（检测技术与自动化装置专业论文）虚拟现实中三维显示技术的研究及应用.pdf

虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 摘要 为使虚拟现实系统更加自然、逼真，三维显示技术和三维建模技 术是不可缺少的关键技术，本文就此展开了深入广泛的研究。 首先分析了三维建模技术和三维形体的表示方法，三维建模技术 主要包括几何建模、运动建模、物理建模等技术，文中较详细的介绍 了几何建模技术。接着，介绍了三维表示技术的分类、体视投影原理 及体视变换的观察空间，在三维坐标系中推导了体视投影的变换矩阵 和体视投影点的坐标。在此基础上介绍了双中心投影算法，然后分析 了体视变形。接着，介绍了基于微机的几种体视方式，最后介绍了本 课题中两个虚拟现实项目基于o p e n g l 带立体显示功能的虚拟浏 览器和微机体视动画的实现过程，解决了将u g 模型导入3 d sm a x 的 问题，分析了体视动画的显示误差，应用由单视点生成体视图的算法 为解决这个问题提供初步方案。出于对体视技术的深入研究和实现最 佳三维显示效果的目的，对浏览器程序和动画中的参数设置及它们之 间的相互影响进行了多次试验和调整。还分析了视觉疲劳的原因。最 后阐述了三维显示技术今后的研究课题和发展方向。 关键词：虚拟现实三维显示体视动画虚拟浏览器 、t u d ya n di m p l e m e n t a t i o n o ns t e r e o s c o p i cd i s p l a y t e c h o n l o g yo fv i r t u a lr e a l i t y a b s t r a c t i no r d e rt om a k et h ev i r t u a lr e a l i t ys y s t e mm o r en a t u r a la n d 扛u 苫t o l i f e ，t h es t e r e o s c ：o p i ca n d3 dm o d e l i n gt e c h n i q u ea r et h ek e yt e c h n i q u e s t h a ta r ei n d i s p e n s a b l e t h es t e r e o s c o p i ca n d3 d m o d e l i n gt e c h n i q u ec a n g i v et h ea u d i e n c eaw h o l ep e r c e p t i o no ft h ei m a g ei n f o r m a t i o n t h i s p a p e r c a r r i e so u te x t e n s i v ea n d t h r o u g hs t u d i e so n i t f i r s t l y , 3 dm o d e l i n ga n dd i s p l a y o fm o d e la r ei n t r o d u c e di nt h e p a p e r , i n c l u d i n g g e o m e t r i c m o d e l i n g ，k i n e t i cm o d e l i n g ，p h y s i c a l m o d e l i n g ，s e c o n d l y , t h es o r to fe x p r e s s i v et e c h n o l o g ya b o u t3 dm o d e l a n dt h et h e o r ya n do b s e r v a b l es p a c eo f s t e r e o s c o p i cv i e wa r ed e s c r i b e d b r i e f l y , t h e m a t r i xo f s t e r e o s c o p i cp r o j e c t i o n a n dt h e p r o j 。e c t i v e c o o r d i n a t e sa r e c a l c u l a t e d ，b a s e d w h i c haa l g o r i t h mo ft h e3 d d i s p l a y 一一t h ed o u b l e - c e n t e rp r o j e c t i o nt h a ti s w i d e l ya d o p t e d i si n t r o d u c e d i nt h ep a p e r am i c r o c o m p u t e r - p l a t f o r m - b a s e d3 dv i r t u a lb r o w s e ri s d e v e l o p e db yu s i n g t h ev c + + p f o 擎勰l a n g u a g ea n dt h e3 d d i s p l a yi s r e a l i z e db yf l a cm i r r o rr e f l e c t i o na n ds t e r e o s c o p i cg l a s s e s t h ew i d e l y u s e d3 dp i c t u r ei n d u s t r i a ls t a n d a r d ，o p e n g l ，i sa p p l i e di nt h es y s t e m 。 