（计算机应用技术专业论文）虚拟化学实验的建模技术研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：荡歹髫 r 期：加，。年月i 同 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关作品，知识产权归属郑州大学。根据 郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位 论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州 大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 易改 同期：驯口年和日 摘要 摘要 虚拟现实是近年来十分活跃的技术领域。目前，其应用已广泛涉及众多领 域，并带来了巨大的经济效益。虚拟实验是根据现代教育理念需求而产生的， 具有智能指导和教学管理的作用。 现有的虚拟化学实验系统大多是基于平面的二维设计，三维虚拟实验的研 究也仅停留在框架探索和关键技术的实现层次上，但是对于适合平台需要的关 于化学药品、实验仪器以及整个实验的模型的建立问题没有解决和进行深入的 研究。虚拟现实建模技术是整个虚拟现实系统建立的基础，因此，针对三维虚 拟化学实验相关内容的建模工作具有很重要的研究意义。 本文首先介绍了虚拟现实建模技术的相关知识，接着把实验进行分类，对 实验相关内容实验仪器、化学药品从几何建模、物理建模到化学建模的建模过 程进行分析，然后总结出了对虚拟化学实验平台有效予以支持的仪器、药品模 型。实验的其它需建模内容( 反应条件、反应方程式、反应现象等) 同样归纳 出了其建模方法。并对整个实验模型的内容，及各部分对应的建模方法，按照 面向对象的思想进行了节点式划分，且给出了其树状层次结构图。在化学实验 过程中，反应物到生成物的量变，整个实验过程的控制，以及化学实验反应现 象等用到了过程性建模技术。其中化学实验反应现象的实现用的是o s g 的粒子 系统，因此，对o s g 进行了简要介绍，并对其粒子系统进行了详细的阐述。 对每类一个典型示例进行的模拟，结果表明起到了应有作用，它使得初中 化学课本中的所有实验都有了类的归属，轻松便可仿照此类所建示例进行模拟。 化学实验模型内容节点式的划分，很好的理清了它们之间的对应关系。对气体、 沉淀等化学反应现象及些许反应条件比如点燃、加热等和整个实验的控制过程 采取的过程性建模，也同样使得所模拟的实验更加灵活和生动。 关键词：化学实验；o s g ；过程性建模；粒子系统；三维虚拟化学实验 a b s t r a c t a b s t r a c t v i r t u a lr e a l i t yi sav e r ya c t i v ea r e ao ft e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s c u r r e n t l y , i t s a p p l i c a t i o nh a sb e e ne x t e n s i v e l yi n v o l v e di nm a n ya r e a s ，a n db r i n g sh u g ee c o n o m i c b e n e f i t s v i r t u a le x p e r i m e n t sa r eb a s e do nt h en e e d so fm o d e me d u c a t i o nc o n c e p t s g e n e r a t e d ，i n t e l l i g e n tg u i d a n c ea n dt e a c h i n ga n da d m i n i s t r a t i o n e x i s t i n gv i r t u a lc h e m i s t r ye x p e r i m e n t a ls y s t e mm o s t l y d e s i g n e db a s e do n t w o - d i m e n s i o n a lp l a n e ，t h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a le x p e r i m e n t a ls t u d y , i u s tt os t a yi n t h ef r a m e w o r ko ft h ee x p l o r a t i o na n di m p l e m e n t a t i o no fk e yt e c h n i c