o i n tq u a l i t y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mc a nm e a s u r e v i e w p o i n tq u a l i t yo b j e c t i v e l ya n dc a l lo b t a i na no p t i m a lv i e ww h i c hh a sg o o dv i s u a l e f f e c t i na d d i t i o n ，t a k i n ga d v a n t a g co fh i g hs p e e da n dp a r a l l e lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e g r a p h i c sh a r d w a r e ，ac u d ab a s e dv i e w p o i n tq u a l i t yc o m p u t i n gm e t h o di sd e s i g n e d w h i c hc a ni m p r o v et h ec o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c y a na u t o m a t i ce x p l o r a t i o np a t hp l a n n i n gm e t h o db a s e do nv i e w p o i n tq u a l i t y m e a s u r i n gi sp r o p o s e d t h ep r o c e s so fa u t o m a t i cp a t hp l a n n i n gc o n t a i n st w ok e ys t e p s ： o p t i m a lv i e w p o i n t s e ts e l e c t i o na n dp a t hg e n e r a t i o n t w od i f f e r e n ta p p r o a c h e st o r e s o l v et h ep r o b l e mo fo p t i m a lv i e w p o i n ts e ts e l e c t i o na r ep r o p o s e d t h ef i r s to n ei s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 b a s e do nf u z z yc m e a n sc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，a n dt h eo p t i m a lv i e w p o i n ts e t c a l lb e c o m p u t e df r o mt h ec l u s t e rc e n t e r s t h es e c o n d o n et a k e st h eq u a l i t yo fv i r t u a l 唧o m t ， c o r r e s p o n d i n gt oav i e w p o i n ts e t ，a st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，a n de m p l o y st h ea n tc o l o n y o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mt os o l v et h i sp r o b l e m i n t h ep r o c e s so fp a t hg e n e r a t i o n ，as o r t i n g a n ds m o o t h i n ga l g o r i t h mi sd e s i g n e dt oa v o i ds e l f - i n t e r s e c t i o na n da b r u p tt u r n i n gp o i n t t h es m o o t hp a t hg e n e r a t e db yt h i sm e t h o dc a l li m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dv i s u a le f f e c t o fo b s e r v a t i o na n de x p l o r a t i o n , a l o n gw h i c ht h ei n f o r m a t i o na b o u tt h ev i r t u a l s c e n ec a n b ea c q u i r e df u r t h e s t am e s hs i m p l i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nv i e w p o i n tq u a l i t ym e a s u r i n gi s p r o p o s e d i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fs i m p l i f i c a t i o n ，t h ec h a n g e s o fv i e w p o i n t q u a l i t ya r eu s e dt od r i v et h ep r o c e s so fs i m p l i f i c a t i o n f i r s t l y ，v i e w p o i n t sa r ee m p l a c e d a r o u n dt 1 1 em e s hu n i f o r m l y o ro p t i m a l l y s e c o n d l y ，t h ea b o v ev i e w p o i n tq u a l i t y m e a s u r i n gm e t l l o di su s e dt oc a l c u l a t et h ec h a n g eo fv i e w p o i n tq u a l i t y ，w h i c h i sb r o u g h t b yt r i a n g l ec o l l a p s e t h i r d l y ，q u a d r i ce r r o r a n dc h a n g eo fv i e w p o i n ta r et