（计算机科学与技术专业论文）虚拟现实中三维场景构建的优化研究.pdf

摘要 本文主要基于虚拟现实技术来构建虚拟场景并使其得到优化， 首先介绍了虚拟场景的概念和关键技术，针对国内外的研究现状和 进展，在结合o p e n g l 技术介绍，共同讨论并研究了虚拟场景的构 建以及整个场景的特征。在场景模型建立的基础上，用到了纹理映 射、碰撞检测等一系列技术问题。针对复杂场景，需要对绘n h , j 的 真实感与实时性进行平衡处理。为了满足用户在建筑物场景中的沉 浸感，还要对系统进行优化处理实现可漫游功能。本文在认真分析 和总结相关工作的基础上，进行了如下的研究工作： 一、建造具有真实感三维虚拟模型是整个建筑物漫游系统的基 础。本文利用3 d s 文件进行建筑物的构建，然后在导入到o p e n g l 中进行场景的渲染。为了实现视觉的真实感和沉浸感，消除锯齿， 采用了区域求和表算法，针对该算法存在的问题，对区域求和表算 法进行了改进，有效的减少了锯齿，也提高了模型的显示速度。 二、在对场景中的模型进行碰撞检测的过程当中，需要建立每 个物体的a a b b 包围盒。为了提高场景中物体的碰撞检测速度，本 文就对包围盒的数据存储结构进行了优化，为场景的模型调度节省 了大量的时间。 三、通过分析3 d s 文件的结构，用v c + + 6 0 编程导入o p e n g l 进行渲染。根据室内建筑虚拟漫游需要较高的实时性和交互性的要 求，本文采用了二叉树分割算法( b s p ) 进行场景管理。并对分割面的 合理选择进行了改进。纹理映射反走样技术和碰撞检测的存储优化 技术，也使场景的漫游效果更加逼真。 关键字虚拟场景，纹理映射，碰撞检测，b s p 树 a b s t r a c t t h ea r t i c l ei sb a s e do nv i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g yt ob u i l dv i r t u a l s c e n ea n dt ob eo p t i m i z e d ，f o rt h er e s e a r c hs t a t u sa n dp r o g r e s si n d o m e s t i ca n do v e r s e a ，t h ec o n c e p ta n dk e yt e c h n o l o g yo fv i r t u a lr e a l i t y a r ei n t r o d u c e d i nc o m b i n a t i o nw i t h o p e n g lt h e c o n s t r u c t i o na n d f e a t u r e so ft h ev i r t u a ls c e n ea r ea l s od i s c u s s e dt o g e t h e r s o m et e c h n i c a l p r o b l e m s ，s u c ha st e x t u r em a p p i n ga n dc o l l i s i o nd e t e c h t i o n ，h a v ea r i s e n i nt h ec o n s t r u c t i o no ft h es c e n e f o rt h e c o m p l e xs c e n e s ，r e a l i s t i c r e n d e r i n ga n dr e a l t i m ep e r f o r m a n c ea r eb o t hn e c e s s a r yf o rb a l a n c e t o m e e tt h eu s e r s i m m e r s i o ni nt h es e n s eo ft h eb u i l d i n g ，t h i ss y s t e mi sa l s o r e q u i r e dt ob eo p t i m i z e dt oa c h i e v et h er o a m i n gf u n c t i o n b a s e do n c a r e f u la n a l y s i sa n ds u m m a r yo f p r e v i o u sw o r k ，r e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ， w h i c hh a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e r ，c a nb eb r i e f l ys t a t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ec o n s t r u c t i o no far e a l i s t i ct h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a l m o d e li st h eb a s i sf o rw a l