a n dt h e a p p l i c a t i o n o f3 d sd o c u m e n tm o d e la c t u a l i z e st h er e a lt i m e i n t e r a c t i o no f m a na n d c o m p u t e r b a s e d o nt h eb a s i c t e c h n i q u e so f t h e 3 d d i s p l a y , t h ep r i n t i n gm a c h i n ev i r t u a la s s e m b l ya n i m a t i o ni s r e a l i z e db y u s i n gu gs o f t w a r e ，3 d sm a xs o f t w a r e ，s o l i d w o r k ss o f t w a r e ，p r e m i e r e s o f t w a r e ，a u t h o r e w a r es o f t w a r e ，a sw e l la ss o m ep r o g r a m m i n g e r r o ro f 3 d d i s p l a yi sa n a l y z e da b o u ts t e r e o s c o p i ca n i m a t i o na n daa l g o r i t h mi s i n t r o d u c e dt os o l v et h i s q u e s t i o n i no r d e r t o g od e e p i n t o s t u d y i n g s t e r e o s c o p i ct h e o r y , s o m et e s t e s a r ed o n e f r e q u e n t l y t or e a l i z eb e t t e r e f f e c t + b e s i d e s ，r e a s o n sa n ds o l u t i o n so fs e e i n gf a t i g u ea r ed e a l e dw i t h ， f i n a l l y , r e s e a r c h i t e m sa n d d e v e l o p m e n t a l d i r e c t i o na r ei n t r o d u c e d k e y w o r d s ： 、，i r t u a lr e a l i t y s t e r e o s c o p i cd i s p l a y s t e r e o s c o p i ca n i m a t i o n v i r t u a lb r o w s e r 独创性( 兢创新性) 声明 本人声明所呈交的涂文是本人农导师指导下邀行的研究工馋及取德的磷巍 戒秉。尽我所知，除了文中特爨魏以搽注移致谢中掰罗熨的沟餐瑷羚，论文审不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或熊他 教育机构的学位或证书简使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 藏嚣麸均邑在谂文中终了胡穗鳃说爨莠表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承掇一切相关责任。 本人豁名：擎毫乐 日期：趔堕兰! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮大学育关傈整彝使震学霞谂文的燕定，躲： 研究生在校攻读学位辩阍论文工作酶知识产权蕈像耩北京邮电大学。学校育投保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复裁手段绦存、汇缤学彼论交。( 爨豢戆学位论文巍解密轰遵守鼗蔑定) 保密论文注释：本学位论文属予保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权粥。 本人然名： 导筛麓名： 酲裳 垫堡兰! 三：l 舀麓：坦尘：妻：型 北京邮电大学硕士学位论文 虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 第一章序论 1 1 虚拟现实技术的介绍 虚拟现实是在计算机中构造出一个形象逼真的模型，人与该模型可以进行交互， 并产生与真实世界中相同的反馈信息，使人们获得和真实世界中一样的感受。虚拟现 实综合利用三维图形技术、模拟技术、传感技术、人机界面技术、显示技术、伺服技 术等。当人们需要构造当前不存在的环境( 合理虚拟现实) 、人类不可能达到的环境 ( 夸张虚拟现实) 或构造纯粹虚构的环境( 虚幻虚拟现实) 以取代需要耗资巨大的真 实环境时，就可以利用虚拟现实技术。 1 1 1 虚拟现实系统的组成 典型的虚拟现实系统主要由计算机、应用软件系统、输入输出设备和数据库等组 成： ( 1 ) 计算机 在虚拟现实系统中，计算机负责虚拟世界的生成、人机交互的实现。