虚拟现实课件_第5章39.ppt

虚拟现实技术 讲课老师 王洪群 whq lanzhou 第五章建模 几何建模 运动建模 物理建模 模型管理 行为建模 VR的硬件保障 虚拟世界的对象数据库 VR创作工具 智能行为 物理建模 运动建模 模型管理 几何建模 IO映射 实时仿真 一 几何建模 几何建模 描述虚拟对象的形状 多边形 三角形 顶点和样条 以及它们的外观 表面纹理 表面强度和颜色 三角形网格 参数表面 1 虚拟对象的形状 工具包编辑器 对象表面造型方法 3DStudio AutoCAD 导入CAD文件 三维数字化仪创建对象 三维数字化扫描化仪创建 商业三维数据库 1 虚拟对象的形状 MiraImaging公司HyperSpace 微型三维跟踪器 4200纹理多边形 Beizer曲线 Polhemus铁笔 工作范围小 精度1mm RaindropGeomagic公司GeomagicWrap软件 扫描得到的点云状图 三角形网格简化 用参数表面NURBS样条改良成新的多边形参数表面 PolhemusFastScan3D扫描仪 2 对象的视觉外观 场景光照 纹理映射 局部场景光照 整体场景光照 孤立地处理对象和光源之间的交互 而忽略对象之间的相互依赖关系 模拟对象之间的相互反射和阴影效果 从而得到真实感更强的场景 是在图形流水线的光栅化阶段执行的一种技术 其目的是更改对象模型的表面属性 如颜色 漫反射率和象素法向量 Gouraud明暗处理 局部光照处理方法 法向量插值 Phong明暗处理 光线跟踪算法 辐射度算法 2 对象的视觉外观 基于辐射度的整体光照处理 法向量插值 Phong明暗处理 平面明暗处理 局部光照处理方法 辐射度处理与图形绘制流水线的同步 2 对象的视觉外观 场景光照 纹理映射 是在图形流水线的光栅化阶段执行的一种技术 其目的是更改对象模型的表面属性 如颜色 漫反射率和象素法向量 纹理映射 创建方法 画图程序产生的纹理位图 电子扫描方式 利用解析函数 商业纹理数据库 2 对象的视觉外观 45992个多边形 通过表面纹理减少多边形数目 一个纹理多边形 混合叠加原理 凹凸映射的例子 凹凸纹理是表现表面高度信息的单色纹理 用灰度级表示 2 对象的视觉外观 光线的多纹理映射 标准的二维光线映射纹理 叠加的光映射纹理 另一类混合叠加纹理映射 光线映射 低分辨率的灰度级纹理 模拟给定光源锁产生的光 二 运动建模 运动建模 主要用于确定三维对象在世界坐标系中的位置 以及它们在虚拟世界中的运动或者虚拟相机的运 1 齐次变换矩阵 所谓齐次坐标就是将一个原本是n维的向量用一个n 1维向量来表示 如向量 x1 x2 xn 的齐次坐标表示为 hx1 hx2 hxn h 其中h是一个实数 显然一个向量的齐次表示是不唯一的 齐次坐标的h取不同的值都表示的是同一个点 比如齐次坐标 8 4 2 4 2 1 表示的都是二维点 2 1 缩放变换 相对于原点缩放 相对于 xf yf zf 点缩放 旋转变换 1 绕x轴旋转变换 2 绕y轴旋转变换 3 绕z轴旋转变换 旋转变换 1 相对原点任意角度旋转变换 对象的位置 变换不变式 变换不变式 对象层次 对象层次 定义了作为一个整体一起运动的一组对象 但是各部分也可以独立运动 至少分为两级 上一级对象是父对象 下一级称为子对象 父对象的运动会被其所有子对象复制 而子对象的运动却不会影响父对象的位置 分段模型的层次树图结构 对象层次 虚拟相机观察到的虚拟手层次结构 几何处理阶段 1 把虚拟对象映射到照相机坐标系 2 光照计算 3 透视投影 4 剪裁和屏幕映射 观察三维世界 观察变换 世界坐标系到照相机坐标系的变换 称为观察变换 frustrum 近平面 远平面 规范的观察体 三 物理建模 物理建模 描述虚拟对象的物理特性 如 重量 惯性 表面硬度 柔软度和变形模式 弹性的还是塑性的 等 物理建模的计算负荷分派到触觉绘制流水线 碰撞检测 1 碰撞检测 方向包围盒 orientedboundingbox OBB 沿主轴方向 轴向包围盒 axis alignedboundingbox AABB 沿世界坐标系的坐标轴 近似检测 精确检测 碰撞检测 包围盒检测 AABB