基于对象的实时场景数据存储模型研究

1、基于对象的实时场景数据存储模型研究1、项目研究意义目前国内越来越多的大学和研究机构在政府支持下开展对虚拟现实的研究工作，也有许多成果。国内在场景数据存储建模的研究还限于静态，但动态场景数据存储建模还未见报道。本研究小组将实时场景模型从概念上分为几个独立的实体，数据存储独立地表达每一个实体，从而用这种方法构建虚拟现实动态场景，确保提升虚拟场景的动态组合、在线动态场景数据的访问、可视化场景的连续性、和信息可视化质量。此项目研究有着重要的社会意义和良好经济效益，它有助于推动我国在虚拟现实技术这一领域的应用基础研究和发展相关的软件产业，同时也可以培育出高质量的研究生。总之，虚拟现实技术有着广阔的市场前

2、景，中国的虚拟现实市场要靠中国人自己的虚拟现实产品去开拓。目前，虚拟现实技术在我国的发展才起步不久，国内主要有以下虚拟现实技术研究机构：浙大、中科院、北京航空航天大学、北大、清华、武汉大学、天津大学、南京大学、人大、上海交大、复旦大学、同济大学、西南交大、华中科技大学等等科研院所的虚拟现实实验室，承担过国家虚拟现实方面的科研课题，理论著作颇多。中科院研究所承担了相当数量的基础研究的项目，取得了一些重要成果。国家建设部信息技术研究开发与示范项目中绝大多数涉及虚拟现实技术，为信息可视化的应用注入活力。国家自然科学基金在信息可视化方面也有很大的支持力度，立项项目达100多项，培养了大批研究人员，也有

3、很多研究成果。如中科院吴恩华的基于图象图形的混合虚拟现实技术项目得重要进展，为进一步实现虚拟环境的“真实性”、"实时性"无疑具有重要的研究意义。目前，国内虚拟现实技术开发的难点和热点主要集中在以下几个方面：大型复杂场景的三维信息生成（复杂物体的数字化复原）、实时三维场景光影效果模拟、实时三维场景动态调用、实时三维场景内存使用控制、实时三维场景碰撞检测、实时三维场景运行效率的提高、开发新型显示器系统，配合实时全景的大视角三维场景显示、场传感器及数据采集系统等硬件系统、便携多功能的用户控制硬件系统、以及人机交互界面等在面向虚拟现实的信息技术研究方面。虚拟现实是计算机人机接口领域

4、内的重大技术进步。目前，诸如VRML/X3D的VR标准，提供了描述虚拟场景的方法。在展示3D场景中，使用VR技术，可以构建静态的VR系统。然而，真正的挑战在于动态VR应用程序，包括虚拟场景的动态组合、在线场景数据的访问、可视化场景的连续性、持久性的实现等。为了能够较快地生成各种视景，一般先采用多边形网格法生成场景描述，但由于采样精度高，由此建立起的三维模型的复杂程度远远超过了当前计算机实时的图形处理能力。如何降低这些模型的复杂度，减少图形系统需处理的多边形数目，实现实时交互，已经成为计算机图形学研究中的一个重大课题。国内学者潘志庚，石教英等学者对多细节层次模型间的连续过渡技术进行了研究,提出一

5、种基于建立对象对应关系的多细节层次模型间连续过渡的方法.该方法具有实现简单、速度快和过渡平滑的特点,并且适用于任意三角网格模型. 訾磊,邓俊辉, 唐泽圣等人在“基于狭缝图像的三维虚拟漫游”一文中，提出基于狭缝图像的四维光场模型,设计并实现了一个完整的三维虚拟场景漫游平台系统。通过使用四叉树结构对场景进行组织,实现了对三维场景的自适应非均匀采样,提高了采样的效率;采用临近点插补方法,解决了重采样中出现的图像空洞;通过对漫游时的内存管理、路径预测和碰撞检测处理,提高了漫游的稳定性与连贯性;对漫游速度做了测量,对绘制图像的质量做了比较。刘洋，鲁东明，刁常宇，况奕等学者在“敦煌285窟多媒体集成虚拟展

6、示”一文中提出对热点区域建立基于对象而非基于切片的热点定义,有效地避免了在使用LOD方法中热点随切片简缩而消失的问题，展现能力得到了增强,取得了较好的效果。郑文庭，鲍虎军，彭群生在“基于时空连贯性和几何简化技术的复杂场景快速消隐绘制算法”一文中，提出了一个结合层次遮挡图和图像缓存的快速消隐绘制算法 .该算法首先利用空间连贯性对场景实行快速保守的消隐 ,对可能可见的近景、中景使用几何绘制 ,对可能可见的远景实现了基于图像和几何混合的加速绘制,由于充分利用了空间连贯性和图像简化技术 ,本算法效果良好 ,可适合各种复杂度场景的快速绘制 . 刘列明,吴恩华在“一种基于点光源的三维阴影的实时生成算法”