由于虚拟世 界本身具有高度复杂性，尤其在某些应用中，如航空航天世界的模拟、大型建筑物的 立体显示、复杂场景的建模，生成虚拟世界所需的计算量极为巨大，因此对虚拟现实 技术系统中的计算机配置提出了极高的要求。 ( 2 ) 输入输出设备 在虚拟现实系统中，为了实现人与虚拟世界的自然交互，必须采用特殊的输入 输出设备，以识别用户各种形式旮勺输入，并实时生成相应反馈信息。如通常头盔式显 示器中配有空间位置跟踪器，当用户的头部发生变化时，跟踪器检测到位置发生相应 变化，从而通过计算机可得到物体运动位置等参量，并输出相应的具有深度信息及宽 视野的三维图像和三维声音。 ( 3 ) 应用软件及数据库 应用软件包括完成的功能有：虚拟世界中物体的几何模型、物理模型；运动模型 的建立；模型管理技术及实时显示技术、虚拟世界数据库的建立与管理等。虚拟世界 数据库主要存放的是整个虚拟世界中所有物体的各方面信息。 i 1 2 虚拟现实系统的分类 虚拟现实系统按其功能高低大体可分为四类“1 ： - ，- 北京邮电大学硕士学位论文 虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 一是桌面式虚拟现实系统( 见图1 1 ) ，它可以通过桌上微型机实现，所以成本 较低，功能也简单，具有投资少、易使用、适应性强、应用面广等特点。主要用于计 算机辅助设计( c a 【) ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、建筑设计、桌面游戏等领域。本文 的研究内容既是基： 桌面虚拟现实系统。 二是沉浸式虚拟现实系统( 见图1 2 ) ，如各种用途的体验器，使人有身临其境 的感觉，各种培训、演示以及高级游戏等均可用这种系统。 图1 1 桌面式虚拟现实系统 图1 2 沉浸式虚拟现实系统 三是分稚式虚拟现实系统( 见图1 3 ) ，它在因特网环境下，充分利用分布于各 地的资源，协同开发各种虚拟现实的产品。它通常是浸沉虚拟现实系统的发展，也就 是把分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统，通过因特网连接起来，共同实现某种用途。 四是混合现实系统( 见图1 4 ) ，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系 统，既可减少构成复杂真实环境的开销( 因为部分真实环境由虚拟环境取代) ，又可 对实际物体进行操作( 因为部分系统是真实环境) ，真正达到了亦真亦幻的境界，是 今后发展的方向。 图1 3 分布式虚拟现实系统 图1 4 混合式虚拟现实系统 j 京萍毫天学嫒圭学位论交纛撵瑰实孛三壤显黎技术静磺究及瘦麓 i 1 - 3 国内外威拟现实技术纳研究状况 1 ) 美匿爨研究状提1 2 l 美国是虚载i 现实技术( v r ) 的发源鳓，其水平基本上就代表国际发展韵水乎。目 前荚国在该领域的基础研究空要集中在感知、用户界筒、后台软件和硬件四个方顽。 2 ) 基本靛磷突姨嚣 在当前实用虚拟现实投术的研究与开发中，日本怒詹于领先位鼹的国家之，主 簧致力于建立大规模虚拟现蜜知识库的研究。 n e c 公霉诗葵凝嚣运覆分部孛戆系统磅究实验室舞发了一狰应羧溪实系统，宅疑 让操作者都使用“代用手”去处理三维c a d 中的形体模型，该系统通过v p l 公司的数 搬手套把对模激的处理与操怍者手的运动联系起来。 寒衷大学蕊广漩硬究塞藩焘磅究虚撅瑗实懿霹巍纯阕莲。惫了受鞭当蘸显誉懿交 溉作用技术的局限性，他们派在开发一种虚拟全息系统。 富士通实验宣正在研究的一个项目是纛拟生物与趱拟现实环境的相互作用。他们 还在磅究寝掇溪实串戆手势谖裹，已经嚣发7 一套襻疑瓣终姿势谖裂系统，该襄绞霹 以识别姿势，也可以识别表涿词的信号语蠢。 3 ) 英国的研究与开发 在￥襄舞发熬菜婆方瑟，特聚是在分鑫并行楚瑾、麓麓设鍪( 镪话簸觉爱馈) 谖 计和应用研究方面，英国程欧洲是领先的。 4 ) 国内研究状况 窝一些发达嚣家攘鏊：，我嚣霾掺襞实接寒还骞一宠戆差距，l 蠢窳航空靛天交学酋 搬进行了一些旗础知识方颟的研究，并着藏研究了虚拟环境中物体物理特性的表涿与 处理；在虚拟现实中的视觉按日方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及安糯方 濠簿。 浙江大学c a d c g 国家灏点实验室歼发出了一套：熄丽型虚拟建筑环境实时漫游系 统。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快逋漫游算法和一种递进网格的快 遮耋残算法。 哈尔滨工北大学计算机系已成功地康拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合 成、表情的合成和唇动的含成，并正在研究入说话时欺势和手势动悸等。 北京邮电大学硕士学位论文虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 清华大学对虚拟现实的临场感的方面进行了研究，他们还针对室内环境水平特征 丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性， 以利于实现特征匹配，并获取物体三堆结构的新颖算法。 西安交通大学对虚拟现实中的关键技术，立体显示技术进行了研究。他们在借鉴 人类视觉特性的基础上提出了一种基于j p e g 标准压缩编码新方案，并获得了较高的 压缩比、信噪比以及解压速度。 