虚拟场景制作与演示ch199.ppt

1、,2008,第一章 概论,基本概念 应用 特点 建模工具 Multigen Creator背景知识,基本概念,虚拟现实技术 虚拟显示技术 仿真与可视化,在美国北方边陲的华盛顿州，一队队中小学生在教师的带领下，走进了停在路边的汽车教室。教室里没有黑板和讲台，只是在每个座位的前方都设有一顶特殊的头盔和操纵杆。孩子们只要戴上头盔，手握操纵杆，眼前就会出现一幅幅栩栩如生的景像。如上化学课时，孩子们通过电脑将采集的一个氧原子和两个氢原子合在一起，眼前就会出现一个网状的水球，这是孩子们自己创造的水分子；在物理课上学生们还可以自己动手创造出降水、水汽蒸发等自然景观，直观有趣、生动形象。这种新颖的教学方式也是

2、通过虚拟现实技术实现的。,美国德克萨斯州的第一个“可见人”虚拟图像是由5000多帧人体不同截面的射线、磁和光的图像组成的，所有这些信息经技术处理后被存储起来，医生们只要通过交互网络调用，就可以看到详细的人体图。“可见人”的信息量如此之大，以至于即使不停地用高速线路传送，也需要两周的时间才能全部传送完，它所占用的信息空间相当于“大不列颠百科全书”的50多倍，这一虚拟人体可以用来进行教育、实习以及研究用。,美国宇航局Ames研究中心的科学家将探索到的火星数据进行处理后得到了火星的虚拟现实图像。研究人员可以看到全方位的火星表面景象：高山、平川、河流，以及综横的沟壑里被风化的班驳的巨石，都显得十分清晰

3、逼真，而且不论你从哪个方向看这些图，视野中的景象都会随着你的头的转动而改变，就好象真的置身于火星上漫游、探险一样，这无疑对天文、气象的教学有所帮助。,基本概念：虚拟现实技术（一）,虚拟现实（VR，Virtual Reality) ：是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统； VR用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。 虚拟世界:是全体虚拟场境或给定仿真对象的全体； 虚拟场境：是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真；,70年代，

4、M.W.Krueger曾提出“人工现实（Artificial Reality，简称AR）”，它用来说明由Ivans Sutherland 在1968年开创的头盔式三维显示技术以来的许多人工仿真现实； 在1984年，美国科幻作家William Gibson提出另一个词“电脑空间（Cyber Space）”,它是指在世界范围内同时体验人工现实； 类似的词还有：“人工环境（Artificial Environments）”；“人工合成环境（Synthetic Environments）”；“虚拟环境（Virtual Environments）”； 在1989年Jaron Lanier创造Virtua

5、l Reality一词。,基本概念：虚拟现实技术（二）,主要特点： 逼真的感觉 视觉，听觉，触觉，嗅觉等 自然的交互 运动，姿势，语言，身体跟踪等 个人的视点 用户的眼、耳、身所感到的感觉信息 迅速的响应 感觉信息根据视点变化和用户输入及时更新,基本概念：虚拟现实技术（三）,虚拟现实的应用 军事训练 SIMNET JackMOO 网络会议与远程协作 Sony公司基于DIVE的一个系统 娱乐和虚拟社区 Cybertown (使用Blaxxun） 电子商务 VR commerce of IBM,基本概念：虚拟现实技术（四）,虚拟现实发展的原动力 因特网技术的广泛使用: Internet已经成为娱乐

6、、商业等的重要媒体; 硬件基础：网络带宽的提高（宽带网的逐渐普及），个人计算机图形处理能力的增强; 软件基础： 虚拟现实技术和网络技术的结合; 日益复杂的数据使得原来的界面不能满足需要，人们希望更加直观的表达信息，使用更加自然的方式进行人机交互以及通过网络实现人与人之间实时、形象的交流.,基本概念：虚拟现实技术（五）,历史回顾 虚拟现实和其他技术一样，也是在前人大量工作的基础上发展起来的。 立体电影，立体声技术 飞行模拟器 最早实际使用的仿真技术； “星际旅行”“宇宙飞船”的演示 机械手、机器人 危险场合进行各类“遥控操作”； 游戏 驾驶汽车、潜艇航行,基本概念：虚拟现实技术（六）,重 要 事