k t h r o u g hs y s t e mo fb u i l d i n g s i nt h i sp a p e q 3 d sf i l ei sf o rc o n s t r u c t i o no f b u i l d i n g s ，a n dt h e ni m p o r t e di n t oo p e n g l t or e n d e rt h es c e n e s i no r d e rt oa c h i e v ev i s u a lr e a l i s m ，i m m e r s i o na n d a n t i a l i a s i n g ，t h ep a p e ru s e sar e g i d n a ls u m m a t i o nt a b l ea l g o r i t h m f o r t h ep r o b l e mi nt h er e g i o n a ls u m m a t i o nt a l b l e ，t h ea l g o r i t h mi si m p r o v e d t om i n i m i z et h ej a g g e da n ds p e e du pt h ed i s p l a yo ft h em o d e l s e c o n d l y , i nt h ep r o c e s so ft h ec o l l i s i o nd e t e c t i o n ，a a b ba x i a l b o u n d i n gb o xi sc r e a t e df o re a c ho b j e c ti nt h es c e n e ，i no r d e rt oi m p r o v e t h ed e t e c t i o nr a t e t h ed a t as t o r a g es t r u c t u r eo ft h ea a b b b o u n d i n gb o x i so p t i m i z e df o rs a v i n gal o to fs t o r a g es p a c ea n dc a lli n gt i m ef r o m m e n m r o y i nt h ee n d ，3 d sf i l e ，b ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r e ，i si m p o r t e di n t o o p e n g lu s i n gv c + + 6 0f o rr e n d e r i n g a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fa h i g h e rr e a l - t i m ea n di n t e r a c t i o n ，t h i sp a p e ru s e st h eb i n a r ys p a c e p a r t i t i o n ( b s p ) t r e ef o rs c e n em a n a g e m e n t a n dr e a s o n a b l e c h o i c eo f p a r t i t i o ns u r f a c eh a sb e e ni m p r o v e d a n t i - a l i a s i n ga n dt e x t u r em a p p i n g t e c h n i q u e sc o l l i s i o nd e t e c t i o no fs t o r a g eo p t i m i z a t i o na l s om a k et h e s c e n em o r er e a li 对i c i i k e yw o r d sv i r t u a ls c e n e ，t e x t u r em a p p i n g ，c o l l i s i o nd e t e c t i o n ，b s p i i i 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 虚拟现实技术，也称为灵境技术，是一种通过计算机技术来构建现实世 界的计算机系统。在基于虚拟现实技术的三维场景中，人们可以通过一些交互 设备来感知这个逼真的虚拟环境，达到视觉、听觉和触觉的仿真。随着图形学 技术和传感器技术的发展，虚拟现实技术已经成为一个相当成熟和活跃的研究 领域。 虚拟现实技术是以场景建模和虚拟显示技术为基础的，在游戏开发、城市 规划、展品展示、g i s 、军事演练等众多领域都有非常广泛的应用。本文的研究 重点是建筑物内虚拟场景的构建显示的优化以及虚拟场景的漫游。 1 1 课题的研究背景及应用前景 1 1 1 虚拟现实技术 虚拟现实技术，简称为v r ，可以通过计算机的高科技技术为核心来逼真 的模拟真实场景，在一定范围内可以让用户的视觉、听觉和触觉相统一。