北方工业大学c a d 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一。完成了 三维动画的自动生成部分算法与合成软件处理等。 其他一些科研单位也进行了一些研究工作和尝试。 1 1 4 虚拟现实技术的的应用 早在2 0 世纪7 0 年代便开始将虚拟现实用于培训宇航员，现在已被推广到各行各 业的培训中。目前，虚拟现实已被推广到不同领域中，得到广泛应用。 1 ) 在科技开发上，虚拟现实可缩短开发周期，减少费用。 2 ) 在工业上，用它来设计新材料，可以预先了解改变成分对材料性能的影响。 商业上，虚拟现实常被用于推销。例如建筑工程投标时，把设计的方案用虚 拟现实技术表现出来，便可把业主带入未来的建筑物里参观。 3 ) 医疗上，虚拟现实应用大致上有两类。一是虚拟人体，也就是数字化人体， 这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统， 可用于指导手术的进行。 4 ) 军事上，利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战 争、培训指挥员的方法。 可以预见，在不久的将来，虚拟现实技术将会影响甚至改变我们的观念与习惯， 并将深入到日常工作与生活。 1 2 虚拟现实软件 w o r l d t o o l k i t 、l l u l t i g e n v e g a 、m u l t i g e n c r e a t o r 是目前较流行的虚拟 现实的开发软件平台，我们在为上海印刷公司完成虚拟现实产品时使用了u g 软件建 模、3 d sm a x 软件设置动画、p r e m i e r e 、a u t h o r w a r e 软件合成。此处主要介绍一下这 几个软件。 - 6 - 北京邮电大学硕士学位论文 虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 u g 是由美国u n i g r a p h i c ss o l u t i o n 公司推出的一款很好的虚拟产品开发软件。 在汽车、航空的c a d 、c a m 工程研究与开发中，具有相当强的优势，尤其在参数化同 步工程设计、 c a m 自动编程、曲面造型、实体建模等方面，高出其他软件一筹。u g 软件具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图的功能。它所提供的二 次开发语言u g o p e ng r i p ，u g o p e na p i 可以实现很多功能。该软件具有统一的数据 库，真正实现了模块间的无数据的交换，u g 软件采用了复合建模技术，可以将实体建 模、曲线建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模融合在一起，用基于特征的建 模方法和编辑方法作为实体造型的基础，形象直观，并能利用参数驱动；它的实体造 型功能处于领先地位。 u g 的特征建模模块提供了各种标准特征的设计，如孔、键槽、凹腔、方形、圆形、 凸台、圆柱、方块、圆锥、球体、管道、杆、倒圆、倒角、模型抽空、模型简化、特 征引用等。各种特征设计可以参数化的定义，也可以用建立相关特征组。u g 的自由曲 面建模具有强大的建模能力，可以实现直纹面。扫描面、通过一组曲线的自由曲面、 侨接、曲面编辑等；u g 的装配建模主要提供了以下几种装配功能。并行的自顶而下和 自下丽上的产品开发方法；参数化的装配建模提供描述组件间的配合关系的附加功 能：装配导航：在装配环境下直接修改零件设计；调用目录；参考集；坐标系定位； 在装配中安放零件或子装配件，并可以定义不同零件或组件间的参数关系；标准件库 的调用：在装配层次中快速切换，直接访问任何零件或子装配件，进行零件装机数量 统计。 u g 也有动画制作功能，可以利用u g 的渲染模块功能，对模型的材料、纹理、光 源和效果等进行设置，但在这方面的功能不如3 d s m a x 丰富。 3 d sf l l a x 软件是a u t o d e s k 公司推出的三维动画制作软件之一，其灯光、材质和 动画制作功能都很强大，可以在计算机中建立虚拟物体、角色和环境，然后在虚拟物 体上设置贴图( 材质) ，给予它们不同的表面性质。也可以虚拟摄影机的动画，完成 序列动画的制作。 p r e m i e r e 是a d o b e 公司的推出的非常优秀的视频编辑软件，能对视频、声音、动 画、图片、文本进行编辑加工，并最终生成电影文件。通过编辑、剪切、设置过渡效 果等，使多种格式的影视素材成为生动、流畅的媒体文件。 a u t h o r w a r e 是m a c r o m e d i a 公司在2 0 0 1 年下半年推出的多媒体制作工具，允许用 户使用图片、动画、声音和视频等信息创作一个交互式应用程序。它与其他软件不同 北京邮电大学硕士学位论文虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 的地方在于：开发过程具有不用编写程序的特色，只需要通过使用流程线( f l o w l m e ) 以及一些工具图标，就可以制作出对于其他软件需要很多编程语言才能达到的功能。 它作为一种多媒体平台，可以将3 d sm a x 、p h o t o s h o p 和d i r e c t o r 等软件的制作成果 集成起来。与其他软件相比a u t h o r w a r e 具有可视化编程的特点，它的程序流程是可 视的。 