a k e na st h ec o s t o ft r i a n 9 1 ec o l l a p s e f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ec o l l a p s ec o s t ，t h eo r d e ro ft r i a n g l ec o l l a p s e c a nb ed e t e n n i n e d ，a n d 屺m e s hs i m p l i f i c a t i o nc a nb ea c c o m p l i s h e d i nt h ep r o c e s so f s i m p l i f i c a t i o n ，t h es a l i e n ta r e ao nt h em e s hc a nb ep r e s e r v e da n dt h eh i d d e nt r i a n g l e s c a nb ed e l e t e di nt h ef i r s tp l a c e at e n 面na n dg r o u n df e a t u r e sm a t c h i n gm e t h o db a s e do nd i f f e r e n t i a ld o m a i n m e s hd e f o r m a t i o ni sp r o p o s e d i no r d e rt os o l v et h ed i s t o r t i o no fm a t c h i n g ，am o d i f i e d d i f f e r e n t i a ld o m a i nm e s hd e f o r m a t i o na l g o r i t h mi sp u tf o r w a r df i r s t l l y ，w h i c hd e f i n e s t h ed i f f e r e n t i a lc o o r d i n a t e so fv e r t e xb yi t sm e a nv a l u ec o o r d i n a t e so nt a n g e n t i h e n , t h ep r o c e s so fd e t a i le n c o d i n ga n dd e c o d i n gi st r a n s f e r r e d t og p u f i n a l l y ，o nt h i sb a s i s ， t h et e r r a i nm e s hi sd e f o r m e da c c o r d i n gt ot h eb o t t o mc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n df e a t u r e s t h i sa l g o r i t h ma c h i e v e sg o o dm a t c h i n g ，a n dc o n v e r t sam a t c h i n gp r o b l e mt o al i n e a r s y s t e ms o l v i n gp r o b l e m ，w h i c hm a k e s i t si m p l e m e n t a t i o nm o r ee f f e c t i v e a p r o t o t y p es y s t e mn a m e db o e x p l o r ei sd e s i g n e d ，w h i c ht a k e st h e v i r t u a l b a t t l e f i e l da sb a c k g r o u n d m e t h o d sa b o u tv i e w p o i n tq u a l i t ym e a s u r i n ga n dr e n d e n n g o p t i m i z a t i o ni nv i r t u a ls c e n ep r o p o s e di nt h i st h e s i sa r ea p p l i e da n dv a l i d a t e di n t h i s s y s t e m s o m ep a r t so f t h i ss y s t e mh a v eb e e na p p l i e dt oc o r r e l a t i v ep r o j e c t s k e yw o r d s ：v i r t u a ls c e n e v i e w p o i n tq u a l i t y ，o p t i m i z a t i o no b s e r v a t i o n , m e s h s a l i e n c y a u t o m a t i ce x p l o r a t i o n ，m e s hs i m p l i f i c a t i o n ，t e r r a i n a n dg r o u n d f e a t u r e sm a t c h i n g 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 以计算机技术为核心，结合相关科学技术， 生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，是人类 在探索自然过程中创造形成的一种用于认识自然、模拟自然，进而更好地适应和 利用自然的科学和方法i l j 。作为一门融合了计算机图形学、图像处理、模式识别、 网络技术等多学科的综合技术，虚拟现实技术被广泛应用于遗产保护、医疗诊断、 造型设计、影视娱乐、作战仿真、虚拟城市等领域( 如图1 1 所示) ，对人们的生 产和生活产生了巨大的影响。 回口园圈 图1 1 虚拟现实技术的应用领域 虚拟现实技术之所以应用如此广泛，主要源自于其三个关键的特性：沉浸、 交互和想象( 简称3 i 特性) 1 2 1 。具有3 i 特性的虚拟现实系统对用户的感知影响是 全方位的，包括视觉、听觉、触觉，甚至还有味觉和嗅觉，其中以视觉为代表的 观察和漫游是用户置身于虚拟世界中的最主要的行为之一，也是让用户感觉虚拟 现实系统3 i 特性的最主要的途径。因此，如何在有限的硬件资源下，给用户以更 佳的观察和漫游体验，是虚拟现实系统亟待解决的问题，引起了国内外研究学者 的广泛关注。围绕着如何提高虚拟场景的观察漫游质量这一问题，衍生和发展了 大量的支撑技术，如建模技术、绘制技术、交互技术、仿真技术等，同时也在各 领域涌现了一批具有代表性的项目和成果，如美国斯坦福大学开展的“数