用户 还可以借助必要的交互设备用比较自然的方式与虚拟环境中的虚拟对象进行直 接交互，从而产生身临其境的感觉。 虚拟现实技术和传统的模拟技术相比，具有感知性、沉浸感、交互性和构 想性的特点【2 1 。虚拟现实技术是能够让用户完全的进入到一个由计算机模拟生 成的交互式的三维虚拟环境当中，可以与场景中的事物进行交互，更能够去感 知和认识这些事物，开发用户的思维能力，获取更多的空间信息，实现场景与 用户的人机交互。 1 1 2 虚拟现实技术与三维场景 虚拟现实不是一种单纯的计算机技术，而是计算机技术的综合。它综合了 计算机显示技术、建模技术、计算机图形学、仿真技术、o p e n g l 技术的最新 研究成果，是一种多学科的模拟系统。三维虚拟场景建模技术和显示技术是虚 拟现实技术的核心问题。在三维虚拟场景中，用户享受到的是一种可视的、逼 真的虚拟环境，可以在场景中自由自在的进行漫游，甚至可以加入音乐来烘托 场景的沉浸感和交互性。 三维场景以虚拟现实为依托，在生产和生活的各个方面得到了广泛的应用。 虚拟现实技术的发展推动了三维场景的逼真表示。三维场景也越来越受到了人 们的重视，成为虚拟现实中的重要研究课题。 硕仁学位论文第一章绪论 1 1 3 研究背景 随着计算机软、硬件突飞猛进的发展，计算机图形学在各个行业的应用也 得到迅速的普及和深入。目前，计算机图形学已进入三维时代，三维图形在人 们周围已无所不在。三维图形已经在虚拟现实、地理信息系统、航天航空和游 戏娱乐等各个领域有着广泛的应用。 当今，随着虚拟现实技术与网络技术同益紧密的结合以及用户需求的不断 提高，虚拟现实中三维场景的管理逐渐走入优化阶段。大数据量场景的实时仿 真既是虚拟现实技术研究的主要内容之一，也是地理信息系统向三维立体分析 纵深发展所需解决的重要命题之一。随着三维场景数据量的同益增大以及专为 图形渲染设计的g p u 的普及，在不明显降低图形质量和复杂程度的前提下，研 究并采用一些可以应用在通用计算机平台上的高效数据处理方法与图形绘制算 法，以提高图形绘制速度。解决大数据量仿真场景在速度、质量及场景复杂度 之间越来越突出的矛盾已经成为了虚拟现实领域的研究热点。 1 1 4 三维虚拟场景的应用前景 三维虚拟场景技术的应用非常广泛，如建造房屋、远程教育、虚拟广播室、 文物古迹、工业仿真、室内设计等许多领域，在这里简单的介绍三维虚拟场景 的主要应用。 ( 1 ) 在城市规划设计中的应用 随着计算机技术的不断发展，将三维虚拟场景技术应用于城市设计、城市 规划以及城市建设的各个方面，并逐步推广普及。正是因为它比平面图更直观， 可以方便大型复杂工程的规划、设计、管理，有利于没计者与管理人员对各种 规划设计方案进行合理的分配。使用三维虚拟场景技术不仅可以为用户提供感 官上的感受，让用户对城市建设具有感性认识，并且可以使得决策者、设计师 和用户对城市建设和规划设计蓝图有更为生动、客观和理性的了解和认识，从 而拓宽了城市规划、设计和管理人员的视角，使城市规划、基础设施设计更加 科学化，对于城巾的呵持续发展研究自重要意义。 ( 2 ) 三维虚拟场景在军事演练模拟中的应用 实战军事演习不仪增加费用，而且也是冒很高的风险的高难度培训。采用 三维虚拟场景技术和利用计算机再现一种模拟战争过程，通过可视化的军事演 示来分析军事环境、战地场景、过程模拟、武器爆炸等，实现军队与虚拟军事 环境直接进行自然的交互。有助于军事单位对灾难方案的分析与研究，大大节 省了军费开支，降低军事成本，缩短军事演习时间，解决了在军事实战中可能 出现的问题【3 】。因此从一开始便倍受各幽军方的青睐。 2 硕十学位论文第。章绪论 ( 3 ) 三维虚拟场景在游戏中的应用 游戏产业已经从最初的二维发展到现今主流的三维游戏，其娱乐性也得至0 了质的飞跃，三维虚拟场景技术目前也已经广泛应用在游戏中，尤其是三维虚 拟技术将游戏的参与性、互动性和娱乐性向前推进了一大步。为游戏用户提供 了视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让玩家感觉到身临其境，也让游戏玩家可 以及时的没有限制的观察三维空间的事物。虚拟现实技术使用户完全沉浸在三 维虚拟场景之中，凭借它的巨大的优势在游戏发展史上具有罩程碑的作用。 ( 4 ) 三维虚拟场景在世博中的应用 2 0 1 0 年的世博会在上海隆重举行，很多游客因为时间空间等因素不能够亲 临现场感受世博的精彩，虚拟现实技术的应用满足了很多中外游客的这次损失。 利用虚拟现实技术构造出更加逼真的世博场馆，让游客随时都能够浏览世博的 风采。 1 2 国内外的研究现状和发展趋势 1 2 1 国内外的研究现状 l 、国外研究现状 在2 0 世纪末6 0 年代初，虚拟现实技术随着处理器速度的提高和传感器技 术的发展得到了更多的关注，形成了一种研究虚拟现实的革命浪潮。例如修复 哈勃望远镜需要在地面进行维修训练，航天器的模拟发射都取得了巨大的成功。 美国国防部把虚拟现实技术列为2 1 世纪保证美国军事优势地位的七大关键技 术之一【4 】。这也促进了其他产业界在虚拟现实技术方面的技术竞争，波音公司、 福特公司等都在虚拟现实技术方面有着巨大的发展。 2 、国内研究现状 和国外的虚拟现实技术相比，中国的虚拟现实技术还是存在着很大的差距。 随着计算机技术和图形学技术的高速发展，v r 技术已经得到了很大的重视， 对它的研究已经引起了我国的一些学者的兴趣和关注，也促使着虚拟现实技术 朝着更深和更广的方向发展。