1 3 计算机动画技术综述 计算机动画是借助计算机进行设计和实现的供动态实时播放的一系列连续图像， 目前已广泛运用于广告设计、影视特效制作、建筑设计和室内装饰等领域。计算机三 维动画技术是实现虚拟现实技术不可缺少的手段，动画是运动中的艺术，计算机动画 所生成的是一个虚拟的世界，画面中的物体并不需要真正去建造，物体、虚拟摄像机 的运动也不会受到什么限制。 一般来说，通过计算机生成三维动画有两种形式：一种是逐帧动画，另一种是实 时动画。我们为上海印刷公司所做的胶印机虚拟装配动画属于逐帧动画。 逐帧动画，就是当计算机每产生一幅画面，就即时地将它记录下来，最后在将所 有面面通过动画播放软件连续的播放出来，能产生很好的实时和生动的效果，逐帧动 画是一个连续的过程，操作员不能对播放中的图像内容进行干预，要想改变图像的变 化过程必须重新做。每调整一次，渲染过程都需要重新傲。 实时动画，是在计算机终端直接产生的，无须逐帧动画中需要的记录过程。当然 实时地实现实时动画对计算机配置要求比较高，随着计算机技术日新月异地突飞猛 进，现在已经可以实：既了。o p e n o l 提供了方便的人机交互接口，通过视点控制就可以 绘制出视点在不同位置、不同方位所观察到的三维图像脚。 目前，微机动画软件已达到相当高的水平，研究和探索三维显示技术，用于微机 非交互式虚拟现实，实现计算机体视动画，具有现实的工程意义。 1 4 论文课题的意义及主要内容 三维显示技术是虚拟现实中的关键技术，赋予传统的微机平台一个全新的功能。 由平面显示到三维立体显示的转变，其意义十分重大。 虚拟场景的三维显示技术是使用户产生沉浸感的关键技术之一，没有深度层次的 立体效果就不可能实现虚拟现实的基本目标。 论文主要介绍了体视投影原理，在三维坐标系中推导了体视投影的变换矩阵：用 j 京都彀大学颈圭学毽论文 纛熬现实中三维显示技来韵研究藏斑耀 v c + 十编制了3 d s ：件虚拟浏览器，实现了立体显示功能；在微机平台上实现了胶印 较豁 孛虚羧装酝戆体援动瓣，解凌了u g 模鍪到3 瓠燃a x 摸簦翡数键转换霾遂，努褥 了体视变形嗣体视动画显示误差，提出了初步的解决方法；实验了参数设置对立体显 示视觉效果的影响；分析了视觉疲劳的原因。 北京邮电大学硕士学位论文虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 第二章三维计算机图形学技术 三维计算机图：嘭学是c a d 、计算可视化和虚拟现实等技术的基础理论科学。近 年来，随着计算机软硬件技术的提高，三维计算机图形学已经取得了飞速的发展。它 主要研究图形输入、表示、变换、真实感绘制技术、运算和输入图形的原理、算法及 系统。计算机图形学的最新研究成果在虚拟现实领域中也得到了广泛应用。 2 1 三维几何建模 虚拟现实中的建模与仿真是目前计算机图形学中最热门的技术之一，并在各行各 业中发挥着重要的作用，如建筑、军事、娱乐等。而虚拟对象的建模又是整个虚拟现 实( v i r t u a lr e a l i t y ) 系统建立的基础，这主要包括三维视觉和三维听觉建模。其中， 几何建模的创建与描述，是虚拟场景造型的重点，也是计算机图形学研究的最早、最 广泛的课题，所以对这一问题进行研究具有重要的意义。建模也是动画制作的基础， 在三维软件中描绘客观世界中的物体，通常用细小的平面( 甚至用三角形) 通近物体表 面，或者用一些关键点的坐标来精确的构造，这种用三维坐标构造物体表面的方法即 为建模。 建模技术大致可分为三大类：几何建模、物理建模和运动建模。几何建模处理物 体的几何和形状的表示，研究图形数据结构等基本问题：而运动建模处理物体的运动 和行为的描述。下面着重介绍几何建模。 传统的产品定义中三维模型主要是从纯几何的意义上建立的，三维几何建模从最 初的三维线框模型，到曲面( 表面) 模型、到实体模型，经过了近三十年的发展历程。 1 ) 线框造型 最初的三维c a d 系统只是极为简单的线框式系统。这种模型表示的是物体的棱边， 这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息。它结构简单、易于理解、数据存 储量少、操作灵活、响应速度快，是进一步构造曲面模型和实体模型的基础。 2 ) 曲面造型 又称为表面造型，表面模型是在线框模型的基础上添加了面的信息，可以表达比 线框模型更丰富的信息，可以较方便地构造形状比较复杂的几何模型，现在很多曲面 的基石是n u r b s 曲面，这种模型的建立满足了自由型曲面的设计与制造、曲面相交、 北京邮电大学硕士学位论文虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 消隐、明暗处理、上色等应用问题的需要，c a m 的问题可以基本解决。但这种模型只 能表达形体的表面信息，对形体究竟存在于表面的哪一侧没有明确定义，难以准确表 达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，也不能表达产品的高级信息。 3 ) 实体造型 实体造型是以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等多种基本体素为单位元素， 通过集合运算( 布尔运算) ，生成所需的几何形体。实体模型具有完整的几何信息，提 供了对物体完整的几何拓扑定义，可以直接进行三维设计。 几何模型的缺点是它所表示产品几何信息是抽象的、缺少工程语义的，而且在加 挂产品的非几何信息方面也遇到很大的困难。