7、一文中，提出了一种基于点光源的实时生成三维阴影的算法 .该算法的基本思想是基于在一个复杂的虚拟环境中，某一时段内只有少数多边形相对于光源发生形状的改变 ,从而导致相应阴影计算的改变 ,而大多数多边形相对于光源是静态的。这样就有可能针对静态物体与动态物体分别作不同的处理 ,使尽可能少的多边形参与阴影计算。方法是,先用Tiling方法对静态场景进行预处理，确定相关阴影多边形集合，然后用 SVBSP(shadow volame BSP)树算法计算阴影。周昆，潘志庚，石教英在“基于混合多细节层次技术的实时绘制算法”一文中提出一种把视点无关和视点相关两类多细节层次技术结合起来的网格模型实时绘制算法。该算

8、法首先根据应用领域的不同要求或用户给出的误差范围 ,对模型进行与视点无关的预处理简化，然后把简化后得到的模型用在与视点相关的实时简化算法中 .给出的实验表明 ,这种网格模型简化和绘制算法能在损失很小的屏幕像素误差的前提下大大提高绘制速度. 李蔚清, 吴慧中在“一种加速复杂场景绘制的可见性判断算法”一文中研究了基于微机平台的复杂场景实时生成的关键技术,采用面向对象技术构造了虚拟场景的树型层次组织,提出了基于三维地形的场景空间层次包围盒构造方法,基于空间层次包围盒进行快速可见性预判断和LOD层次计算,实现了一个基于微机平台的复杂场景实时生成系统,并应用于虚拟战场的实时仿真。周天， 鲁东明，潘云鹤在

9、“ 面向虚拟场景生成的Morphing扩充方法”一文中针对基于特征线段的Morphing方法在虚拟场景生成中的缺陷，研究提出了一种扩充方法，称为Morphing。该方法通过增加图像间的映射关系，使其满足透视性质；增加了由点到特征线中点的距离控制参数，增强对特征线作用大小调节；同时，引入了位置特征线的概念来控制场景中对象可见性的变化，使得特征线的作用更合理，变换更真实。Morphing克服了以前方法中存在的透视、可见性、特征线歧义、效率低等问题，提高了绘制效率，结果图像更逼真。为了构建动态的虚拟现实应用程序，国外研究人员对虚拟现实数据存储建模提出了一种方法。这种方法使用了两种新技术，一是虚拟现实

10、的动态建模，提供了构建动态虚拟现实应用程序的必备元素；二是虚拟现实的数据存储建模，保证虚拟环境的高水平的数据存储模型的构建。国外专家通过使用XVRML语言，实现了虚拟现实的动态建模。XVRML语言提供了参数化动态构建虚拟现实的元素的方法，这些元素包括虚拟现实的内容、表示方法、结构。XVRML语言提供了强大而方便的方法，包括从数据存储中获取数据，并反映到虚拟场景中。这样就产生了一个问题：数据存储如何组织这些动态场景数据。目前国内越来越多的大学和研究机构在政府支持下开展对虚拟现实的研究工作，也有许多成果。场景数据存储建模的研究限于静态，但动态场景数据存储建模还未见报道。我们的研究将围绕如何将实时场

11、景模型从概念上分为几个独立的实体，数据存储如何独立地表达每一个实体，从而用这种方法构建虚拟现实动态场景，确保提升虚拟场景的动态组合、在线动态场景数据的访问、可视化场景的连续性、和信息可视化质量展开研究。此项目研究有着重要的社会意义和良好经济效益，它有助于推动我国在虚拟现实技术这一领域的应用基础研究和发展相关的软件产业，同时也可以培育出高质量的研究生。总之，虚拟现实技术有着广阔的市场前景，中国的虚拟现实市场要靠中国人自己的虚拟现实产品去开拓。2、项目研究目标及与申请者研究工作长期目标的关系虚拟现实动态场景数据数据存储建模研究（以下简称RSSM）是以提升虚拟现实场景的动态组合、在线数据的访问、可视

12、化场景的连续性、持久性的实现可视化质量为研究目标。这个目标与申请者长期研究工作目标是一致的，申请者从1999年至今一直致力于可视化计算理论研究和虚拟现实技术的应用基础研究，发表了相关的论文，同时承接了相关的可视化计算任务。3、项目研究内容，研究方案和进度安排虚拟现实动态场景数据数据存储建模研究（以下简称RSSM）是以提升虚拟现实场景的动态组合、在线数据的访问、可视化场景的连续性、持久性的实现可视化质量为研究目标。从上述的基本目标出发分解成以下研究内容。（）RSSM概念模型研究RSSM概念模型研究，主要明确概念模型的构架的概念设计。主要研究RSSM概念模型的组成、属性及相互关系。考虑对RSSM概