7、 件 HMD Head-Mounted Display 1968年Sutherland 三维头盔显示器 ； Videoplace 1985年Krueger正式发表； VIEW项目 Virtual Environment Workstation 美国宇航局Ames研究中心的虚拟场境工作站； Data Glove VPL公司采用定位装置Polhemus的数据手套；,VPL公司采用三维定位装置Polhemus的数据手套示意图,三维定位装置Polhemus原理,基本概念：虚拟现实技术（七）,重 要 事 件 BOOMBinocular Omni-Oriented Monitor 美国宇航局Fakespa

8、ce Lab的双筒全方位监视器； CAVEAudio-Visual Experience Automatic Virtual Environment 1992年Cruz-Neira的墙式显示屏自动声象虚拟场境； VRML Virtual Reality Modeling Language 因特网上 1.0及2.0版本的虚拟现实建模语言,CAVE 墙式显示屏自动声象虚拟场境Audio-Visual Experience Automatic Virtual Environment,基本概念：虚拟现实技术（八）,应用和需求是技术发展的推动力 1）军事 美国国防部和军方认为：虚拟现实将在武器系统性能评

9、价、武器操纵训练及指挥大规模军事演习三方面发挥重大作用。 他们制定了战争综合演示厅计划、防务仿真交互网络计划、综合战役桥计划、及虚拟座舱、卫星塑造者等应用环境，并在核武器试验及许多局部战争中进行了应用，不仅节省了大量的军事费用，更重要的是提高了现代化作战指挥方面能力。,基本概念：虚拟现实技术（九）,2）航天航空 美国宇航局是虚拟现实最早研究的单位和应用者。宇宙飞船及各类航空器是需耗费巨资的现代化工具，而进入宇宙有大量未知、危险的因素，因而模拟各种航空器可能遇到的环境，不仅可节省大量费用，而且是十分必要的。虚拟风洞就是一例。,基本概念：虚拟现实技术（十）,3）计算机辅助设计 虚拟样机、虚拟建筑物

10、 工业产品均需要反复构思和设计，但用户往往仍不满意。可否在设计早期就给用户一个逼真的产品样机？ 美国波音公司Butler设计了一个称为VS-X的虚拟飞机，它可使设计人员有身临其境观察飞机外形、内部结构及布局的效果； 建筑设计师可在盖楼前通过虚拟建筑物，让用户自己来观察外形和内部房间部位，也便于设计师修改设计。,基本概念：虚拟现实技术（十一）,4）外科手术和人体器官的模拟外科医生的培训是一项投资大、时间长的工作，这是因为不能随便让实习医生在病人身上动手术。可是不亲自动手，又如何学会手术呢？虚拟手术台已能部分模仿外科医生的现场。同样，提供模拟的人体器官，可让学生逼真地观察器官内部的构造和病灶，具有

11、极高的实验价值。,基本概念：虚拟现实技术（十二）,5）科学研究和计算的可视化 各种分子结构模型、大坝应力计算的结果、地震石油勘探数据处理等，均十分需要三维（甚至多维）图形可视化的显示和交互浏览，虚拟现实技术为科学研究探索微观形态等提供了形象直观的工具。,基本概念：虚拟现实技术（十三）,6）远程控制 虚拟现实可采用遥控手段，通过机械手、机器人对危险或有毒环境进行操作。,基本概念：虚拟现实技术（十四）,7）教育、游戏与其他 这是向人们、尤其是青少年提供生动的课堂和娱乐手段的好机遇，它具有三维声象效果、能进行交互操作的功能，因而已为商家们看好，纷纷开发低档虚拟现实产品。如虚拟博物馆，网上景点浏览。,