国家科工委已经将其作为国家的重点科研项目， 并且已经取得了可观的研究成果。目前，国内的许多计算机研究机构和高等学 校也都在致力于虚拟现实技术的研究。 最早对虚拟现实技术进行研究的是北航计算机系，它也是最具有权威的单 位之一。三维虚拟实时演示为我国的飞行航大事、l k 提供了必要的丌发平台，也 促进了虚拟现实技术的自我发展。2 0 0 8 年的北京奥运会，通过三维虚拟动画的 方式，将中国的历史立体化的展现在了国际奥委会的眼前。时隔两年，通过三 维虚拟现实技术和多媒体技术的手段，网上世博会让游客体会到了栩栩如生的 硕十学位论文 第一章绪论 真实感。运用三维虚拟现实技术和互联网技术，使上海世博会成为了“用不落 幕的世搏会”。 1 2 2 三维虚拟场景的研究进展 国内外的许多研究机构都在积极的研究三维虚拟现实仿真技术，也推动了 虚拟现实技术的进展。对于世界顶级的漫游技术实验室，加州大学和伯克利大 学都安装了大量的图形图像的工作站、显示器以及各种昂贵的外设来研究虚拟 现实技术，这个研究实验室主要的科研方向是研究室内建筑物漫游。 国内的许多重点大学，如清华、浙大等都在虚拟现实场景技术方面取得了 高度的进展，在视觉仿真、三维建模等方面也取得了重要的科研成果，并在战 场演练、游戏开发领域得到了初步的应用。杭州大学研究的虚拟故宫漫游系统， 让游客可以使用自行车作为交互的工具畅游故宫。对于上海世博会的网络虚拟 场馆构建，也为各参展者在网络环境下建立虚拟展馆，让参观者可以在网上世 博会展馆中以任何方式游走1 5 1 。 近年来，虚拟现实技术本着行动方便和成本低廉的原则表现出一些惊人的 发展趋势。在场景建模和系统构建等方面，虚拟现实技术表现出更高的发展速 度，也使它的应用更加的广泛和深入。 1 、环境建模技术 为了更好的获得真实场景的三维数据信息，提出了动态环境建模的概念， 它也是以虚拟现实技术为核心【6 】，并根据需要动态的创建虚拟环境。 2 、三维生成和显示技术 由于计算机图形学的发展，生成三维图形已经不是问题，可问题是在比较 高的刷新率的情况下如何不影响图形的显示质量，这也是今后要研究的重要内 容。像头盔式传感器和手套传感器这些虚拟交互设备已经不能够满足现在虚拟 现实的需要，这就有必要丌发出新的图形生成技术和显示技术。 3 、智能设备 随着硬件技术的发展，虚拟现实技术巾的头盔传感器和手套传感器等外部 设备已经不能够达到沉浸的目的。如果能够利用人类最直接的交互方式米满足 视觉、听觉和触觉的相统一，实现人机交互的智能化，也就能够高效的增强了 场景的交互性效果1 7 j 。 4 、分布式虚拟现实技术的研究和应用 分布式虚拟现实技术( 简称d v r ) ，是一种基于网络的虚拟环境。通过利用 新型的交互设备进行网络间的人机交互，共享工作空间。它必须支持多用户、 多实体之闻的异步通信。处于不同地点的用户进入这个场景之后就如同进入了 同一个虚拟环境，感受场景的沉浸感。由于它属于网络环境，就需要网络之间 4 硕士学位论文第一章绪论 的信息进行交换，单一的协议也已经不在满足用户的需求，这就要求开发出更 多有效的协议来进行三维数据的交换。分布式虚拟现实技术有着广泛的应用前 景。在教育、商业、娱乐、道路桥梁以及虚拟演播室等领域已经取得较好的应 用。目前，分布式虚拟现实技术也成为了国际上研究的热门话题。 1 3 论文组织 本文的主要工作在于用3 d s m a x 建模软件构造逼真的模型数据，然后在导 入到图形功能强大的o p e n g l 中进行虚拟场景的实时模拟。结合建筑物场景进 行纹理映射和碰撞检测，最后达到整个场景的优化。 全文的组织结构如下： 第l 章：绪论部分，主要介绍了三维虚拟场景的研究背景及意义，目前国 内外的研究现状以及本文所进行的主要工作。 第2 章：首先介绍了三维建模：【具3 d s m a x 的选择，然后重点说明了 o p e n g l 的工作原理和运行机制。 第3 章：介绍了二维纹理映射的反走样算法。在纹理映射的研究中，反走 样技术一直是研究的重要内容，而对于目前一般采用的基于查找表方法的反走 样技术，本章分析了较为成熟的m i p m a p 查找表技术和区域求和表算法，对于 这两种方法存在的突出问题，提出了一种改进的区域求和表技术，提高了纹理 映射的精度，消除了锯齿现象。 第4 章：分析了a a b b 包围盒层次树的构造过程，特别对物体分解为二叉 树结构的a a b b 包围盒层次树进行沦述，通过分析两个物体a a b b 包围盒层次 树问的关系，来判定两个物体是否发生碰撞。为了节省了大量存储窄间，本文 对包围盒的数据结构和叶子节点结构上进行简化存储，最终为程序从内存中调 用节省了大量时间，优化了场景的反应速度。 第5 章：首先分析了3 d s 文件的块结构并编程将其导入到场景中进行漫游。 为了达到场景漫游的最佳效果，分析了场景管理及复杂度场景的管理采用的 b s p 技术，并重点介绍了对b s p 分剖面选择的标准，增强了场景的真实感与沉 浸感。 第6 章：总结和展望。对目前的研究：= 作进行总结，并指出本场景中存在 的缺陷，为下一步深入研究做好准备。 硕十学位论文第二章系统实现平台介绍 第二章系统实现平台介绍 建立具有真实感的虚拟建筑场景需要更合适的建模工具，所以本章根据建 模工具各自的优缺点，进行合理选择。