13、念模型的四个部分：VR数据、VR模式、VR模板、VR场景概念设计做详细研究。其中VR表示虚拟现实（Virtual Reality）的缩写。VR数据研究，主要涉及VR对象的数据存储表示。在虚拟现实中区分虚拟对象有利于确认每个操作，并使操作互相独立，反过来，对持久性的实现来说是必要的。一个VR对象是数据存储中的一个持久的记录，包括一组诸如位置、尺寸、颜色之类的属性。VR模式研究，涉及虚拟类层次的形式定义研究，研究如何从一组属性和实现相同的虚拟对象中，抽象出虚拟对象类（virtual object class），以便实现虚拟对象类的数据存储。VR类是数据存储中的持久结构，必须研究VR对象相关的属性和

14、规则，这些规则用于将VR对象转换成有效的存储。VR模板研究，涉及对VR虚拟场景模板存储研究。虚拟场景模板是一组结构相同的虚拟场景的参数化模型。VR模板描述了从VR模型中创建虚拟场景的方法和已编码虚拟场景的产生。VR虚拟场景研究，VR场景是具体的虚拟场景的数据存储表示。涉及研究如何利用VR模板中的VR对象的时间、空间、逻辑选择的方式创建虚拟场景，并将选定的VR对象放入VR模板中。另外还研究虚拟场景也包含了定义在模板中的哪些静态元素，并研究创建虚拟场景的模板参数如何用存储于VR场景中。VR模型的可维护性也是重要研究内容可以修改，方法有二。一是使用创作工具操作数据存储，二是通过虚拟场景实例将数据返回

15、并写入数据存储。虚拟场景实例修改数据存储的能力，保证了虚拟现实的持久性和用户行为的记录。根据对VR数据、VR模式、VR模板、VR场景作详细研究，给出RSSM概念模型设计研究报告和论文。（）RSSM模型的层次结构研究研究RSSM模型的层次结构，重点对对象层次、类层次、场景层次进行研究。研究方案如下。l 对象层次由于基于场景描述语言的方法中，只有几何学的描述，VR对象与之相反。在对象层次，数据存储只对虚拟对象建模。对象层次主要研究VR对象作为虚拟对象的模型，如何紧凑的表示数据、高效的选择对象、方便的操作数据、自动的修改对象、验证用户的权限等展开研究。l 类层次在类层次研究中，主要研究数据存储对虚拟

16、对象和虚拟对象类分建模。研究数据存储如何保证VR对象结构和相应的VR类之间的一致性，无需修改应用程序源代码，即可增加新的VR类和VR对象。由于多个VR类可以用不同的方法，比如不同的细节，表现同样的内容。也可以依据不同的类继承层次，智能的选择不同的VR对象。l 场景层次在场景层次研究中，除了研究虚拟对象和虚拟类之外，还要研究如何用VR模板对虚拟场景建模；同时，研究场景产生的参数如何存储于VR场景中；研究VR模板参数如何用于构建VR应用程序；研究如何使用一组模板参数表示虚拟场景是十分高效的，而且允许应用程序在语义层次操作数据，而不用在几何学的层次上操作。通过对RSSM模型的层次结构研究，发表一篇论

17、文和技术报告。（）RSSM虚拟对象存储建模研究这一阶段，主要完成RSSM虚拟对象建模设计研究，研究方案如下。重点研究是虚拟对象的数据存储模型。大致定了一个虚拟对象VRObject是一个四元组，VRObject（Object_id，class_id，V，T），其中Object_id是VRObject的唯一性的标识，class_id是相应的VRClass指针，V是VRObject的属性集，用VRAttributeValues表示，Tb，e是虚拟对象在虚拟现实的生命周期，其中b是出现时间，e是消失时间。T值可以为空，表示虚拟对象的声明周期和虚拟现实应用程序的一致。研究VRObject如何用一个唯一的

18、object_id用于在对象组合时，如何查找相应的对象，VR模板又如何用它来指向组成虚拟场景的对象，虚拟对象实例（VOI）又如何用它实现持久性。也就是对四元组的各个成员作详细研究，如研究VR-Object如何组合，如何高效存储四元组，如何维护四元组。通过对RSSM虚拟对象建模研究，发表一篇论文和技术报告。（）RSSM虚拟现实对象类建模研究这个阶段的研究内容主要是虚拟现实对象类建模方法，主要研究内容如下。我们预定义一个虚拟现实对象类VRClass，一个六元组：VRClass（class_id，S，imp，SCRef，INS，cf-ref），说明如下：n class_id：VRClass的标识（唯

19、一的名字）n S：VRClass的结构n Imp：VRClass的实现n SCREF：VRClass超类的指针n INS：为VRClass实例的VRObject集n Cf-ref：操作VRClass的类工厂对于给定的VRClass集C，C上的类型，T（C）定义如下：n 所有的原子类型都属于T（C）n C中所有的class_id都属于T（C）n 如果T(C)，集合和列表都属于T（C）研究VRClass如何用一个唯一的VRClass用于在对象类存储时，研究如何高效查找相应的对象类，研究如何创建类工厂，研究虚拟对象如何初始化等。对六元组的各个成员作详细研究，如研究VR-Class如何组合，如何高效存