12、虚拟房间,积木世界,基本概念：虚拟现实技术（十五）,虚拟现实的适用特点： 1.需要高成本制造的设备，如航天器，军用设备。 2.对人有危险的环境，如核试验、飞行训练。 3.目前尚未出现的环境，如建筑物、天体物理,基本概念：虚拟现实技术（十六）,1992年 Bryson,主计算机,数据手套,（传感器） （信号源）,BOOM,双筒全方 位监视器,关键技术(系统框图),基本概念：虚拟现实技术（十七）,关键技术： 1.大规模数据的场景建模技术； 2.动态实时的立体视觉、听觉等生成技术; 3.三维定位、方向跟踪、触觉反馈等传感技术和设备； 4.符合人类认知心理的三维自然交互技术; 5.三维交互软件及系统集

13、成技术,基本概念：虚拟现实技术（十八）,关键技术： 影响（沉浸感）立体 视觉因素 宽视野（X） 立体显示 彩色 高分辨率 头部跟踪,基本概念：虚拟现实技术（十九）,关键技术： 视觉设备 红蓝滤色眼镜 三维头盔显示器（HMD） 双筒全方位监视器（BOOM） 墙式显示屏自动声象虚拟场境（CAVE）,基本概念：虚拟现实技术（二十）,关键技术： 双眼立体视图的生成 三维场景上任一点P(x,y,z)，对于 左右眼视点L、R，在投影平面z=0 上的成象点Pl(xl,yl)、Pr(xr,yr)计算 如下： xl = (x*k - z*d/2)/(k+z) xr = (x*k + z*d/2)/(k+z) y

14、l = yr = y*k/(k+z) 可推导得： xl = (x + d/2)/(1 + z/k) - d/2 xr = (x - d/2)/(1 + z/k) + d/2 可用硬件实现,基本概念：虚拟现实技术（二一）,关键技术： 听觉： 3D & Stereo 声源定位：强度（高频）和时差（低频） 问题：声音从头里发出，随强度差而偏左或偏右 原因：与耳朵形状有关 解决：耳内录音 + 计算,基本概念：虚拟现实技术（二二）,关键技术： 触觉（Haptic) Haptic: 机械感受器（压力与纹理）与本体感受器(proprioceptor)（重量、形状、大小） 机械臂，空气囊，记忆金属，小马达，小

15、探针。 Sandpaper (Minsky,1990) 将小马达连到游戏杆；搅动,三维操纵棍,力反馈原理图,基本概念：虚拟现实技术（二三）,关键技术： 适当的（简单的）触觉和/或听觉提示 与反馈能极大地改善人机交互质量 两个基本的性能指标: 帧 频 10fps ， 响应时间 0.1s,基本概念：虚拟现实技术（二三）,关键技术： 身体跟踪： 位置的跟踪（位置+方向） 及角度的度量（指关节、光纤）； 眼动跟踪 位置跟踪技术： 正交电磁场 Polhemus trackers 超声波信号 Logitec. Mattel Power Glove 机械连接 Fake Space Labs 视频信号处理 M

16、yron Krueger LED视频传感UNC at Chapel Hill 惯性跟踪（加速度）Spaceball,DHM手势传感装置原理图,PowerGlove示意图,三维鼠标器示意图,基本概念：虚拟现实技术（二四）,关键技术： 市场上已有的产品：（硬件） 液晶开关的体视眼镜 SEGA LCD Glasses, StereoGraphics CrystalEyes, Toshiba 3D Scope LCD Glasses 三维头盔显示器（HMD） LEEP Systems Cyberface 2/3 Polhemus Laboratories Looking Glass RPI HMSI(

17、Head - Mounted Sensory Interface) Virtual Reality Group HMD Virtual Research Flight Helmet,基本概念：虚拟现实技术（二五）,关键技术： 市场上已有的产品：（硬件） 控制和接口设备: VPL Data Glove（数据手套） Mattel Power Glove Global 3D controller (三维定位器） Logitech 3D Mouse and Head Tracker（三维鼠标、头部跟踪器） Polhemus Isotrak/Fastrak ISCAN Head - Mounted Ey