从产品定义的角度来讲，实体造型仍存 在不足，它的产品定义信息仍不完备。 真正工程意义的产品几何定义是参数化特征造型建模，纯几何的实体是十分抽象 的，如果能将几何的实体赋予工程的意义，则更利于从产品定义的角度分析问题。由此 需要引入一种更完楚的描述产品的技术，即以建立高层次实体为目标来进行实体建模 的方法，这样建立的实体需要包含更多的工程信息，这种建模方法称为特征造型。特征 模型是在几何模型的基础上进一步抽取出一些高层信息，通过特征进行描述、收集和 操作，如支持概念设计的功能特征、支持详细几何设计的形状特征、支持计划和加工 活动的制造特征以及支持人机交互的设计特征等。 以特征来表示零件的方式即为零件的特征模型。设计人员直接用特征来定义零件 的几何结构，几何模型可以由特征生成。设计人员的操作对象不再是原始的线条和体 素，而是产品的功能要素。它使产品设计工作在更高的层次上进行，更有利于发挥设计 者的创造力和想象力。参数化是指对零件上的各种特征施加各种约束形式。将参数化 设计应用到特征设计中去，把参数化的基本体素定义为特征，用特征通过体素拱合的方 法构造零件的几何形状，使得特征具有可调整性，可以根据需求调整变化 4 1 5 1 。 2 2 三维形体的表示和存储 三维形体的表示方法可以分为两大类：边界表示法和空间划分法。边界表示法用 一组面片或者曲面来描述对象的外部形象。这些曲面将物体分为内部和外部。而空间 划分法通过对对象所在空间进行划分，用体素来描述对象的空间特性。 描述一个三维模型所需要的信息一般包括三大类：顶点坐标、多边形和属性信息。 顶点坐标一般由三个浮点数表示，代表该顶点在三维空间中坐标。多边形描述了顶点 北京邮电大学硕士学位论文虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 之间的拓扑关系。一般用一组整数表示，每一个整数为指向一个顶点的索引。属性信 息一般包括平面的：法向量、顶点的颜色、多边形的材质、纹理和光照系数等。 存储几何数据的个方便方法是建立三张表：顶点表、边表和多边形表。物体中 的每个顶点坐标值存储在顶点表中。含有指向顶点表的指针的边表，可以为多边形的 每条边标识顶点。多边形表含有指向边表的指针，可以为每个多边形标识边，如图2 1 。 v 2 v 5 v 4 图2 1 两个相邻的多边形 两个相邻多边形m l 和m 2 由6 条边和5 个顶点组成。因此，相应有顶点表、边 表和多边形表，顶点表的构成：v l 伍1 , y i ，z o 、v 2 ( x 2 , y 2 , z 2 ) 、v 3 ( x 3 , y s , z z ) 、v 4 ( x t y 4 ，z 0 、 v 5 ( x s , y s , z j ) 、v 6 ( x a , y a , z a ) ，边表的构成；e 1 ( v l ，v 2 ) 、e 2 2 ，v 3 ) 、e 3 ( v 3 ，v 1 ) 、 e 4 3 ，v 4 ) 、e 5 ( v 4 ，v s ) 、e 5 1 ，v 2 ) 、e 6 ( v 6 ，v o ，多边形表的构成：m l 1 ，e 2 ，e 3 ) 、 m 2 ( e 3 , e 4 ，e 5 ，e 6 ) 。为了产生一个三维形体的显示，必须通过几个程序对输入的数据表 示加以处理。这些处理过程包括从建模坐标和世界坐标到观察坐标的变换，然后到设备 坐标的变换，可见面识别，面绘制程序的应用。对上述一些处理过程来说，需要有关物体 上单个表面部分的空间方向信息，这一信息来源于顶点坐标值和多边形所在的平面方 程出+ 砂+ + d 一一0 ，从平面中三个不共线点的坐标值就可得到三个方程，并进一 步解出a ，b ，c ，d 。平面的空间方向用平面的法向量表示，平面法向量的迪卡尔分量 为( a ，b ，c ) ，其中4 、日、c 是方程出+ 妒+ d = 0 中所计算的平面方程系数c 3 0 。 2 3 真实感图形的显示技术 真实感图形显示技术的产生可以追溯到6 0 年代中期，随着计算机技术与图形学 北京邮电大学硕士学位论文虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 的发展以及光栅显示器的出现，加上包括显示存储器在内的各种计算机硬件性能的 大幅度提高，使得需要海量高速存储器的真实感图形的生成成为可能。目前，真实感 图形显示技术已广泛应用于c a d c a m 、虚拟制造、模拟训练、数控仿真等领域中。 使用物体的简单光照模型，虽然也能取得较好的真实感图形显示效果，但由于它 忽略了光线在场景中各物体之间的相互传播和影响，会使得场景的画面显示过于呆 板。特别是当一个场景中有大量色彩斑澜的透明与非透明的光亮物体时，所拍照片 中会出现一幅景物交相辉映、相互渗透、绚丽多彩的图像，而这些细节是简单光照模 型无法解决的。为了克服这些缺陷，需要建立能更精确地反映客观世界光照变化规律 的光照模型，并设计相应的显示算法。有代表性的模型和算法有整体光照模型与光线 跟踪算法、辐射度方法等。具体阐述参阅e s 4 。 。 北京邮电大学硕士学位论文虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 第三章计算机三维显示技术 随着光栅显示技术的发展，已经能在c r t 上显示出逼真的三维图形( 图像) ，它 是经透视变换( 或平行投影变换) 和真实感处理得到的，但由于它是将景物的三维数 据投影到了二维平面上，图形本身是二维的，因此这种三维图形只能称为伪三维图形 或疑似三维图形。