20、储六元组，如何维护六元组。通过对RSSM虚拟场景对象类建模研究，发表一篇论文和技术报告。（）RSSM虚拟场景数据模板研究在本研究中，研究如何实现从虚拟场景模板中创建虚拟场景。即数据存储以VRTemplates的模板建模的方法。初步的研究方案如下。VR模板可以有三种实例：VR场景、虚拟场景编码、虚拟场景实例。我们先预定了一个VRTemplate，它是一个三元组：VRTemplate（template_id，sc-imp，TP）,其中，template_id是VRTemplate的标识符（如：唯一的名字），sc-imp是VRTemplate的实现，TP是一组模板参数。TP是一个元组，TP P1：1

21、：1，Pt：t：t ，其中P1，P2，Pn是独立的参数名，1，2，n是独立的参数类型，1，2，n是独立的参数的默认值。参数类型集是T（C）上的联合（所有的元素来自于T(C)），记号SC用于表示虚拟场景。研究VR模板的实现（src-imp）包括哪些必须的静态3D环境的几何参数，研究VRObjects的选择规则，并研究在有多个VRClass的场合，研究如何从VRObject向特定VRClasses的映射规则，研究VR模板的实现可以参数化和可维护性。VR场景是一个三元组：VRScene（scene_id，template_id，SPV）,其中，scene_id是虚拟场景的唯一标识符，template

22、_id是VR模板的指针，SPV是VR模板的一组参数。关键要研究解决虚拟场景初始化问题。通过对RSSM虚拟场景数据模板设计，发表一篇论文和技术报告。（6）RSSM模型集成研究这一阶段的工作是要把RSSM系统集成，即把上述5个部分的研究整合，编码，测试，并给出完整的技术报告。项目的研究目标：本项目目标是以提升虚拟现实场景的动态组合、在线动态场景数据的访问、可视化场景的连续性、持久性的实现信息可视化质量为研究目标。通过对国内外现有的技术和研究成果的深入研究，结合近年来我们自己在这个领域的实践，进行认真的归纳、研究和总结，形成系统性、可操作的一种对RSSM特征内容的形式化描述方案，然后通过构建一个具体

23、的系统，对该模型进行模拟和验证。项目拟解决的关键问题：本项目主要涉及的关键技术有两个方面：（1）RSSM概念模型；（2）RSSM中虚拟对象、对象类以及模板的存储建模以及可维护性。4、拟采取的研究方案及可行性分析。虚拟现实动态场景数据数据存储建模研究是以提升虚拟现实场景的动态组合、在线数据的访问、可视化场景的连续性、持久性的实现可视化质量为研究目标。从上述的基本目标出发，根据已有的研究经验和通过阅读大量的相关文献资料，我们采取如下6个阶段性研究方案以确保研究方案的可行性。（）RSSM概念模型研究这一阶段主要明确概念模型的构架设计。研究方案如下。先考虑对RSSM概念模型的四个部分：VR数据、VR模

24、式、VR模板、VR场景概念设计做详细研究。其中VR表示虚拟现实（Virtual Reality）的缩写。由于VR数据包含VR对象，是虚拟对象的数据存储表示。我们可以把虚拟对象看成在虚拟现实中独立且语义上有意义的元素。在虚拟现实中区分虚拟对象有利于确认每个操作，并使操作互相独立，反过来，对持久性的实现来说是必要的。一个VR对象是数据存储中的一个持久的记录，包括一组诸如位置、尺寸、颜色之类的属性。每个VR对象都可用于产生一个已编码虚拟对象（Coded Virtual Object，CVO），比如虚拟场景描述语言（比如X3D）对虚拟对象编码后，成为一个VR浏览器可以解析的对象。最后，CVO通过VR浏

25、览器解析，称为虚拟对象实体（Virtual Object Instance，VOI）。VR模式以虚拟类层次的形式定义了虚拟现实的结构，表现了数据存储中虚拟对象类。从一组属性和实现相同的虚拟对象中，可以抽象出虚拟对象类（virtual object class）。VR类是数据存储中的持久结构，用于描述VR对象相关的属性和规则，这些规则用于将VR对象转换成CVO。我们把特定数据存储类的实体的VR类称为类工厂。这里，类工厂的概念类似于smalltalk-80语言的meta-class。类工厂允许用不同的方法和语言定义类，简化了VR类的设计过程，包括复杂的虚拟类、持久虚拟类、多媒体对象等。因为VR模板