18、e Imaging System （视线跟踪器） SENSible Technologies PHANToM（触觉反馈设备）,头盔系统,跟踪系统,三维触觉系统,交战技能训练者,基本概念：虚拟现实技术（二六）,关键技术： 市场上已有的产品：（系统） SGI公司 虚拟现实中心 (Reality Center)CAVE 仿真工作室 (Reality Studio)Onyx2 (8 CPU) 仿真工作站 (Reality Station)Onyx2 桌上型 仿真工作站(Reality Desktop)Octane 320 NT 工作站 SGI IRIS Performer 仿真开发环境 SGI Ope

19、nGL Optimizer (Open Inventor) 仿真开发环境 (中、低档） SGI Fahrenheit (沸点）三维图形接口库( for Windows NT) MultiGen , Paradigm/ Vega 三维应用建模软件,基本概念：虚拟现实技术（二七）,关键技术： 市场上已有的产品：（软件） MultiGen , Paradigm/ Vega 三维应用建模软件 Dimension Superscape Virtual Realities Sense 8 WorldToolKit (WTK) Virtus WalkThrough VREAM Division PROVIS

20、ION 100VRX StrayLight PhotoVR The Vivid Group -Mandala W Industries Virtuality,原型,基本概念：虚拟现实技术（二八）,最新进展： 1）使用基于图像的绘制技术（或与图形绘制相结合），以提高图形生成的速度；如 苹果公司开发的QuickTime VR。 2）各种新的交互设备:双手输入技术；三维力反馈设备等；,基本概念：虚拟现实技术（二九）,3）增强现实 (Augmented Reality)也称混合现实。 它是将真实环境和虚拟现实的景象结合起来的一种技术，既可减少生成复杂环境的开销，又便于对实际物体的操作； 4）分布式虚拟

21、现实环境。在因特网（包括高速Internet）环境下，充分利用各地资源的优势，协同开发虚拟现实的应用，如美国大型军用交互仿真系统NPSNET及因特网上多人游戏MUD等； 5）多通道人机交互技术。即采用人体多种自然交互手段，向系统输入，如手势、语音、头部或身体动作等。,基本概念：虚拟现实技术（三0）,实际应用的虚拟现实系统大体可分为四类： 1）桌面虚拟现实系统，也称窗口中的VR，成本低，主要用于CAD/CAM、建筑设计等领域； 2）沉浸虚拟现实系统，使用头盔显示器把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来，产生一种身临其境的错觉； 3）分布式虚拟现实系统，它建立在沉浸虚拟现实系统和分布式交互仿真(DI

22、S-Distributed Interaction Simulation)的基础上； 4）增强现实 (Augmented Reality)也称混合现实。 也有采用其他的分类方法，在此不再赘述。,基本概念：虚拟显示技术,虚拟现实技术的关键技术之一； 大规模数据的场景建模技术； 使人能够具有身临其境的感觉； 仿真与可视化技术的结合。,基本概念：仿真与可视化（一）,仿真：角色扮演，通过模拟来认识世界； 仿真基本步骤：建立模型；获取参数来控制系统； 对于不确定性和随机性的系统，计算机仿真技术具有显著优势。,基本概念：仿真与可视化（二）,人类的80%的信息来源于视觉 可视化：利用计算机图形图象信息技术将

23、一维数据转化为可观察的二维或三维几何表示。 可视化是采用表示媒体来表征数据的计算方法。 可视化分为：计算科学的可视化和空间信息的可视化。 空间信息的可视化目标是使得用户能够与真实三维世界的可视化模型进行实时的可控制的交互。即在虚拟场境中体验真实世界。,基本概念：仿真与可视化（三）,可视化仿真与计算机动画技术 相同点： （1）均采用三维模型表现虚拟场境； （2）通过渲染技术来再现真实世界； 区别： （1）仿真实时生成；动画预先渲染 （2）交互性差别； （3）画面细节的可变性与否； （4）重点不同，仿真重在交互性，动画重在视觉效果。,基本概念：仿真与可视化（四）,视景仿真的特点：三维、沉浸、交互、