为了更清楚的了解图形接口o p e n g l ， 需要对它的原理和绘图机制进行了详细的介绍。 2 1 建模工具比较 随着计算机技术的发展，计算机处理图形的能力在逐渐的加强，二维图形 的处理软件比比皆是，三维物体的创建也不成什么问题。针对平常使用的三维 建模工具3 d s m a x 、o p e n g l 、m a y a 等，要想创建出更加逼真的模型就必须知 道它们各自的优缺点，更好的充分利用它们的优点。对它们的的功能及特点做 一个简要的介绍： l 、3 d s m a x 是a u t o d e s k 公司开发的三维动画渲染和绘制软件，它具有强 大的造型工具和丰富的材质库。3 d s m a x 可以将其它格式的文件，如d x f 、 d w g ，导入到自身的软件当中进行渲染和处理，还可以将m a x 文件转换为3 d s 文件进行存储。3 d s m a x 建模的关键之处是它能够创建出非常逼真和具有创造 力的模型来，更能表现出创造者的创作意图。3 d s m a x 在游戏开发、广告设计、 影视处理、建筑设计等可视化领域方面的应用也非常的广泛。不过，它的交互 性很差是它的一个致命的缺点，只能按照设计者事先安排好的过程来运行动画。 2 、m a y a 是美国a l i a s 公司出品的三维动画软件，广泛应用于专业的影视 广告，电影特技等。它的功能可以和3 d s m a x 相媲美，具有效率高和渲染逼真 性强的特点，是制作电影设计的高级别软件，还是一种基于节点的体系结构。 n u r b s 曲线造型是它的最强大功能之处，它能够让使用者非常方便的对控制点 集进行切换和选择以及进行撤销等操作。刚体动力学仿真是m a y a 的独到的应 用。这些都是奠定了m a y a 在三维动i m l 中无可比拟的地位。但是m a y a 和3 d s m a x 一样，不能够进行方便实时的进行交互使用。 3 、o p e n g l 是一种与硬件、窗u 系统和操作系统相互独立的一系列三维图 形标准【8 1 ，它被广泛的应用到场景的可视化和建模、仿真以及虚拟环境漫游等 领域。由于它的平台无关性，用它丌发的代码程序可以在各种操作系统之问进 行移植和扩展。o p e n g l 是由很多功能强大的图形函数构成的，开发人员可以 利用这些函数方便的开发出三维场景模型，并进行光色的渲染。从而能够客观 的绘制出更加逼真的三维景象。o p e n g l 具有坐标变换、颜色及光照设置、纹 理映射、特效制作、双缓冲技术、列表显示以及实时场景漫游等基本功能，但 6 硕十学位论文第二章系统实现平台介绍 是它的唯一缺点就是只能用最基本的图元( 点、线、面) 来绘制和构建物体的模 刑9 1 = 士二。 因此综合考虑多种建模工具，可以使用建模逼真度比较强的3 d s m a x 和高 交互性和实时性的o p e n g l 共同完成本系统的开发。最终在v c + + 6 o 中进行编 程实现。 2 2o p e n g l 图形编程基础 2 2 1o p e n g l 简介 随着可视化技术以及图形学技术的发展，可以用计算机来再现真实世界中 绚丽多彩的三维物体，并通过人机交互来达到模拟、改造现实世界。三维图形 编程工具中最为突出的是s g i 公司的o p e n g l ，它是图形硬件的一种软件接口， 也是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，作为与d i r e c t x 类似的 语言，它可以独立于硬件设备、窗口系统和操作系统等i l 。o p e n g l 与c 语言 密不可分，o p e n g l 的语法遵循了c 的语法，所以掌握o p e n g l 指令不是一件 很难的事情。许多计算机公司已经把o p e n g l 集成到各种操作系统和窗口系统 中 o p e n g l 的特殊性在于它具有很高的可移植性。采用o p e n g l 的原冈在于 它的设计目标是作为一种独立于硬件的接口，在现代大部分主流操作系统中都 能够运行o p e n g l 。然而为了实现这个目标，o p e n g l 并未包含用于执行窗口任 务。而是通过窗口系统设备来控制所使用的特定的硬件。同样，o p e n g l 并没 有提供一些特定的函数用来绘制复杂的模型，例如汽车、身体、飞机等。在 o p e n g l 中，必须通过一些基本的图元( 例如点、直线、多边形) 末创建所需 要的复杂模犁。 2 2 2o p e n g l 的工作原理分析 由于o p e n g l 的指令模式属于c s 结构，也就是客户的应用程序向服务器 内核发出命令，o p e n g l 服务器来对这些命令进i j ：解释。客户的应用程序和服 务器一般都足运行在同一台电脑上的，也可以通过c s 模式在网络环境中使用 o p e n g l ，这样在不i 司计算机上的客户的应用程序就叮以使用其它计算机服务器 上的服务了。这样o p e n g l 的网络透明性j 就表现出来了。 o p e n g l 指令函数集被封装在类库中或共享程序集中，应用程序发出对 o p e n g l 命令的调用之后，首先交给动态链接库o p e n g l 3 2 d l l 进行处理，然 后在传递给服务器内核处理，进一步交给操作系统，操作系统在根据具体的硬 件选择具体的操作。