对景物的三维结构形状和深度要求比较高时，它就显得不够充分了， 这在进行设计时显得更加突出。 体视图形则是将对应于左右眼的透视图形都表示出来，构成具有一定视差的图形 对，借助立体眼镜等观察设备，可使对应于左右眼的图形在空间融合，形成立体视， 从而恢复出深度信息，使观察者能更好地把握模型的三维信息。 3 1 三维表示技术的分类 三维表示技术根据表达方式和表达能力可分为伪三维图形( 图像) ( 透视、轴测) 、 立体图形( 图像) 和三维图形( 图像) 三类，每一类又分为许多种，如图3 1 。 3 2 体视投影原理 体视图投影是将人的两眼各看成一个视点，生成具有一定视差的两幅透视图。 这两幅透视图又称为体视图对。对应于左眼的透视图称为左眼图，对应于右限的透视 图称为右眼图。在观察体视图时，如能保证左眼只能看到左眼图，右眼只能看到右眼 图( 以下称为投影) ，则可使体视图对融合成一个三维图形，形成立体视。当投影面 为平面时，按投影面位置可分为日面( 水平面) 体视图( 图3 2 ) 、矿面( 正立面) 体 视图( 图3 3 ) 两种。在观察日面体视图时，体视图对从水平面上跃然而起，立在空 间；在观察v 面体视图时，根据物体相对画面的位置可以伸向画面的远方或观察者与 画面之间，从而形成强烈的深度感。在计算机屏幕上形成的显然是矿面体视图。 北京邮电大学硕士学位论文 虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 r a = 目b ( t ) ： 一。 ： g * t l m y t i la女t ie e i 广- i 目* 三维袁示技术一 r 一# 一f ；4 目a t * t j l 一女t 图3 1 三维表示技术的分类 图3 2h 面体视图 3 3 体视图的观察空间 - 1 5 图3 3v 面体视图 巍黧裟曩 北京邮电大学硕士学位论文虚拟现实, 9 - _ - 维显示技术的研究及应用 当投影面为y 面时，体视观察空间是以左视点和右视点为锥顶，棱线过窗 口v p 角点的两个半无限四棱锥的公共部分。为便于裁剪，在前后各设置一个平面( f p 和b p ) ，经过观察方向变换4 3 】成为如图3 4 所示的形状。 3 4 体视投影的变换矩阵 图3 4 体视变换观察空间 根据透视投影的变换矩i 珲 ：q 1 3 1 l 可导出体视投影变换矩阵。以视点坐标系( 右手系) 原点o 为视点的透视变换矩阵为 瓦= looo 0100 0o2 一三 d o0d0 ( 3 - 1 ) 设占为日距( 又称眼基线) ，左视点( - b 1 2 ，0 ，0 ) ，右视点繇( b 2 ，0 ，0 ) ，则左、 右视点的体视变换矩阵分别为 瓦= oo 1o 0l oo汁 1o0 0 0l0 o o01o b ，2o ol - 1 6 1o oo o 口 2 d b 2 lo0 02 1 d 0d0 1000 0 b 2 d b 2 1o o2 0d o l d o ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) o o o l o 0 1 o 0 l 0 o彪 ，0 o 8一 _。，l 耳 们，叫副 0 0 1 o 0 l o o2 0 o 引 2， 1 0 o 8一 p。l i i 砭 北京邮电大学硕士学位论文 虚拟现实中三维显示拄术的研究及应用 设空间一点的坐标为( 墨y ，z ) ，则该点的左、右投影分别为 吒：一生一昙叠+ 1 )x ，= 一卜一十i j =zz d v y = 一o z 。：一2 d 一生 【3 4 ) 铲一竿+ 詈呼呐 a v y r = 一。( 3 5 ) 孙：2 d 一生 国外的学者曾提出旋转投影法m 】，这种算法生成的图像在深度方向上会发生 扭曲，不宣在c r t 显示器上应用，而双中心投影法被广泛采用，参考公式3 - 4 、3 - 5 分析双中心投影法中的视差值，其中水平视差品= 占( z + 1 ) ，它是z 的减函数；当z 为正无穷时，推导出正视差( 水平正视差) 的极限值为口。又知肋= 只，所以理论上 垂直视差的值为零。 同时注意而、t 仅仅符号有差异，这将会使算法的效率提高3 0 。双中心投影方 式可以获得类似人眼| 的视野分布，会有更多的信息存入左右透视图中【1 2 】【1 3 】【。 3 5 体视和体视因素 三维表示与物理现象和心理因素【1 q 有关，从知觉立体映像( 映在视网膜上的视觉 信息图像) 来讲，主要是生理因素中知觉立体的因素：两眼视差( b i n o c u l a rp a r a l l a x ) 、 辐辏( c o n v e r g e n c e ) 、和水晶体调节( a e c o m o d a t i o n ) 。 双眼视差：两眼的位置稍有不同，所以观察同一物体的左右映像也略有不同，这 种现象称双眼视差。人的两眼之间的距离大约是6 5 r a m ，即左( 右) 眼看到物体左( 右) 边会多一些，它为人们提供了空间的第三维信息。如图3 5 ，首先考虑模型上点p 与观察者的双眼位置所形成的两条连线。p 将被投影到观察平面的两点，分别对应于 左眼和右眼所看到的。两点的横坐标间的距离就是视差( 水平视差) 。正的视差对应 观察平面后面的点n ，负的视差对应观察平面前边的点p 3 ，零视差对应在观察平面里 北京邮电大学硕士学位论文虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 的点p 2 ，这个观察平面又被称为零视差面( 或窗口) 。 