26、包括虚拟场景模板，所以虚拟场景模板是一组结构相同的虚拟场景的参数化模型。VR模板描述了从VR模型中创建虚拟场景的方法和已编码虚拟场景的产生，例如，用虚拟场景描述语言表现虚拟场景。VR场景用包含在VR模板中的VR对象的时间、空间、逻辑选择的方式创建，并将选定的VR对象放入VR模板中。虚拟场景也包含了定义在模板中的静态元素。用于创建虚拟场景的模板参数存储于VR场景中。VR场景是具体的虚拟场景的数据存储表示。VR模型也存储于数据存储中。存储数据的基础模式称为DS模式（数据存储模式，DSSchema）。举例来说，在DS模式中，VR对象是VR对象DS类的实体，和VR类DS类的子类（如类工厂）的实体相关联

27、。VR模型可以修改，方法有二。一是使用创作工具操作数据存储，二是通过虚拟场景实例将数据返回并写入数据存储。虚拟场景实例修改数据存储的能力，保证了虚拟现实的持久性和用户行为的记录。根据对VR数据、VR模式、VR模板、VR场景作详细研究揭示RSSM概念模型的本质和四种数据对象之间关系，为整个项目的研究奠定概念基础，同时也可以出研究报告和论文。（）RSSM模型的层次结构研究这一阶段主要研究RSSM模型的三个层次：对象层次、类层次、场景层次。在对象层次，数据存储只对虚拟对象建模。VR对象作为虚拟对象的模型，允许紧凑的表示数据、高效的选择对象、方便的操作数据、自动的修改对象、验证用户的权限。基于场景描述

28、语言的方法中，只有几何学的描述，VR对象与之相反。在类层次，数据存储对虚拟对象和虚拟类分别以VR对象和VR类建模。数据存储保证VR对象结构和相应的VR类之间的一致性。无需修改应用程序源代码，即可增加新的VR类和VR对象。多个VR类可以用不同的方法，比如不同的细节，表现同样的内容。也可以依据不同的类继承层次，智能的选择不同的VR对象。在场景层次，除了虚拟对象和虚拟类之外，还用VR模板对虚拟场景建模，同时，场景产生的参数存储于VR场景中。通常VR模板参数用于构建VR应用程序。使用一组模板参数表示虚拟场景是十分高效的，而且允许应用程序在语义层次操作数据，而不用在几何学的层次上操作。通过对RSSM模型

29、的三个层次对象层次、类层次、场景层次的研究可以揭示各个层次的相互关系及内在的联系，为整个项目的研究铺平道路。通过RSSM模型的层次结构研究，为对象存储建模、对象类存储建模以及场景数据存储建模奠定基础，发表一篇论文和技术报告。（）RSSM虚拟对象存储建模研究这一阶段，主要完成RSSM虚拟对象建模设计研究，主要研究方案如下。我们把虚拟对象的数据存储模型是一个四元组， VRObject（Object_id，class_id，V，T），其中，Object_id是VRObject的唯一性的编号，class_id是相应的VRClass指针，V是VRObject的属性集，用VRAttributeValues

30、表示，Tb，e是虚拟对象在虚拟现实的生命周期，其中b是出现时间，e是消失时间。T值可以为空，表示虚拟对象的声明周期和虚拟现实应用程序的一致。VRObject用一个唯一性的对象标识object_id。object_id用于在对象组合时，查找相应的对象，VR模板用它来指向组成虚拟场景的对象，虚拟对象实例（VOI）用它实现持久性。每个VRObject都有一个指向其VRClass的指针。VRClass定义了VRObject的属性集（用VRAttributes表示）和从VRObject到CVO的转换规则。在创建CVO的过程中，不一定要用到所有的属性。VRClass中定义的属性用于VRObject的选择、

31、分类和排序。有些VRClass在它们的实例中需要知道VRObject的位置、方向、比例等参数。需要空间转换的VRClass提供了合适的VR属性值。在特定的实现中，由类工厂产生这样的VRClass，以提供合适的VR属性。l 属性值设原子类型（atomic type）为String，Boolean，Integer和场景描述类型（如：SFColor，SFVec3f，MFRotation），DOM为与之对应的独立域内的原子数值集。设O为VRObject oids，则O的数值集为：空数值定义为nil，DOM的所有数值，O的所有元素，都属于O。如果v1，v2，vn是O的属性值，则集合v1，v2，vn和列表

32、（v1，v2，vn）也属于O的属性值每个oidO的VRObject o，V表示为以下的元组形式：A1：(11：11，1k：1k)：1， An：(n1：n1，nk：nk)：n，说明如下：1 A1，A2，. An 为不同的属性名2 ij为属性Ai的第j个时间点3 ij为属性Ai的第j个时间点的属性值4 ij为属性Ai的ij到ij+1的过渡函数5 每个iO， j1，k，k为Ai的时间点总数，则ijO，TbTijTe；列表n（n1：n1，nk：nk）称为k点的存活路径（antimation path），元组（An，n，n）称为VR属性值，默认的VR属性值可以由VRClass指定。l VR-Object