OBB 包围盒 包围给定三维对象所有顶点的棱柱 使用Voronoi区域 使用代数方法 隐函数方法 检测不到碰撞的情况 解决办法 1 提高绘制速度2 利用场景相关性 三 物理建模 2 表面变形 表面切割 三 物理建模 3 受力计算 弹性虚拟对象 塑性虚拟对象 弹性虚拟对象 单位步进函数 虚拟墙 三 物理建模 3 受力计算 弹性虚拟对象 塑性虚拟对象 塑性虚拟对象 虚拟墙 三 物理建模 3 受力计算 弹性虚拟对象 塑性虚拟对象 虚拟墙 虚拟墙 三 物理建模 4 力的平滑与映射 力的渐变处理 forceshading 通过改变与多边形表面交互过程中产生的反馈力的方向 来模拟与光滑的曲面表面接触时候的感觉 三 物理建模 4 力的平滑与映射 触觉手套激励器与最后得到的网格力之间的夹角 是网络点i处的穿透距离 即内部触点和该网络点当前位置之间的距离 是触点处多边形的加权表面法向量 表面细节 触点I的渐变处理 虚拟球表面变形 三 物理建模 4 触觉纹理映射 PHANToM产生的触觉纹理 用户感觉到的阻力 五 行为建模 虚拟人 agent 是一个具有人的行为特征的三维角色 一组agents称为人群 他们具有群组行为 虚拟环境的自主程度取决于各个组件 称为交互对象 agent 或人群的自主程度 程序控制的 programmed 被指导的 guided 自主级别levelofautonomy 简称LOA 自主的 autonomous 仿真的自主级别 Agent行为模型 情绪 行为规则 动作 Agent行为的层次 基于情绪的行为 反射行为 五 行为建模 相同的感觉数据产生了不同的行为 反射行为表现为 每当看见对手就阻截 基于情绪的行为 通过喜欢 不喜欢 生气和恐惧过滤感知数据 比反射行为的层次要高 Dexter智能agent 表现反射行为的agent 模仿用户手势的agent 用户控制 五 行为建模 包含自主和程序控制agent组的游行示威 一组agent形成群体 群体可以是被指导的 程序控制的或者自主的 五 模型管理 模型管理 包含那些用于帮助VR引擎以交互速度绘制复杂虚拟环境 同时对仿真质量不会产生重大影响的技术 对象细节等级管理 模型管理的方法 单元划分 离线预计算 数据库管理 静态LOD管理 基于对象的离散几何 alpha融合和形状渐变 静态LOD管理 自适应的LOD管理 细节等级管理 Level of detail 简称LOD 管理那些通过选择对象相应的细节等级来提高图形流水线吞吐量的技术 五 模型管理 离散几何LOD管理 它把场景划分成虚拟相机的位置为中心的同心圆区域 同心圆半径由用户定义 跃变问题 改变模型的多边形数目 Alpha融合 把一个模型的透明度设置为与虚拟相机之间距离的函数 越近的模型越不透明 自适应的LOD管理 解决静态LOD管理无法解决的一些问题 五 模型管理 自适应LOD管理 考虑光照信息 其预计算阶段根据特定的光照条件和观察角度确定顶点折叠和分裂的方法 单个对象的自适应LOD管理 边折叠 8192 低密度球 局部分裂 537 512 自适应LOD管理 均匀的高密度球 0 115秒 0 024秒 五 模型管理 0 305秒 0 99秒 标准偏差0 305 五 模型管理 0 1秒 0 13秒 标准偏差0 0085 自动单元分割 能把虚拟世界划分称为较小的空间和单元 只有位于当前空间中的对象才会被绘制 从而大大降低了绘制复杂度 单元分割 五 模型管理 自动单元分割 能把虚拟世界划分称为较小的空间和单元 只有位于当前空间中的对象才会被绘制 从而大大降低了绘制复杂度 单元分割 一个单元中所有可见的多边形的组合被看成该单元的潜在可视集 potentiallyvisibeset 简称PVS 由于PVS的大小远小于整个模型的大小 绘制时间减小 基于单元分割的模型复杂度管理 五 模型管理 分割平面在何处由分割体的优先级来确定 单元分割 视点位于某个房间时 只有那个房间的多边形需要绘制 帧刷新率提高了3倍 分割体优先级 0 5 封闭因子 0 3 均衡因子 0 2 分裂因子 房间内墙上的门的数量与大小 分割体间的大小比例 模型被分割的细小程度 五 模型管理 数据库管理层 根据视点位置预先调