例如不同的显示卡进行显示处理，如果安装了硬件加速器， 7 坝l j 化论文第：二章系统实现平台介绍 则由硬件相关的d d i 来处理，如调用厂家的服务驱动程序或调用公共驱动程序。 到最后就传递给视频显示驱动，并向显示屏幕进行模型的显示，如图2 1 所示 展示了这个过程。 图2 - 10 p e n g l 的工作过程 以上的处理过程都在计算机后台实现的，基本不需要有程序员参与。程序 员所作的工作丰要是开发应用程序部分，对于管理硬件的工作交由计算机完成。 2 2 3o p e n g l 绘图机理 根据o p e n g l 的工作过程可以知道它的绘图机理可以用如下2 - 2 的框图表 示。 图2 - 20 p e n g l 绘图机理框图 o p e n g l 可以在不同图形处理能力的计算机上运行，用户所编写的程序命 8 硕+ 学位论文第二章系统实现平台介绍 令从绘图纹理框图的左边进入o p e n g l ，这些命令被分成两部分，一部分用来 去绘制用户所需要的几何物体，另一部分则是对这些几何物体的一种处理。在 o p e n g l 中有一个显示列表1 1 2 1 ( d i s p l a yl i s t ) ，它是很多命令函数的几个集合，在 后台对图形进行一系列显示处理。通过一个评估设备来计算显示列表中函数和 数据来绘制曲线和曲面。接着对顶点列表所构成的图元进行几何操作。为了对 图形进行光栅化处理，需要对顶点列表进行变换、光线照明和裁剪等操作以便 能够进入视觉窗口以及像素中的数据也要经过纹理的装配便于光栅操作。将光 栅化后产生的结果存储为基片，然后每个基片在存入帧缓存之前要进行一些操 作，比如缓存的刷新操作、各种测试和颜色的融合处理以及一些逻辑操作。 针对图形的旋转和显示的过程中出现的一定程度的闪烁现象和图形的过度 极不平滑等问题，o p e n g l 采用了双缓存( d o u b l e b u f f e r i n g ) 技术解决了这个问题。 视频存储器被o p e n g l 分成两个，即前台视频存储器和后台视频存储器。前台 视频存储器只是用来显示缓存中的图形，而后台视频存储器用来绘制图形，只 有把当前的一帧都绘制完了之后才会被复制前台视频缓冲区中。这样的频繁交 替必然解决了闪烁现象的产生，实现了在场景中三维图形的平滑运动。 2 2 4o p e n g l 的硬件接口 o p e n g l 作为计算机图形硬件的软件接口，它的主要工作就是将二维和三 维物体绘制到帧缓存中。在o p e n g l 的类库中包括了1 0 0 多个图形函数用来构 建三维模型和进行三维场景的实时交互漫游。程序开发人员町以凭借o p e n g l 强有力的绘图函数而无需编写矩阵变换、外部设备访问等较复杂的图形处理函 数，大大地简化了编写三维图形的程序。例如： ( 1 ) o p e n g l 可以提供一系列的比较简单的三维图形单元( 图元) 供丌发者 调用和使用。 ( 2 ) o p e n g l 可以提供一系列基本的图形变换函数，如视觉变换、造型变换 和投影变换。 f 3 ) o p e n g l 还可以提供一系列的访问外部设备的函数，可以使丌发者比较 方便地访问外设。 现在就简单的概括一下o p e n g l 的基本功能： l 、建模 o p e n g l 函数库中的函数除了町以绘制基本的点、线之外，还提供了很少 的复杂的三维模型绘制函数。 2 、变换 o p e n g l 图形库的变换包括视图变换、造型变换和投影变换。造型变换包 括平移、旋转和缩放三种变换，投影变换有平行投影( 又称正射投影) 和透视 9 硕十学位论文第二章系统实现平台介绍 投影两种变换。 3 、颜色模式设置 o p e n g l 对颜色的处理支持两种模式：一种是r g b a 模式，另一种是颜色 索引( c o l o ri n d e x ) 模式。在r g b a 模式下，所有的颜色用r 、g 、b 来表示， 用a 来表示透明度，颜色值用0 0 1 0 之间的数据来表示。在颜色索引模式下， o p e n g l 类似于画家用来画图的调色板，只不过将调色板中的颜色进行编号来 处理。也就是颜色值为一个索引。 4 、光照和材质设置 在o p e n g l 的光照模型中，光线可以分为：辐射光、环境光、漫反射光和 镜面光四大类。辐射光是直接从物体或点光源散发出去。环境光就是没有固定 方向的光。漫反射光是来自同一方向的光。镜面光是来自同一方向然后又沿着 同一方向反射出去的光。 5 、纹理映射 利用o p e n g l 生成各种物体，为了使物体看起来更加的真实，除了需要赋 予材质和光照外，还需要给物体增加现实世界中物体的纹理细节。所以纹理映 射增加了模型的逼真性，节省了图形的绘制时间。具体内容将在第三章详细讲 解。 6 、显示列表 显示列表就是提前将一些o p e n g l 函数存放到一张表里面去，当需要的时 候，表中的函数就会被依次的执行。这就类似于一种高速缓存。显示列表降低 了程序的重复使用，提高了显示的性能。 7 、双缓存动画 为了消除显示图形时产生的闪烁和图形的过度不平滑，采用了双缓存技术， 简而言之，后台缓存绘制图行，前台缓存湿示后台缓存已经绘制好的画面。 