a ll e v e l b u tt h e n e e df o rt h ea p p r o p r i a t ep l a t f o r mo nc h e m i c a l s ，l a b o r a t o r yi n s t r u m e n t sa n dt h ew h o l e e x p e r i m e n ta b o u tt h em o d e l i n go ft h ep r o b l e mi sn o tr e s o l v e da n di n d e p t hs t u d y v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gt e c h n o l o g yi st h eb a s i sf o rt h ee s t a b l i s h m e n to fv i r t u a lr e a l i t y s y s t e m ，t h e r e f o r e ，t h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a lc h e m i s t r ye x p e r i m e n t sf o rt h ec o n t e n to f t h em o d e l i n gw o r ka s s o c i a t e dw i t ht h ev e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ev i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gt e c h n o l o g yk n o w l e d g e ，a n d t h e nt oe x p e r i m e n tt oc l a s s i f yt h ec o n t e n to ft h ee x p e r i m e n t a lt e s tr e l a t e de q u i p m e n t ， c h e m i c a l sf r o mg e o m e t r i cm o d e l i n g ，p h y s i c a lm o d e l i n gt ot h ec h e m i c a la n a l y s i so f t h em o d e l i n gp r o c e s s ，a n dt h e ns u mu pv i r t u a lc h e m i s t r ye x p e r i m e n tp l a t f o r mf o rt h e e f f e c t i v es u p p o r to fe q u i p m e n t ，m e d i c i n em o d e l o t h e re x p e r i m e n t sn e e dt om o d e l t h ec o n t e n t s ( r e a c t i o nc o n d i t i o n s ，t h er e a c t i o ne q u a t i o n ，t h er e a c t i o np h e n o m e n a ) a l s o s u m m a r i z e di t sm o d e l i n g t ot h ec o n t e n t so ft h ee x p e r i m e n t a lm o d e l v a r i o u sp a r to f t h ec o r r e s p o n d i n gm o d e l i n g ，o no b j e c t - o r i e n t e dt h i n k i n gi na c c o r d a n c ew i t ht h e n o d e t y p ed i v i s i o n ，a n dg i v e ni t sh i e r a r c h i c a lt r e es t r u c t u r ed i a g r a m i nt h ec h e m i c a l e x p e r i m e n t ，t h er e a c t i o nt ot h er e s u l t a n to ft h eq u a n t i t a t i v ec o n t r o lo ft h ee n t i r e e x p e r i m e n t ，a n dt h ep h e n o m e