33、的组合不能被其它VRObject包含的VRObject称为顶层VRObject。顶层VRObject根据其在虚拟现实所处的位置决定位置和方向。这意味着在虚拟场景中，虚拟对象的位置和方向由原始的虚拟世界和原始的虚拟场景的空间关系决定。组合的VRObject使用经过调整的父类组合VRObject的时空范围。只有顶层的VRObject可以直接包含在虚拟场景中。组合的VRObject包含在父类组合VRObject中。通过对RSSM虚拟对象建模研究，为对象类建模研究奠定基础，发表一篇论文和技术报告。（）RSSM虚拟现实对象类建模研究这个阶段的研究内容主要是虚拟现实对象类建模方法，研究方案如下。VRCla

34、ss是一个六元组：VRClass（class_id，S，imp，SCRef，INS，cf-ref），说明如下：n class_id：VRClass的标识（唯一的名字）n S：VRClass的结构n Imp：VRClass的实现n SCREF：VRClass超类的指针n INS：为VRClass实例的VRObject集n Cf-ref：操作VRClass的类工厂对于给定的VRClass集C，C上的类型，T（C）定义如下：n 所有的原子类型都属于T（C）n C中所有的class_id都属于T（C）n 如果T(C)，集合和列表都属于T（C）Any是特殊标记，表示T（C）的任意一个元素,oid赋值操作

35、是一个函数，负责从每个C中的cid到独立的VRObject集的映射。VRClass的结构S是如下元组：SA1：1：1，An：n：n，其中：n>0，A1，A2，,AN，是独立的属性名，1，nT(C)；1，n取默认值，对于1in，iC上的数值，其中C=（Any）。元组（Ai，i，i）称为VR属性。VR属性集合用AT（C）表示。VRClass cC 和AT（C）之间的映射用(c)表示。VR模式允许类间层次继承。VRClass层次继承由三个组成部分：l VRClass集合l 这些类相关的属性集合l 类之间ISA关系的规范形式上，VRClass类继承是一个元组（C，），其中，C为VRClass集合

36、，为从C到AT（C）的映射，是一个序偶，记号CD表示C继承子D。VRClass的继承过程中，子类的结构是超类的提炼。T(C)上的子类型操作（subtyping operation） 是T(C)上满足一下条件的最小偏序。对于每个C，cC和， T（C）:1 如果cC，则cC2 如果，那么集合，列表3 AnyC上的类结构提炼关系（class structure refinement relationship）用表示，形式如下：S = (c) = A1 : 1 : 1, . . . ,Am : m : m,其中：c C, S AT(C) andS_ = (c_) = A1 : _1 : _1 , .

37、. . ,An : _n : _n ,c_ C, S_ AT(C)如果 nm，并且对于i1，n，有或则 c c；如果每个序偶c，c C，c C都能推出c c，则VRClass层次（C，）能够很好的形式化。XVRDS方法的VRClass层次必须可以很好的层次化。l 类工厂VRClasses由被称为类工厂（Class Factories）的meta-classes创建和操作的。每个类工厂可以使用不同的方法创建VRClass。举例来说，类的定义可以使用诸如XVRML这样特定的类定义语言，也可以使用标准的VRML PROTO语法，在某些特定场合，只要提供几个参数就可以定义一个复杂的VRClass，如a

38、nimated Biped。先进的类工厂在VR模型中，可以简化VRClass的创建和操作的过程。特定的类工厂也用于操作虚拟现实中的图像、动画流和声音等多媒体数据。l 虚拟对象初始化VRClass由三种实例：VRObjects、CVOs、VOIs。VRObject是数据存储中的一个持久性的记录，属于VR模型中的VR数据部分。它存储了构建CVOs所必需的属性值。通常，数据存储中的VRObject在虚拟场景编码中转换成CVOs。在虚拟场景实例中，同样的VRObject可以对应多个VOIs。在创建时期，从给定的CVO中创建的VOIs是一样的。然而，因为每个虚拟场景实例可以独立演变，所以，不同的虚拟场景

39、实例可以独立修改（一个CVO可以创建多个VOIs，在创建初期是一样的，但以后可以不同）。ICF:(object_id)cvo是初始化函数，由VRObject相对应的VRClass的类工厂实现。这个函数使用VRObject的属性值，由VRClass实现。通过对RSSM虚拟场景对象类模板研究为场景数据模板研究奠定基础，发表一篇论文和技术报告。（）RSSM虚拟场景数据模板研究在本研究中，要实现从虚拟场景模板中创建虚拟场景。数据存储以VRTemplates的形式对模板建模。研究内容和方案如下。VRTemplate是一个三元组：VRTemplate（template_id，sc-imp，TP）,其中，t

40、emplate_id是VRTemplate的标识符（如：唯一的名字），sc-imp是VRTemplate的实现，TP是一组模板参数。TP是一个元组，TP P1：1：1，Pt：t：t ，其中P1，P2，Pn是独立的参数名，1，2，n是独立的参数类型，1，2，n是独立的参数的默认值。参数类型集是T（C）上的联合（所有的元素来自于T(C)），记号SC用于表示虚拟场景。VR模板的实现（src-imp）包括静态3D环境的几何参数，VRObjects的选择规则，在有多个VRClass的场合，还包括从VRObject向特定版本VRClasses的映射规则。VR模板的实现可以参数化。VR模板是场景模型工厂（S