24、实时 三维是视景仿真与二维动画的最根本区别，通过立体显示来增强真实感。 沉浸感是指观众在浏览场景时能产生身临其境的感觉，这主要是由环绕的屏幕和立体声来形成。 交互是指观众可以通过鼠标或控制杆来对场景中的物体进行控制或者切换自己的视角在场景中漫游。 实时是指对场景中物体的控制命令可以即时得到响应。,基本概念：仿真与可视化（五）,要营造一个具有真实感的虚拟世界，对人来说视觉是最重要的因素。所以虚拟现实场景的真实感最终取决于模型的真实感。,基本概念：仿真与可视化（六）,虚拟世界中对象的定义 在VR系统中，当用图形表示所创建和成像的数据时，称为构造场景，也称为创建虚拟场境。 场景是由一系列对象组成的，

25、而对象就是虚拟场境中的成员。 场景一般包括几何对象、光源、视点、入口、动画对象等。通过对这些对象的描述来构造虚拟场境。,基本概念：仿真与可视化（七）,（1） 几何对象 它是场景的基本元素，它的形状特征是利用已有造型软件制作的，其中一部分具有静态特征，它包括位置、方向、材料、属性等特征；另一部分还具有运动特征，它反映物体对象的运动、行为、约束条件(如碰撞等)以及力的作用等。运动特征是通过作业指派的，给出行为特征，按层次组织存入已建立的几何数据库。,基本概念：仿真与可视化（八）,（2） 传感器对象 传感器的概念适用于任何为计算机提供输入线索的外部设备，这些输入主要用于控制对象的位置和方向，改变场景

26、对象的行为，以及控制参与者的视点等。,基本概念：仿真与可视化（九）,（3） 光源对象 光源有点光源、平行光源、面光源，还包括环境光，也可以使用任意多的有向光源置于场景中的任何位置和方向。 （4）视点对象 用户可指定观测参数，以便于在任何位置、任何方向和任意视角观察虚拟场境。在同一场景还可保留几个不同的视点，但同一时刻只能使用一个。它可与传感器连接，根据传感器的运动动态地改变视点，从而可使参与者在所构造的环境中漫游和浏览。,基本概念：仿真与可视化（十）,几何对象的描述和建模技术的分类 对象的几何模型是描述了对象内部固有的几何性质的抽象模型。它所表示的内部性质包括对象的基本轮廓和形状，反映对象表面

27、特点的属性；基本结构或对象的拓扑特性；在应用中要求的说明信息等。 对象的基本轮廓和形状可以用点、直线、多边形、曲线和曲面方程甚至贴图等方法来表示，用什么方法取决于对消耗计算机系统存储和运算资源的综合考虑。通常过于抽象的表示方法有利于存储，但需要较大的运算量；反之，过于具体细致的表示方法可以节省运算时间，但存储和搜索遍历的时间和空间开销比较大。,基本概念：仿真与可视化（十一）,一般的几何模型具有两个信息，一个包含点的位置信息，另一个是它的拓扑结构信息，用来说明这些点之间的连接。这样就可以使用局部图形库把这些信息转化成线框模型或已成型的物体模型。,基本概念：仿真与可视化（十二）,几何模型的描述与建

28、立是计算机图形学中的传统方法。 首先，在计算机中建立起三维几何模型，一般均用多边形表示。在给定观察点和观察方向后，使用计算机的硬件功能，实现消隐、光照以及投影这一成像的全过程，从而产生几何模型的图像 。,基本概念：仿真与可视化（十三）,当前应用三维图形的场合相当多，所以场景的建立不必从零开始。可使用一些现有的图形库中的成像功能来创建多边形物体形状，有时也可以从商业数据库比如Viewpoint Catalog购买现成的模型。有时模型对象在现有数据库中不存在，这时可以使用三维数字化仪构造虚拟模型。三维数字化仪有一个测量头用来获取三维点信息。用户首先制作一个所需物体(比如一辆汽车)的固态模型，然后把