n ao fc h e m i c a lr e a c t i o n sw e r eu s e dt h ee x p e r i m e n t a l p r o c e s so fm o d e l i n g i nw h i c ht h er e a l i z a t i o no fc h e m i c a lr e a c t i o np h e n o m e n o nb e w i t ht h e0 s gp a r t i c l es y s t e m ，t h e r e f o r e ，ab r i e fd e s c r i p t i o no ft h e0 s ga n di t s p a r t i c l es y s t e mi sd e s c r i b e di nd e t a i l o nat y p i c a le x a m p l ef o re a c ht y p eo fs i m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep l a y i t sd u er o l e ，i tm a k e st h ei u n i o rh i g hs c h o o l c h e m i s t r yt e x t b o o k si n a l lt h e e x p e r i m e n t sa r eac l a s so fo w n e r s h i p ，e a s ye x a m p l e sc a nb eb u i l ta l o n gt h el i n e so f s u c hs i m u l a t i o n t h ec o n t e n t so ft h en o d e b a s e dd i v i d e do nc h e m i c a le x p e r i m e n t a l m o d e l ，b ew e l ls o r to u tt h ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nt h e m g a s ，p r e c i p i t a t i o na n d o t h e rc h e m i c a lr e a c t i o na n dal i t t l er e a c t i o nc o n d i t i o n ss u c ha sl i g h t h e a t i n gc o n t r o l a n dt h ee x p e r i m e n t a ln a t u r eo ft h ep r o c e s so ft a k i n gt h ep r o c e s sm o d e l i n g , t h e s i m u l a t i o na l s oa l l o w sm o r ef l e x i b l ea n dl i v e l ye x p e r i m e n t k e y w o r d s ：c h e m i s t r ye x p e r i m e n t ；o s g ；p r o c e d u r a lm o d e l i n g ；p a r t i c l es y s t e m ； t h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a lc h e m i s t r ye x p e r i m e n t s n 日录 目录 1 绪 仑1 1 1论文的研究背景1 1 2虚拟化学实验的研究现状2 1 3 论文的研究意义4 1 4 论文的研究内容4 1 5 论文的结构安排5 2 虚拟现实建模的相关技术6 2 1 图像建模技术6 2 2 图形建模技术8 2 2 1 几何建模8 2 2 2 物理建模1 0 2 2 3 行为建模1 0 2 2 4 图形建模常h j 方法。1 1 2 3 图像图形混合建模技术1 3 2 4 针对虚拟现实特征的一些技术研究1 4 2 5 概念性建模技术1 5 2 6 本章小结1 7 3 虚拟化学实验的建模1 8 3 1 初中无机化学实验的分析1 8 3 2 化学实验需要建模的内容及对其建立的模型。1 8 3 2 1 仪器和药品2 0 3 2 2 反应条件2 6 3 2 3 化学方程式2 6 3 2 4 化学实验过程2 8 3 2 5 化学反应现象2 8 i l l 目录 3 3 化学实验模型2 9 3 4 本章小结3 1 4 过程性建模技术3 2 4 1 过程性建模技术介绍。