41、cene Model Factories）的实例。场景模型工厂是VR场景抽象DS类的非抽象子类。XVRMLSceneModel是其中一个场景模型工厂，能够在XVRML语言基础上，实现场景模板。l 解决虚拟场景初始化问题VR场景是虚拟场景在数据存储中的表示，是数据存储中的一个持久性的记录。通常，VR场景在虚拟场景编码生成时创建，可用于以后重新生成虚拟场景。虚拟场景编码由诸如X3D这样的虚拟场景建模语言进行编码。虚拟场景实例可以由VR浏览器解析。VR场景是一个三元组：VRScene（scene_id，template_id，SPV）,其中，scene_id是虚拟场景的唯一标识符，template_

42、id是VR模板的指针，SPV是VR模板的一组参数。VR模板可以有三种实例：VR场景、虚拟场景编码、虚拟场景实例。通过对RSSM虚拟场景数据模板研究，发表一篇论文和技术报告。（6）RSSM模型集成研究这一阶段的工作是要把RSSM系统集成，即把上述5个部分的研究整合，编码，测试，并给出完整的技术报告。4、项目创新之处该研究是要把虚拟现实的模型从概念上分为几个独立的实体，数据存储独立的表达每一个实体。这种方法用于虚拟场景的动态构建，使用诸如X3D的虚拟场景描述语言编码。在面向虚拟现实的信息技术研究方面，进入本世纪后十分活跃，主要代表有美国、法国、德国、荷兰、日本、韩国和英国。国内越来越多的大学和研究

43、机构在政府支持下开展对虚拟现实的研究工作，基于对象的实时场景存储建模还未见报道。本项目的技术创新点就是将虚拟现实的模型从概念上分为几个独立的实体，数据存储独立地表达每一个实体，给出重要的形式语义表示，从而用这种方法构建虚拟现动态场景，确保提升虚拟场景的动态组合、在线动态场景数据的访问、可视化场景的连续性、和信息可视化质量。5、工作基础与工作条件本研究是项目组成员在过去5年来对虚拟现实技术及其应用领域研究的延续，主持和参与了多个相关的科研项目如下。（1） 基于VRML的3D复杂场景渲染算法研究，省自然科学基金（602002），2002.12-2004.12（2） 面向电子商务的新型网络服务体系及

44、集成软件环境，国家863项目子项目（20020076），2002-2004，（3） 柔性的产品虚拟装配规划系统，浙江省自然科学基金（602092），2003-2005，（4） 支持外贸电子商务的信用管理中间件平台开发，浙江省科技厅项目（2004C31099），2004-2005（5） 范菁等，基于森林动态生长模型的虚拟仿真研究，国家自然科学基金（60403046），2005-2007项目组成员发表与虚拟现实技术与理论相关论文20多篇，部分论文被SCI/EI/ISTP收录, 相关论文如下所示。1临时3D空间数据存储与浏览方法研究. 第八届联合国际计算机协会年会，2002，10，宁波 2基于互联网

45、的3D复杂场景渲染算法研究. 浙江工业大学学报，ISSN 1006-4003，2003.43用Java语言构造VRML解析器原理，浙江工业大学学报，ISSN 1006-4003，2003.2 4 Building model of the plants shapes with L-SYSTEM and GA. CAID&CD2003，ISBN7-111-13168-1/TP.2953， 2003,10,杭州 5 Virtual Reality with Haptics Application.上海交大学报，ISSN 1007-1172，2004.03 6用L-Systems和遗传算法构

46、造植物模型.计算机工程，ISSN 1000-3428，2004.67 Presenting and exploring spatial temporal data . Advances in Systems Science and Applications ，ISSN 1078-6236，2003.9 8Intelligent Virtual Assembly Planning with Integrated Assembly Model.2003，Proceedings of the 2003 IEEE Systems, Man, and Cybernetics Conference , P

47、roceedings of International Conference on Computer Science 2004 (Lecture Nontes in Computer Science),2004.69 Design and Implementation of Integrated Assembly Object Model for Intelligent Virtual Assembly Planning. Proceedings of the 2001 IEEE Systems, Man, and Cybernetics Conference, 2001.1010 KVAS:

48、 A Knowledge-Based Virtual Assembly System. Proceedings of the 2003 IEEE Systems, Man, and Cybernetics Conference, 2003.1011 Intelligent Virtual Assembly Planning with Integrated Assembly Model. Proceedings of the IEEE 6th International Conference on Intelligent Transportation Systems, 2003.1012 Des