29、测量探头放在模型表面以获得框架顶点信息。一个内置编辑器允许线段和多边形沿着任何轴重新定位，线段上的点和多边形连接点可按贝塞尔(Bezier)曲线重新分布。例如用激光三维扫描仪对物体的三维模型或物体本身进行扫描，生成物体轮廓的三维点云，再利用专用的软件包对得到的试验点云数据进行三维重构，得到物体的三维模型。,基本概念：仿真与可视化（十四）,创建常规物体的另一方法是使用建模软件比如AutoCAD、Multigen-Paradigm公司的Creator、3DS和工作站上运行的造型系统等。用户交互地创建对象模型，例如房屋内的各种移动物体，如前门等。,基本概念：仿真与可视化（十五）,建模技术有多种分类。

30、一般大致分为两类：几何建模和动态建模。 几何建模主要研究和处理物体的轮廓和形状，研究图形数据结构等基本问题； 动态建模主要研究和处理的是物体的动态特征。,基本概念：仿真与可视化（十六）,对象表面纹理 虚拟对象的外表真实感主要取决于它的表面反射和纹理。现实世界中的物体，其表面往往有各种纹理，这些表面细节是通过色彩或明暗度的变化体现出来的，这种纹理称为颜色纹理。 生成颜色纹理的一般方法是在一个平面区域(即纹理空间)上预先定义纹理图案，然后建立物体表面的点与纹理空间的点之间的映射关系。当物体表面的可见点确立之后，以纹理空间的对应点的值乘以宽度值，就可把纹理图案附到物体表面上。,基本概念：仿真与可视化

31、（十七）,用多边形表示物体没有直接的方法，这是由于多边形内部没有一个好的参数定义方法。 目前有多种方法：一类采用投影方法，它是将纹理区域部分地映射到多边形中；另一类采用参数表示的方法，它是将纹理区域全部映射到多边形中。 无论采用何种方法生成纹理，只要看起来像就可以了，不必精确模拟，以使在不显著增加计算时间的前提下，较大幅度地提高图形的真实感。这一特点被广泛应用于虚拟现实系统的场景创建上，因为对于要求实时显示的VR系统来说，尽可能减少系统生成的计算量是一个关键因素，因此三维建模的几何对象的表面模型，就采用纹理生成技术进行处理。,基本概念：仿真与可视化（十八）,随着技术的发展，对象的细节层次越来越

32、复杂，就目前计算机图形学的水平而言，只要有足够的时间，就能生成准确度相当高的近似照片的逼真图像。然而这种提高真实感的方法是采用增加物体多边形来获得，从而使计算复杂，绘图速度大大降低。但VR系统要求最小的刷新率为每秒15帧，最好能达到30帧。由于时间的限制，仅使用造型软件来创建几何模型的方法耗时太多。因此不得不限制虚拟场境的几何复杂度，转而采用其它方法，诸如纹理细节的方法来提高环境的逼真度。,基本概念：仿真与可视化（十九）,面片处理 在动态显示的场景中，有些物体非常复杂如各种树木、花草及建筑上的各种雕琢等，如果用三维模型表示，将需要大量的多边形面片，而实际上在实时动态显示中，并没有必要将这些物体

33、表示得十分精致。有效的方法便是采用二维纹理来代替三维模型。方法是将树木、花草及雕琢等复杂物体的图像通过扫描仪输入计算机内，将其贴在一个平面上并放置在场景中。在实现三维复杂场景的实时动态显示时，令该平面的法向始终指向观察点。这样，就形成了这些复杂物体无论从哪个方向看过去都只有一种形态。这当然是不真实的，但是在复杂场景的实时动态显示中，这些细节上的近似处理是不会影响视觉效果的。因而，这一技术在VR系统中为提高实时三维运算速度得到了广泛的应用。,基本概念：仿真与可视化（二十）,用表面纹理的方法来处理其逼真度也是VR建模技术中采用的一种最佳方法，它具有以下优点： （1）它增加了细节层次以及景物的真实感