3 2 4 2 虚拟化学实验中的过程性建模。3 2 4 2 1 反应物剑生成物的鼙变。3 2 4 2 2 整个实验的过程性建模3 5 4 3 基于o s g 的化学实验反应现象的实现的关键技术3 6 4 3 1o s g 简介3 7 4 3 2o s g 白带粒子系统特效3 7 4 3 3 白建o s g 粒子系统3 8 4 4 本章小结4 5 5 虚拟化学实验的实现4 6 5 1 四类实验典型示例的实现过程分析4 6 5 1 1 化合反应4 6 5 1 2 分解反应4 7 5 1 3 置换反应4 8 5 1 4 复分解反应。4 9 5 2 四类实验典型示例的实现结果。4 9 5 3 本章小结5 2 6 总结与展望。5 3 6 1 全文总结5 3 6 2 展望。5 4 致谢5 6 参考文献5 7 个人简历在学期间发表的学术论文及研究成果5 9 i v 图表日录 图表目录 图2 1 几种全景图7 图2 2 杭州朱城景观7 幽2 3 手臂9 幽2 - 4 场景i ! i 形中不同位置的椅子1 0 图2 5 北京报国寺1 3 图2 - 6 概念性建模的背景。1 5 图2 7 铁架台的概念模玳1 7 图3 - 1 郑州人学虚拟现实实验室及其模型。1 9 图3 2 虚拟化学实验的实现过样2 0 图3 - 3 层级视幽中的各种。i ，点示意图。2 1 图3 - 4c r e a t o r 所建模型2 3 图3 5 基于草图的人脸建模2 3 图3 6 试管中某体积的某约品溶液2 4 图3 7 化学反应判别流样图2 7 图3 8 简单、抽象的场景图形2 9 图3 - 9 实验模型的层次结构幽3 0 图4 - l 海绵吸取水泥水前后形态对照3 2 图4 2 反应物到生成物的逐渐变化。3 3 图4 3 现实生活中的火焰、水中气泡、水倒入杯中的情景3 7 图4 _ 4o s g 白带粒子系统模拟的酒精灯火焰3 8 图4 - 5 现实中水、泥水、牛奶等及交互建模软件建立的容器3 9 图4 6 自定义粒子系统模拟的沉淀4 0 图4 70 s g 粒子系统各个类之间的关系图4 1 图5 1 碳在装有氧气的容器中的化合反应5 0 圈5 2 碱式碳酸铜加热分解5 0 图5 - 3 氢气还原氧化铜的置换反应。5 1 图5 _ 4 碳酸钙与稀盐酸的复分解反应。5 2 1 绪论 1 绪论 “一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，可以导致一个月后得克萨斯州的一场龙卷 风。 这是蝴蝶效应。同样，一部热映的阿儿达电影也可以在全球引发 各种连锁反应，这就是阿儿达效应。阿儿达效应是否开启了3 d 及虚拟现实技 术应用的大门了昵? 1 1 论文的研究背景 人类总是不断地追求、实现自身的最高理想。理想创造现实。随着技术的 发展，人们不仅仅依赖想象，逐步以各种各样有形的方式来替代无形的方式， 来实现梦想。j 下是来源于人们最原始的欲望，时问在推移，技术同新月异，人 们实现梦想的方式不再只停留在宗教、艺术、戏剧、文学、音乐、美术等等原 始的方式。在国际互联网发展迅猛的今天，虚拟现实技术与多媒体、网络技术 并称为三大前景最好的计算机技术，它带给了我们前所未有的感受和状态，一 种崭新的形式由此诞生了。 虚拟现实技术指的是：利用计算机屏幕、多种传感器设备产生一种逼近真 实世界的模拟环境，使人们具有逼真、亲临现场的感觉。虚拟现实是近年来十 分活跃的技术领域。它依托于计算机科学、数学、力学、声学、光学等多种学 科，是一系列高新技术的汇集，包括计算机图形学、图像处理与模式识别、智 能接口技术、人工智能、多传感器技术、高度并行的实时计算技术、人的行为 学研究等多项关键技术。 目前，其应用已广泛涉及军事、航空航天、教育培训、工程设计、商业、 医学、影视、艺术、旅游、娱乐等众多领域，并带来了巨大的经济效益。如“数 字地球 、“数字城市 、“数字化校园 、“虚拟紫禁城 、“虚拟社区 、3 d 网络游 戏“魔兽世界 等；电子商务的快速发展可能面临“虚拟3 d 商品铺建立的要 求；更有逐渐从仿真模拟到飞机飞行、火箭发射等的应用性技术研究以及化学、 物理等学科用来教学的“虚拟实验室 的探索。今后随着网络带宽的增加、计 算机处理器和显卡等硬件性能的提升、新技术的快速发展，虚拟现实技术在众 多领域的应用会呈现更加蓬勃发展的趋势。 1 绪论 虚拟现实技术的特点：即3 1 ，i m m e r s i o n 沉浸感，i n t e r a c t i o n 交互性， i m a g i n a t i o n 思维构想性。虚拟现实技术最本质的特征是用户在虚拟场景的沉浸。 虚拟现实技术是一种逼真地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机交互 技术，以其关键技术所支撑的多维信息空间使参与者产生逼真的“沉浸 感觉。 