8 、特殊效果 为了使场景看起来更加逼真，在场景中增加了透明的效果，这就是利用 o p e n g l 对颜色进行融合产生的。通过反走样技术就可以消除场景中的锯齿， 对模型进行平滑处理。还町以创建逼真的大气雾化现象来增加场景的视觉效果。 2 3 本章小结 本节主要介绍了三维建模软件3 d s m a x 的选取，然后对o p e n g l 的工作原 理和运行机制进行了详细的介绍，为后面的编程做基础。 l o 硕士学位论文第j 章纹理快速反走样改进 第三章纹理快速反走样改进 通过对上一章系统平台的简单介绍，对系统的平台以及o p e n g l 的绘图机 制有了大体的了解。本章为了使三维场景更加具有沉浸感，就需要对模型的构 建进行优化处理，对于建模过程中出现的锯齿现象，就需要进行纹理映射的技 术来解决，根据三维模型建模原理来进行场景的反走样算法。针对比较流行的 反走样技术以及它们存在的一些问题，提出了一些改进方法，使场景的逼真显 示得到了预期的优化。 3 1 三维场景建模原理及技术 3 1 1 三维场景建模基本原理 一个三维场景中的物体种类繁多，比如：房屋、人、水杯、动物、书、革、 树木、蓝天白云、大理石、流水、砖、木板、电脑、橡胶、纸、玻璃、塑料、 钢、大理石等，不同场景下的物体又有不同的形态。为了使场景具有真实感， 需要建立物体特性的精确表示。 实体模型的表示大致可归为三中类型：一类是边界表示，也就是用一组曲 面( 含平面) 来描述物体，这些曲面将物体分为内部曲面和外部曲面；另一类 是构造实体几何表示，它将实体表示成长方体、正方体和圆柱体等基本体的组 合，可以采用并、交、差等运算来构造新的实体；第三类是空问分割表示，用 来描述物体的内部性质，即将包含一模型的空问区域划分成一组小的、非重叠 的连续实体。而对于虚拟现实领域普遍采用的实体表示方法是表面多边形( 通 常为三角形网格) 表示法，即用一组三角形网格来表示物体。因为所有实体表 面是以线性方程的形式加以描述，所以可简化并加速体表面的绘制和显示。因 此，用三角形网格描述的实体通常被称为“标准图形物体”。 一个模型的建立通过用顶点坐标集和相应属性参数可以构造一个多边形表 面。一个多边形的信息存放在多边形数据表中用来支持对场景中物体的处理、 显示和管理。多边形数据表可分为两种来组织：几何表和属性表。几何表包括 顶点坐标和用来标识多边形表面空间方向的参数，属性表包括指明物体透明度 及表面反射度的参数和纹理、颜色等特征。 存储几何数据的典型方法是创建顶点的集合、边集合和面集合。三维模型 中的每个顶点坐标值都是存储在顶点表中，而对于含有指向顶点表指针的边表 用来存储多边形每条边，面表含有指向边表的指针，用来为每个多边形的而标 硕十学位论文 第三章纹理快速反走样改进 识边。 为了将三维场景中的各种实体完全的表示出来，必须对表示实体的多边形 的数据结构进行处理。处理过程需要从坐标系开始进行，应该是从建模坐标和 世界坐标到屏幕坐标的变换、可见面识别和表面绘制等操作。这些处理要用到 多边形的顶点数据以及多边形的空间方向信息。空间里的方向信息主要针对于 多边形所在的平面方程。 平面方程可以表示为下列形式： 彳x + b 、，+ c 2 + d = 0 运用c r a m e r 的规则，在已知一个多边形三个顶点( x 。，y ，z 。) ( x ：，y ：，z ：) 、 ( x ，y ，z ，j 的条件下，平面方程的解可用行列式表示如下： 1 1y 。z 。 i a = 1 y 2 z 2 1 y 3 z 3 l x 。y 。1 c 2 k ：y 2 1 x 3 y 3 1 ix l 1 z 1 召= i x 2 1 z 2 i i x 3 1 z 3 一融兰 平面的法向量2 ( 么，曰，c ) 。a ，b ，c ，d 及n 在多边形顶点确定时由上述公 式计算得出，并与其它多边形数据一起存储到场景中。 三维虚拟场景建模所构成的场景数据库除了对存储描述实体表面多边形的 几何数据及属性数据外，还必须按照一定的方式将几何数据和属性数据组织到 一起。数据的组织应有利于场景中各种实体的查找和选择。 3 1 2 几何建模技术 基于儿何模型的虚拟建模技术，又被称做基于计算机图形学的三维儿何建 模技术【l3 1 ，它主要是利用数学意义上的曲线、曲面等数学模型来定义好虚拟场 景的几何轮廓，构造虚拟的三维景观中的模型，这是一种传统的构造三维虚拟 场景的关键方法。几何建模技术以计算机图形学为基础，首先需要对真实场景 有个抽象的数据概括，再利用现有的三维造型软件如o p e n g l ，采用多边形对 虚拟物体( 房屋、花草等) 和虚拟环境( 地形，天空) 的外观进行建模i l4 。使用的三 维造型软件一般采用图形化用户界面，隐藏了模型实体内部的表达形式，以及 光照、消隐、纹理等提高真实感的复杂实现过程，使用户在设计过程中就可以 从视觉角度去直观地观察物体的具体形状。 采用几何建模方法构建场景时也有一些弊端，对于复杂的场景建模，它的 1 2 硕+ 学位论文第三章纹理快速反走样改进 绘制速度和模型的质量受到很人的影响。对于显示及漫游则需要比较昂贵的硬 件配置。如果单纯用几何建模构建的虚拟场景，那么随着场景的复杂度的增加， 会难以满足场景实时性的要求，而且在进行场景的漫游过程中出现画面的抖动。 