图3 5 视差图 辐辏：如图3 , 6 所示，两眼注视某物体时， 为辐辏。两目艮视线所成的交角护称为辐辏角。 图3 6 辐辏 两眼的视线向一同注视点0 合拢，称 水晶体调节：在观察不同距离物体时，睫状肌会相应的用力或放松，以调节水晶 体厚度，使物体成像在视网膜上。眼睛这种本能的改变光焦度以看清不同物体距离的 物体的过程称为水晶体调节。 3 6 体视变形分析 将视点置于绘图的位置或摄像机的位置体视融合像呈理想形象，视点若偏离此 位置，合像就产生变形。在观看图对间隔一定的位似图对【1 0 1 时，在保持眼基线与图对 间隔连线方向平行的情况下，若摆动头部使视点移动，体视舍像就产生变形( 称仿射 变形) ，这种仿射变形的方向与视点移动的方向相同，仿射变形的大小与视点移动量 成正比。由于视点移动而产生的体视合像仿射变形称为第一类体视变形感。当观察者 的眼基线与生成体视图对时采用的眼基线不相同时，观察者不能获得理想的合像，实 际看到的合像相对理想的合像产生了变形，这类变形称第二类体视变形感【m 1 。 ( 1 )( 2 ) ( 3 ) 北京邮电大学硕士学位论文 虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 ( 4 ) ( 5 ) 图3 7 体视变形示意图 4 2 】 在图3 7 ( 1 ) 中，观察者注视着虚拟工作台上的虚拟立方体，图3 7 的( 2 ) 一( 5 ) 中水平的黑线是显示屏幕，随头部的运动，观察者就会看到用红色表示的变了形的立 方体。图3 8 的( 2 ) 和( 3 ) 中，由于观察者头部的上下运动导致透视立方体的收缩 和膨胀，在图3 7 的( 4 ) 和( 5 ) 中，随着观察者头部的左右移动，透视立方体也随 着移动。 在图3 8 中，描述了两种视点的投影情况，观察者真实的视点( 深蓝色) 位置位 于外侧，设定的视点( 浅蓝色) 位于内侧，水平线为投影面，水平线下边的黑色点是 模型上的一点，更靠近投影面的两个红色点是该点分别对应于两套视点系统的透视 投影点。可以看出透视投影点随观察者头部的移动而变化，透视投影点更靠近投影面。 当然，这种变形也可能由屏幕的曲率或其它光学因素所导致。 图3 s 点的体视投影示意图 图3 9 点的体视投影分析图 下面就对这种体视变形加以分析，如图3 9 ，投影坐标系的原点位于投影窗口的 中心，投影窗口位于x - y 平面上。，为投影中心点，观察者两眼之间的距离( 目距) 由起于，点的两个矢：基d 和- d 之差来表示，即真实的目距( 眼基线) 为2l 口i 。标 量r 是设定的目距与真实目距的比值。设定的目距可由矢量件口减去一抖口得到。即 2 ，f 口i 。占是模型中一点，f 是观察者通过双目体视系统得到的投影点。设f 的坐标 为( 工，y ，= ) ，f 的坐标为( 而，m ，毛) ，则有： 北京邮电大学硕士学位论文 虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 z ：= 鼍辫。 。号辫r 。d 22 一t 。 。器等。d ，2 r 2 一l 。 。丽l ( 1 - r ) 1 ( 3 6 ) 满足( _ ，m ，丑) = t o ( x ，y ，：) ，变换矩阵t c 的意义在于定量的描述了体视变形误差。 3 7 基于微机的体视方式 计算机软件所做的工作是渲染两幅图像，从技术上说，两幅图像可以同时显示， 也可以采用时分割方式，以一定的频率交替显示两幅图像。 本节着重介绍立体图像中与计算机体视技术有关的几种显示方式i 图3 1 0 表达了 计算机体视效果。戴上特殊眼镜后，观察者就会感觉到进入了三维的世界。 图3 1 0 体视效果示意图 3 7 1 互补色眼镜方式 又称颜色过滤法，既支持显示器使用，又可以用于印刷的互补色图片。我们采用 的互补色体视图，其左右投影分别用互补色绘制，然后通过相应的互补色镜片观察。 绘制体视图左、右图对时。可选择背景为黑色，图对为一红一绿，两图对分别反射红、 绿色光，其余色光均；陂吸收，即可实现两眼分别只看到一个图的效果。其结果是在视 网膜上生成白色的融合像。之所以常采用黑背景色，是因为如果互补色镜片不能完全 滤去互补色图，尚留一些残留色时，与黑色的暗背景相比则不易察觉出来1 6 】。 3 7 2 偏振光眼镜方式 早在十九世纪，美国提出将偏振光用于立体电影，在人造偏振片公司的l a n d e h 北京邮电大学硕士学位论文虚拟现实中三维显示技术的研究及应用 的协助下，1 9 3 9 年在纽约万国博览会上放映了立体电影，引起轰动，偏振光眼镜方 式的颜色再现性较好【1 7 1 。 3 7 3 时分割快门眼镜方式 这是目前应用最为广泛的方式，主要包括交替显示、画面交换、同步倍频、线遮 蔽等四种方式，第= 和第三种经常使用。 交替显示模式的工作原理是将一个画面分为二个图场，即奇数扫描线图场与偶数 扫描线图场。将左眼图像与右眼图像分置于奇图场和偶图场中，即立体交错格式。如 果使用快门立体眼镜与交错模式搭配，将垂直同步讯号当作眼镜快门切换同步讯号， 显示奇图场( 即左眼画面) 时，立体眼镜会遮住使用者右眼，而当显示偶图场时，则 切换遮住左眼睛，如此周而复始，便可达到立体显像的目的。交错模式不适于长时间 且近距离的操作使月。 画面交换显示是由特殊的程序来改变显卡的工作原理，使新的工作原理可以用来 表现立体3 d 效果。不同的显示芯片有其独特的工作原理，所以如果要使用画面交换， 那么必须针对各个显示芯片发展独特的立体驱动程序以驱动3