据统计，人类对客观世界的感知信息有7 0 是来自视觉。因此，视觉通道是虚 拟环境系统中最重要的接口。 虚拟现实建模技术是整个虚拟现实系统建立的基础，是所有应用中的一个 关键的步骤和技术，是整个虚拟现实技术的灵魂。它的研究有助于提高虚拟环 境的真实感、实时交互的速度和实际交互的可操作程度，使用户真正地“身临 其境”。因为人所感受到的大部分信息是通过视觉获取的，而且在真实的世界罩， 人感受到的是三维信息，所以三维建模技术在虚拟现实技术中就处于非常核心 和基础的地位，是虚拟现实技术所必须的，是虚拟现实技术的底层。而且虚拟 现实世界是人可参与并与之交互的世界。模型准确度的高低，模拟场景的真实 与否，往往直接关系到应用实例的成败。 虚拟实验是根据现代教育理念需求而产生的，具有智能指导和教学管理的 作用。虚拟实验平台以中学化学实验为基础，将实验引入课堂，把理论教学与 实践教学联系起来，解决了现实中药品一次性实验、药品及实验仪器价格昂贵 带来的成本问题，避免了现实中由于不规范操作引起的危险性，有“存在网络即 为实验室”的方便性，等等。虚拟实验平台用计算机模拟真实的实验装置，逼真 地显现出实验平台的动态特性，其智能的人机交互方式，大大地提高了学生的 学习兴趣，对深化学生对知识理解和掌握、提高学生的实践动手能力、分析问 题和解决问题的能力具有重要的作用。三维虚拟化学实验更是因交互性、逼真 性特点引起了热衷的研究。 1 2 虚拟化学实验的研究现状 虚拟实验近年来受到国内外的很大关注【啦l ，目前国外的学校及研究机构以 及国内的高校及软件公司在开展虚拟实验系统的开发和研究工作，特别是一些 著名的大学和实验室已经研究出虚拟实验项目。 美国卡耐基梅龙大学( c a r n e g i e m e l l o nu n i v e r s i t y ) 的i r y d i u m 实验室1 3 1 ，采用 j a 悄语言实现了一个无机化学实验室，并且在界面设计及实现上是采用的平面 2 1 绪论 的二维设计。 英国牛津大学的“l i v e c h e m ”虚拟化学实验室【4 1 ，该系统在实验操作过程和 实验现象的展示中采用f l a s h 技术来实现。在进行实验操作中，用户任意选择两 种需要的化学药品，根据自己的需要进行搭配，就可以进行化学实验，实现现 象及结果以f l a s h 方式展示。 化学软件m o d e lc h e m l a b 5 , 剐，是加拿大的麦克马斯特大学( m c m a s t e r u n i v e r s i t y ) s 1 作的，该实验室中有中学化学实验操作过程中需要多种多样的化学 实验仪器。在该实验室中，用户可以随意选择需要的仪器，组合成自己要进行 的化学实验，并进行实验现象和过程模拟，有关实验原理、反应方程式、主要 实验现象及操作规则在实验中都有说明。该系统中用f l a s h 的形式，来表现实验 的基本操作及实验现象，从而有效地控制实验中化学变化的速度以及实验进行 的快慢程度。 中科院上海有机化学研究所的c h e m l a b l 7 l 实验室，该实验室在化学应用的 很多领域都有研究，在这个实验室中，用户自由选择仪器、药品进行化学实验， 可以组成自己想要的化学实验，该平台在实现上也是二维的。 盒华科公司专门针对中学化学教学开发了一个仿真系统，该系统为仿真 化学实验室，该系统提供了一个二维化学实验室。它提供了中学化学所有能用 到的虚拟仪器：烧杯、试管、铁架台、酒精灯等。用户可以随意的添加仪器、 药品，进行实验平台的搭建。在化学反应方面，该系统可以比较智能地处理药 品之间要进行的反应。由于它采用了二维平面设计，在实验效果的实现上，看 起来不太形象、直观。 四川师范大学的朱福全模拟的虚拟化学实验是三维的。讨论了实验场景的 关键技术，比如：几何变换、光照模型、碰撞检测。研究了虚拟仪器的建模方 法，并对火焰、气泡等的实验现象，用粒子系统建模方法进行了动态模拟。 国防科学技术大学的蔡海滨提出了可复用的虚拟元器件建模的相关问题， 包括虚拟元器件的数学模型，关系模型，对象的通信方案和远程调用实现思想1 8 】。 四川师范大学的刘洪用x 3 d 对虚拟化学实验室的建模、动画、音频及数据 存储进行了研究，并提出了一个虚拟化学实验室模型引。 3 1 绪论 1 3 论文的研究意义 现有的化学实验系统大多是基于平面的二维设计，如加拿大的化学软件 m o d e lc h e m l a b 和国内会华科公司的仿真化学实验室提供的虚拟化学实验室， 实验现象均采用f l a s h 的形式表示，实现的实验效果不够直观和形象。四川师范大 学的朱福全提出的虚拟化学实验室虽然是三维的，但没有提供动态智能的化学 反应机制，其实验平台的扩展性有待研究，也没有化学实验提交后的评价问题。 