34、； （2）依靠透视变换，纹理提供了更好的三维空间线索； （3） 纹理大大减少了视景多边形的数目，加快了刷新频率，提高了复杂场景的实时动态显示效果。,基本概念：应用,廉价、安全 （1）对商业和军事时间的排练和演习模拟，如飞行训练模拟； （2）对复杂时间进行深入直观的再现，如交通救护仿真； （3）对突发事故进行预演，如消防救灾仿真； （4）交互式三维视频游戏仿真； （5）对不确定事件进行预览。,基本概念：系统组成,（1）The Image Generator(IG)-图像生成器 顾名思义，就是指生成图像的计算机硬件设备，机器配置由仿真需求来决定。 包括：SGI的渲染效果；虚拟现实引擎；完全虚拟现实

35、效果； 其性能由每帧处理的多边形数决定； （2）Visual Database可视数据库（模型） 用于描述when、how and what场景，场景中的模型，例如地形、房子、车辆等等都需要建模。模型的格式是Openflight格式（双精度double precision）。 （3）Simulation Application仿真应用程序 控制虚拟场景中动态元素和随机事件，处理用户的输入事件信息。,可视化建模的特点（一）,模型的多边形数量尽量要少； 模型数据的构造要尽可能简单； 模型数据库的结构要便于进行遍历操作； 模型数据库要能够被应用程序快速读取； 模型数据库要包含各种约束限制信息。,可视

36、化建模的特点（二）,其他3维建模： 其它软件追求视觉效果为第一建模目标、不用考虑其模型的渲染效率，不能应用于虚拟现实仿真； 追求炫目的光影效果、复杂的材质效果、逼真的光线追踪效果、惟妙惟肖的任务动画，进而渲染出质感极强的画面效果； 包含复杂的多边形和曲线曲面,Multigen Creator背景知识（一）,Multigen Creator是一个高度专业化的工具，帮助建模者创建高效的三维模型和地形用于交互式实时应用。 交互式应用据其性质有多种，范围从用于军事的个人飞行和驾驶训练模拟到建筑项目的视景演示。 不仅仅是一个基本的建模工具，Creator也是一个设计工具，用来创建低多边形数的模型来简化和

37、减少实时应用的程序要求。 Creator提供了一个用户界面用于建造模型、地形和场景，并包括符合OpenFlight（.flt）文件格式标准的层次视景数据库。 OpenFlight文件在输入到运行软件后，如Multigen-Paradigm 公司的Vega，就成为了实时应用的一部分。,Multigen Creator背景知识（二）,一、实时应用与动画的区别 实时和动画应用都是模拟真实和想象的世界，用高度细节模型，产生平滑连续的运动，并以一定的FPS（祯/秒）进行绘制来达到无缝的演示。 动画主要用于电影、印刷图画以及预先设计好的演示。实时应用主要用于仿真，需要对用户输入做出反应，如：飞行训练、影视

38、游戏和交互式建筑演示。,Multigen Creator背景知识（三）,主要区别： 实时应用：每帧都是实时绘制。 动画：每帧是预先绘制好的。 实时应用是高度交互的，用户控制场景中物体的运动；动画没有用户交互，用户只是被动的观察者。 实时应用的重点是交互性和意图实现。实时应用中的模型与动画模型相比较，通常有较少的细节，以提高绘制速度并减少“滞后时间”（指用户输入和应用程序做出相应反应之间的时间）。为了达到真实的实时仿真效果，“滞后时间”要尽可能短到用户无法发觉。 动画的重点是非交互的美学和视觉效果。在动画中的模型常有很多细节，因为每帧都是预先绘制的，绘制速度的效果就能被预先决定。 实时应用可以用

39、多种帧速率来显示，从1660FPS,取决于应用的目的和屏幕场景的复杂性；动画常以24帧每秒的速度来显示预先绘制好的影像序列，是既定的。,Multigen Creator背景知识（四）,二、什么是三维图形 计算机生成的二维图形仅在X/Y轴有水平和垂直的坐标，而三维图形除了有X/Y坐标外，还有Z轴的维度来定义深度信息。当光照和纹理应用于三维物体时，这个物体显得比二维的物体要真实得多。而且，你能在三维空间中穿过或环绕三维模型和图形，就如同在虚拟的世界中游览一样。你创建的三维模型网格化（Tessellate）为简单的凸(Convex)多边形。 网格化（Tessellation）是一个将物体的数学表达转