49、ign and Realization of Reusable Components for Plant Modeling. 中国科学技术大学学报，2003.1213基于构件的植物三维结构模拟模型. 小型微型计算机系统，2004.914基于构造模型的植物形态建模研究. 工程图学学报，2004.815 A Method to Create Plant Based on Component Technique. Pro of International Symposium on Plant Growth Modeling, Simulation, Visualization and their A

50、pplications.2003，716One Distributed Virtual Experiment Platform Model And Mechanism Of Cooperation，CSCWD2003 ，ISBN 7-5062-6209-6P14-17，ISTP源刊，2003.517 The Research of Block Motion Estimation Algorithm in Video Compression. The Third International Conference on Machine Learning and Cybernetics ,2004,

51、IEEE No.04EX826,ISTP源刊，2004.618 Constructing Distributed Image Retrieval System with CORBA. The Pro of ISC&I ,2004,ISBN 988-97497-2-6，EI源刊，2004.619 Intelligent Driving Training Simulation System Based on Virtual Reality(ISTP检索) ,工程设计,2000,720基于三角块的曲面纹理合成，计算机辅助设计和图形学学报，2005年17卷第2期。吴福理，石教英。21三角网格上

52、的纹理混和合成，中国科协第二届优秀博士生学术年会论文集，pp.288-294，2004.12。吴福理，石教英。22 Rendering with Spherical Radiance Transport Maps. EUROGRAPHICS2004. Volume 23 (2004), Number 2. Chunhui Mei, Jiaoying Shi, Fuli Wu.23 Method of Direct Texture Synthesis on Arbitrary Surfaces, Journal of Computer Science and Technology. Vol.19

53、 No.5 September 2004. Fuli Wu, Chunhui Mei, Jiaoying Shi.24 Illumination-Dependent Texture, Computers & Graphics 28 (2004) 747-756. 25 孔繁胜等， 分形技术图像比对搜索模型 ， 计算机辅助设计与图形学学报， 2003年10期目前申请者还承担研究生课程虚拟现实、计算机图像图形学、形式语义学、专家系统、算法分析与设计主讲，这些工作为我们申请该项目奠定了坚实的应用基础理论。本项目研究人员可以直接利用浙江省通信重点实验室、计算机软件工程中心，虚拟现实研

54、究中心，以及学校相关的专业实验室甚至国外开发实验室的资源。本项目研究人员具有良好的工作环境和外部协作工作环境，能够通过国外的合作者得到一手的资料，能够通过图书馆和网络，方便、及时地查阅各种重要的专业文献资料，信息渠道畅通，能够保证研究的先进性。本项目主要研究人员为博导、研究生导师，学科研究方向具有很强的互补性，直接指导研究生20余名，可以很好地进行人员规划与组合，能够保证项目的正常进行。利用学校现有设备以及优越的学术氛围，本项目一定能完成预期目标。6、预期研究结果及其利用研究结果的计划和今后发展的思路通过本项目的研究，将依据所确定的重点研究和解决的关键技术问题，完成和提交相应研究成果：（）20

55、06年1月2006年6月完成RSSM模型构架设计研究和RSSM模型的层次结构设计研究，提交相关技术报告和论文；1人次参加由国家自然科学基金会支持的相关会议，或高级别的相关ACM或 IEEE的 国际会议，向一级学报及Springer或Elsevier的期刊投稿；完成提交技术报告和论文。（）2006年7月2006年12月完成RSSM虚拟对象存储建模设计研究和RSSM虚拟现实对象类存储建模设计研究，提交相关技术报告和论文；1人次参加由国家自然科学基金会支持的相关会议，或高级别的相关ACM或 IEEE的国际会议；向一级学报及Springer或Elsevier的期刊投稿。（）2006年7月2007年6月

56、完成RSSM虚拟场景数据模板设计研究，提交技术报告和论文；参加一次由国家自然科学基金会支持的相关会议，或高级别的相关国际会议如ACM，IEEE的相关会议；向一级学报及Springer或Elsevier的期刊投稿；（）2007年7月2007年12月完成整个RSSM系统集成设计研究，提交技术报告和论文；参加一次由国家自然科学基金会支持的相关会议，或高级别的相关国际会议如ACM，IEEE的相关会议，向一级学报及Springer或Elsevier的期刊投稿。同时将研究成果中所涉及的算法理论、关键技术，实现和模拟等内容总结之后，陆续在国内外专业杂志上发表至少2篇SCI收录的论文。另一方面，作为长期的研究

57、方向和工作目标，我们将努力使得该项目的成果实用化，将通过构建一个具体的RSSM系统，对该系统不断改进和完善，使其成为具有自主知识产权的软件，作好产品转化，逐步推广应用。7、参考文献1 Donald Hearn, M. Pauline Baker. Computer Graphics C Version, 2nd Edition, 清华大学出版社, 19982 Alan Watt. 3D Computer Graphics, 2nd Edition. Addison-Wesley, 19933 Bui-Tuong Phong. Illumination for Computer Generated Pictures. ACAM, 1975, 18