郑州大学的张艳丽基于o s g 的虚拟化学实验平台的设计与实现，设计与实现了 一个智能的、可扩展的虚拟实验平台。现有三维虚拟实验的研究仅停留在框架 探索和关键技术的实现层次上，但是对于适合平台需要的关于化学药品、实验 仪器以及整个实验的模型的建立问题没有解决和进行深入的研究，因此，针对 三维虚拟化学实验相关内容的建模工作具有很重要的研究意义。 1 4 论文的研究内容 本论文的主要研究内容有： 对虚拟现实建模的现有技术进行了整理研究，分组为图像、图形、图像 图形混合建模技术。并逐步对其定义、建模方法、建模适用范围、优缺 点等进行了细致的阐述。最后，考虑到虚拟现实应用越来越广泛，其技 术又是专业的，为了更多热爱虚拟现实的人参与进来，对还没形成规范 的概念性建模技术进行了介绍。 对初中无机化学实验进行了分类，对每一类实验中的一个典型示例，从 化学药品、实验仪器、反应过程、反应现象等方面进行了建模，仿真出 了虚拟化学实验。最后，从有效支持虚拟实验平台的角度出发，对药品、 仪器、实验的建模进行了总结。 对虚拟化学实验中化学反应现象、实验反应过程，这些不同于仪器、药 品的几何建模、物理建模、化学建模，它们有变化的过程、有影响变化 的因素等的内容，进行了过程性建模。 由于渲染的环境为o s g ( o p e ns c e n eg r a p h ) ，其中虚拟化学实验中对化 学现象的过程性建模就是采用了o s g 中的粒子系统，因此对o s g 进行 了简单介绍，对其粒子系统进行了研究。其内容分为o s g 自带粒子系 统与自建粒子系统两类。 4 1 绪论 1 5 论文的结构安排 论文先宏观从虚拟现实建模技术入手，然后具体到虚拟化学实验的建模实 现。本文一共分为六章。各章的详细内容如下： 第一章，绪论。介绍论文的研究背景、现状、意义、内容和论文的结构安 排。 第二章，对虚拟现实建模的相关技术进行了介绍。包括图像、图形、图像 图形混合建模技术，针对虚拟现实特征的一些技术研究以及还没形成规范的概 念性建模技术。其中对图形建模技术又进行了细分：几何建模、物理建模、行 为建模。 第三章，主要介绍初中无机化学实验的分类及化学实验需要建模的内容和 其对应的建模方法。包括对实验仪器、化学药品从几何建模、物理建模到化学 建模的过程进行的总结，归纳出对虚拟化学实验平台支持的仪器、药品、实验 的模型，及对反应条件、反应方程式、反应现象、反应过程等内容的建模。最 后，对整个实验模型的内容，及各部分对应的建模方法，按照面向对象的思想 进行了节点式划分，并给出了实验模型的层次结构图。 第四章，介绍了过程性建模技术，着重分析了化学实验过程中反应物到生 成物的量变，整个实验过程的控制，以及化学实验反应现象的实现，因其符合 过程性建模的特征，所以对其进行了过程性建模。在对化学实验反应现象的实 现时用到的是o s g 的粒子系统，因此对o s g 进行了简要介绍，并对其粒子系 统进行了详细的阐述。 第五章，主要介绍四类实验选取示例实验需建模的内容及其对应的建模方 法，并最后对选取示例实验在虚拟实验各关键阶段的截图进行了展示。 第六章，主要是对本文工作的总结和对研究前景的展望。 5 2 虚拟现实建模的相关技术 2 虚拟现实建模的相关技术 2 1 图像建模技术 虚拟现实技术的基础是构建具有高度真实感的虚拟场景。虚拟场景的构建 方法有两种：基于模型绘制( m o d e lb a s e dr e n d e r i n g ，简称m b r ) 和基于图像 绘制( i m a g eb a s e dr e n d e r i n g ，简称i b r ) 。基于图像绘制：它指的是利用数字 图像处理和计算机视觉技术，采用实景图像来直接生成虚拟视点下的视图。 基于图像的虚拟建模技术不依赖于三维几何建模，而是利用照相机采集的 离散图像或摄像机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 实现全方位观察三维场景的效果，多用于漫游系统。 i b r 可以分为很多种，全景图是一种使得虚拟场景的实现简单易行的i b r 技术。利用全景图来构建虚拟场景，只需使用专业全景摄影器材对现实场景进 行拍摄采集，得到全景图即可。但是，由于专业全景摄影器材昂贵且复杂，人 们更倾向于利用图像拼接技术，对使用普通摄影器材拍摄采集到的场景图像进 行拼接，从而得到全景图。 图像拼接技术就是使用普通数码相机对现实场景进行拍摄采集，得到一组 重叠图像，然后利用计算机将这些重叠图像进行自动拼接，构建一个无缝的、 高清晰的、视野开阔的全景图。 完整的图像拼接过程通常包括一下四个步骤： ( 1 ) 图像采集：把现实场景拍摄采集为数字图像序列； ( 2 ) 图像校正：校j 下由镜头引起的几何变形； ( 3 ) 图像配准：配准对齐几何校j 下后的图像序列； ( 4 ) 图像融合：消除对齐图像的缝隙。 