因此通过几何建模技术来构建虚拟世界中的虚拟对象的方法通常只适合于场景 复杂度不大以及需要实现用户和场景中虚拟对象进行交互的情况。 几何建模技术也有它的优点f 1 5 1 ： ( 1 ) 儿何建模的虚拟场景大多数都具有参数精确的几何模型，因此对应的场 景就显得比较逼真和细腻。 ( 2 ) 模型具有可操作性，可以方便用户与三维场景中模型的交互，同时在进 行碰撞检测时也比较容易控制。 ( 3 ) f l ：l 于几何建模的技术也比较成熟，现在很多国内外商家都推出了功能强 大的建模集成控制软件，利用这些软件构建的模型比几何建模更便捷，更加逼 真。 构造三维虚拟场景的首要任务就是利用集成的三维建模软件构建场景的逼 真的、等同现实世界的三维模型。由于人类对外界事物的感知力来自于视觉， 而且虚拟场景中模型的逼真度直接影响到整个漫游系统的沉浸感，因此本文选 用建模集成软件3 d s m a x 来构建真实感的模型。 3 2 三维模型的显示 3 2 1 坐标系统说明 如果想在计算机内部显示真实世界里的三维物体，除了需要了解三维物体 的特性外还需要知道三维物体和二维物体的数字化处理。由于计算机只能处理 的是数据，所以通过坐标系中的世标表示可以将真实世界中的三维物体和计算 机显示的二维图形进行关联。 为了将三维物体进行数字化表示，就需要将三维物体放入到一个空间坐标 系中进行显示，这个坐标系的华标轴、坐标原点和单位长度都要适应被显示的 三维物体，为此提出了世界坐标系的概念i l6 。它是以屏幕的中心为原点，当用 户正面屏幕的时候，右边就是世界坐标系的x 轴正方向，上面是y 的轴正方向， 直面屏幕的方向为z 轴的正方向。它的长度单位和方向始终不能改变。 知道了世界坐标系的概念，也需要知道局部坐标系的概念。三维场景中的 物体模型为了能够在场景中进行旋转、平移或缩放等操作，也需要进行一系列 坐标的变换，所以也就需要对场景中的每个物体模型建立一个属于自己的坐标 系，就是局部坐标系，也称为当f j 绘图坐标系【l7 1 。它足以这个三维物体模型的 中心为局部坐标系的坐标原点。值得需要注意的一点就是，当三维物体进行坐 硕士学位论文 第三章纹理快速反走样改进 标变换的时候都是相对当前的绘图坐标系的x ，y ，z 轴进行变换的，在绘图的 时候也是相对当前坐标系进行绘图的。 为了将世界坐标系中的三维模型在二维的计算机屏幕上显示出来，这就需 要在计算机的显示屏幕上建立另外一个二维的直角坐标系，也就是屏幕直角坐 标系。它是以屏幕的左下角为原点，x 轴正方向朝向了右方，y 轴正方向朝上。 坐标轴的长度单位为一个像素。 3 2 2 三维模型的相机模拟 知道了世界坐标系、局部坐标系和屏幕坐标系，就可以将一个场景中的三 维物体模型显示到二维的屏幕上了。但是为了更直观的说明从三维物体到二维 物体之间的转换，就用现实生活中的拍照来模拟这个过程。如图3 1 所示。 f 勘氡 嘲 厦舟 图3 - 1 三维相机模拟 从场景中的虚拟三维物体到计算机屏幕上二维图象的湿示这个过程，和用 照相机拍摄照片的过程一样，具体的过程如下： l 、在照相前需要将照相机固定在一个合适的位置，可以让照相机的镜头对 准物体。这个过程类似于o p e n g l 中的视点变换( v i e w i n gt r a n s f o r m a t i o n ) ，用来 1 4 硕士学位论文篼三章纹理快速反走样改进 调整o p e n g l 中的视点位置。 2 、适当的调整三维物体，以便能够进入照相机的视野范围。这个过程就类 似于o p e n g l 中的模型变换( m o d e l i n gt r a n s f o r m a t i o n ) ，可以对虚拟场景中的模 型进行平移、缩放和旋转等操作。 3 、调整照相机的焦距到合适的位置，让三维物体能够投影到照相机的二维 胶片上。这就类似于o p e n g l 中的投影变换( p r o j e c t i o nt r a n s f c i r m a t i o n ) ，它是将 三维虚拟场景中的三维物体投影到二维的计算机屏幕上去。o p e n g l 中的投影 方法有两种：正射投影和透视投影。它们都是为了能以更合适的位置、方向和 大小把三维物体在二维屏幕上显示出来。 4 、最后一步就是将照片冲洗出来，这也就决定了照片的大小。这个过程也 类似于o p e n g l 中的视口变换，它是用来决定窗口内部用来绘制虚拟场景的那 部分绘制区域。在o p e n g l 中用到的函数为： v o i dg l v i e w p o r t ( g l i n tx ，g l i n ty , g l s i z e iw i d t h ，g l s i z e ih e i t h t ) 其中x ，y 的值为屏幕坐标系的原点，也就是通常x 和y 的值都为0 。w i d t h 与h e i g h t 定义了视口的宽度和高度。 以上四个步骤，很直观的说明了三维虚拟物体的各种变换，以及如何将一 个三维物体显示到了二维的电脑屏幕上了。显示过程如图3 2 所示。 世界坐屏幕坐标 标系中 三维 的三维 几何 系中的图 变换 形显示 物体 图3 - 2 三维物体显示过程 3 3 三维图形的各种变换 知道了如何将三维图形转换为二维图形并显示在屏幕上还是不够的，为了 能够生成逼真度非常高的三维图形，还需要