40、化为多个多边形的过程。 简单多边形是指其每边（Edge）仅仅交汇于多边形的顶点（Vertices）,而且交点是在边的顶点（vertex）上,如一个圆。凸多边形指没有缺口并且任何多边形内部两点的连线也存在于多边形的内部。,Multigen Creator背景知识（五）,Creator将非规则形状的物体分解为三角形和其它规则的形状，使计算机容易管理。 三角形的使用，还有以下原因： 三角形的三个顶点能表达为三维空间的X/Y/Z坐标； 三角形的顶点总是在一个平面上，使得当物体在三维空间旋转时， Creator能够正确绘制。当面的顶点不共面时，旋转时就会复杂（Complex）和凹(Concave)，使得

41、Creator不能正确绘制。,Multigen Creator背景知识（六）,三、基本的实时应用过程,ADF：程序定义文件 Lynx：图形用户界面,Multigen Creator背景知识（七）,用Creator的地形（Terrain）工具，你能将源数据，如卫星照片和数字高程数据，转成Creator的文件格式并用这些文件在Creator中创建地表。源数据也包括特征数据，你也能转化并引入到Creator中，用来在地形上加入文化特征，如道路和建筑物等。 用Creator的建模（Modeling）工具，你能手工创建三维模型。并且，可对地形、特征、模型加入如颜色、材质、纹理等以使其更真实。所有的这些元

42、素：地形、特征、模型和各种属性，组成了Creator视景数据库，且OpenGL API是支持的。视景数据库存成Multigen-Paradigm的OpenFlight(.flt)文件格式，它已成为大多数实时系统标准的文件格式。 你能用Vega开发环境来创建实时应用。Vega的Lynx功能提供了一个图形用户界面，用来创建用于实时应用的ADF（应用定义文件）文件。ADF描述了用于实时应用的OpenFlight文件、运动体及路径、如爆炸等的特殊效果、环境效果及其他功能。在ADF之外，你也可以自己写程序来满足你仿真的需求。,Multigen Creator背景知识（八）,你最好在VEGA的开发环境和功

43、能库中写自己的代码，以产生独立的实时应用。Vega开发环境包括API、自定义的代码和运行引擎，如用于SGI IRIX的、基于IRIS Performer的Per-Fly。 在图形生成器（IG，绘制场景的图形硬件）中，IRIS Performer装载器将Creator中创建的OpenFlight文件引入到VEGA中。IG可以是SGI的图形工作站，也可以是PC。ADF文件和其他用户程序也将载入到VEGA中。 在实时应用编译后，就可以运行了。实时应用程序和计算机平台常常被一起称为运行系统（Runtime System）。,Multigen Creator背景知识（九）,四、What Happens

44、at Runtime实时应用中运行系统是如何工作的？ 如果你理解运行系统是如何处理数据的，你就可以预先计划如何设计你的数据库。你所创建的数据库需要依从于运行系统的运行限制。因为许多运行系统的表现会影响你的实时应用的质量，所以你可以针对数据库做一些事情，来优化性能。仔细地计划数据库的设计是得到成功结果的关键。这些运行的因素影响你的数据库规划：,Multigen Creator背景知识（十）,运行系统对数据库每一帧的绘制分为三个阶段，Application(应用程序),Cull（截取）,Draw（绘制）。运行系统在Application阶段将数据库载入后，必须在另两个阶段绘制可见场景。在Cull阶段，运行系统遍历整个数据库结构来发现可见数据。在Draw阶段，运行系统绘制可见数据。为了优化性能，你必须设计数据库结构使得Cull和Draw的阶段的处理时间能够平衡。 数据库场景中的物体用Viewing Volume(视锥，观测体)投射到屏幕上。,Multigen Creator背景知识（十一）,多边形在绘制到屏幕之前会转化为屏幕像素。重叠的多边形会的像素会绘制多次，这增加了