全景图的种类很多，大致可以分为平面全景图、柱面全景图、球面全景图、 立方体全景图等( 图2 1 ) 。 6 2 虚拟现实建模的相关技术 图2 - 1 几种全景图 基于实景的方法具有快速、简单、逼真的优点，能较好地实物虚化，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。图2 2 为浙江大学潘志庚教授，在第三届全国教育游戏与虚拟 现实学术会议上，就“虚拟现实在文化遗产数字化及虚拟展示中的应用 报告 中，所展示的全景漫游示例杭州宋城景观。 图2 2 杭州宋城景观 基于实景的方法其主要优点有： ( 1 ) 不需要复杂建模； ( 2 ) 漫游效果及处理时间与场景内容的复杂度无关： ( 3 ) 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； ( 4 ) 通过真实图像完全可以生成与照片一样极具真实感的合成场景。 基于真实场景实景图像的获取问题，它的应用存在如下一些限制： ( 1 ) 当真实场景并不存在，或处于设计规划阶段时，它无能为力： ( 2 ) 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； ( 3 ) 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 需要大量的存储空间。 7 2 虚拟现实矬模的相关技术 2 2 图形建模技术 基于模型绘制：是指利用计算机图形学技术，首先对真实场景进行定义， 从而建立三维场景模型，然后进行场景绘制、着色、光照、消隐、投影等处理， 最终生成虚拟视点下的视图。 基于几何模型的虚拟建模技术，又称为基于图形的建模和绘制，常用于大 规模场景的建模。它以计算机图形学为基础，首先对真实场景进行抽象，用多 边形构造虚拟景观的三维几何模型，并建立虚拟环境中的光照和材质模型。然 后进行纹理映射、模型的可见消隐和控制参数的设定，最后通过软件控制观察 者的位置和光照，在输出设备上实时渲染绘制视景界面，从而完成对整个场景 的漫游。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，这些使得建模法目前的实际应用比较广泛。 建模法的优点如下： ( 1 ) 虚拟景观大多具有精确对应的几何模型，得到比较细腻、逼真的场景； ( 2 ) 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； ( 3 ) 实现虚物实化。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。 建模法的缺点如下： ( 1 ) 对复杂场景进行详细建模太过繁琐，工作量大，费时费力； ( 2 ) 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 量图形环境结合起来，场景难以达到完全逼真； ( 3 ) 场景实时渲染绘制对计算机硬件要求较高。 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，建模法在虚拟现实系统中应用也将越来越广泛。 2 2 1 几何建模 几何建模是虚拟现实建模技术的基础。虚拟环境中的几何建模是物体几何信 息的表示，涉及表示几何信息的数据结构、相关的构造与操纵该数据结构的算 法。虚拟环境中的每个物体包含形状和外观两个方面。物体的形状由构造物体 的各个多边形、三角形和顶点等来确定，物体的外观则由表面纹理、颜色、光 照系数等来确定。因此，用于存储虚拟环境中几何模型的模型文件应该能够提 8 2 虚拟现实建模的相关技术 供上述信息。同时，还要满足虚拟建模技术的三个常用指标( 交互显示能力、 交互式操纵能力和易于构造的能力) 对虚拟对象模型的要求。 几何建模可以进一步划分为层次建模法和属主建模法： ( 1 ) 层次建模法：利用树形结构来表示物体的各个组成部分，对描述运动 继承关系比较有利。例如：手臂( 图2 3 ) 可以描述成有肩关节、大臂、肘关节、 小臂、腕关节、手掌、手指等构成的层次结构，而各手指又可以进一步细分为 大拇指、食指、中指、无名指和小拇指。在层次建模中，较高层次构件的运动 势必改变较低层次构件的空间位置，例如：腕关节转动势必改变手掌、各手指 的位置，肘关节转动势必改变小臂、腕关节、手掌等的位置，而肩关节的转动 势必影响到大臂、腕关节和小臂等的位置。几何模型一般可以表示成分层结构， 因此我们有可能使用自顶向下的方法将一个几何对象分解，也可以使用自底向 上的构造方法重构一个几何对象。 图2 - 3 手臂 ( 2 ) 属主建模法：让同一种对象拥有同一个属主，属主包含了该类对象的 详细结构。当要建立某个属主的一个实例时，只要复制指向属主的指针即可。 每一个对象实例是一个独立的节点，拥有自己独立的方位变换矩阵。以木椅建 模为例，木椅的四条腿有相同的结构，我们可以建立一个椅子腿属主，每次需 要椅子腿实例时，只要创建一个指向椅子腿属主的指针即可。通过独立的方位 变换矩阵，便可以得到各个椅子腿的方位。同理，图2 4 的场景图，一间房间中 摆放了一张桌子和两把一模一样的椅子，因为两个椅子是同样的，所以其上级 组节点将这把椅子转化到两个不同的空间位置以产生两把椅子的外观效果。这 样做的好处是简单高效、易于修改、一致性好。 9 2 虚拟现实建模的相关技术 图2 4 场景图形中不同位置的椅子 2 2 2 物理建模 物理建模指的是虚拟对象的质量、重量、惯性、表面纹理( 光滑或粗糙) 、 硬度、变性模式( 弹性或可塑性) 等特征的建模，这些特征与几何建模和行为 规则结合起来，形成更真实的虚拟物理模型。物理建模是虚拟现实系统中比较 高层次的建模，它需要物理学与计算机图形学配合，涉及到力的反馈问题，主 要是重量建模、表面变形和软硬度等物理属性的表现。 分形技术和粒子系统就是典型的物理建模方法。分形技术在虚拟现实中一 般仅用于静态远景的建模；在虚拟现实系统中粒子系统用于动态的、运动的物 体建模，如常用于描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象。 2 2 3 行为建模 在虚拟环境中，仅仅建立静态的三维几何体是不够的，物体的特性还涉及 到位雹改变、碰撞、捕获、缩放、表面变形等等。这也是虚拟环境难以处理的 问题之一。 行为建模就是在创建模型的同时，不仅赋予模型外形、质感等表面外观特 征，同时也赋予模型物理属性和与生俱来的行为与反应能力，并且服从一定的 客观规律。换言之，就是要使死的模型变成活的角色。例如：桌面上的重物移 出桌面，重物不应悬浮在空中，而应当做自由落体运动。因为重物不仅具有一 定的外形，而且还具有一定的质量并且受到地心引力的作用。又如：创建一个 人体模型后，模型不仅应具有人体的表观特征，而且还应具有在虚拟视景中呼 吸、行走、奔跑等行为能力，甚至可以做出表情反应。也就是说，模型应该具 有自主性。 1 0 2 虚拟现实建模的相关技术 2 2 4 图形建模常用方法 虚拟现实场景中的模型可以分为两大块：视觉模型和听觉模型。视觉模型 包括三大类模型：规则模型和不规则模型以及模糊景物模型。规则物体的生成 是传统的计算机图形学研究的主要内容，其技术基础是几何造型，即通过对点、 线、面、体等几何元素，经过平移、旋转、变化等几何变换以及并、交、差等 几何运算，产生实际的或想象的物体模型。借助几何造型获取对象的精确描述， 辅之以相关的光源模型、光照模型、材质模型、真实感图形算法，可以生成真 实感很强的图形。而不规则模型是指具有不规则几何外形的物体，如地形地貌、 树木、草丛等。相对于规则物体而言，不规则模型的显著特点是其表面包含有 丰富的细节和随机变化的形状，他们很难用传统的解析曲面来描述。 1 、规则三维几何模型目前比较成熟的几种建模方法： ( 1 ) 原始的手工编程方法，人工计算物体的空间坐标，编写程序确定模型 的面片形状以及参数然后将其储存为模型文件。利用o p e n g l 来读取该文件并 实时显示。这种方法建模不需要其他的平台软件，但是建模过程繁琐，工作量 大并且对模型的构型不易掌握。 ( 2 ) 利用商业建模软件，目前在三维可视化建模领域已经有许多相当成熟 的商业建模软件。例如3 d m a x 、a u t o c a d 、c r e a t o r 等等。这些建模软件丌发界 面友好，功能强大，给用户提供了一个“所见即所得 的交互式可视化建模环 境。利用这些建模软件开发，可大大提高建模的效率和质量。 ( 3 ) 在三维模型软件基础上采用二次开发来自动完成。现有的三维建模软 件工具多数都提供了二次开发平台，利用软件的二次丌发语言，通过编程完成 三维建模开发，这对外形较规律，参数大致相同的模型，可以通过编程自动化 批处理实现，节省开发时自j 。 ( 4 ) 使用特殊的硬件或软件实现自动三维建模。硬件方面，如p o l h e m u s 公 司推出的数字化仪f a s t s c a n 使用能得到空间点三维信息的p o l h e m u s 探针，通过 探针在物体表面的运动，可以得到物体表面的三维模型。也有采用激光扫描技 术，通过激光束在物体表面的扫描得到物体的三维模型。软件方面，一种基于 图像的三维重建，从物体的照片生成它的三维模型，这属于图像渲染的一部分。 这方面的研究在逐步深入，但还没有到达实用的程度。另一种基于模型转换， 将已有的工程模型，如机构c a d 三维造型，建筑的规划效果图等转化成虚拟现 实的