范波涛等虚拟现实中虚拟场景的建模技术 19 Immersion(沉浸感,也称浸入感临场感)、 Interaction (交互性)、 Imagination(想象力)来描述在虚拟现实 技术中首先要解决的问题是虚拟场景建模,即虚拟 世界的构造问题,而且虚拟三维空间建模的好坏是 产生沉浸感和真实感的先决条件场景太简单,会使 用户觉得虚假而复杂逼真的场景又势必会增加交 互的难度,并影响实时性当前世界范围内围绕虚拟 场景建模问题的解决方式主要有: 1)基于图形渲染的建模技术; 2)基于图像的建模技术; 3)基于图形与图像的混合建模技术 1基于图形渲染的建模技术 图1 Solid edye几何建模 Fig. I Geometric modeling using solid edge 基于图形渲染的建模方法是充分利用计箅机图部分由于其表面具有不光滑性、不确定性、不规则 形学技术进行虚拟环境的建模和渲染,首先对真性甚至运动变化性,目前一般采用粒子系统来描述 实世界进行抽象建立数学模型(一般是几何多边它如 William reeves对烟雾流水火花和爆炸等景 形)然后给定观察点和观察方向利用计算机由模物的生成显示; Ray smith和 Jim blinn用粒子系统模 型实现多边形处理、着色、消隐、光照以及投影等 拟了星系的生成和死亡; Karl Smith用粒子系统绘制 系列绘制过程,产生虚拟场景因此虚拟物体的几了瀑布;Fora 何建模表面材质的纹理映射视点光照的处理是基成爆炸动。Thm设计了GHG3DC粒子系统来生 于图形渲染要解决的主要问题 1.2纹理技术 II几何建棋 为了生成通真性很强的物体,要在物体的表面 虚拟环境中,三维物体一般就是由多边形造型生成纹理目前在纹理生成中用得较多的是纹理映 来表现在处理上采用多边形顶点的信息进行描述射方法即把纹理空间通过一个映射函数映射到物 和存储对于曲面的造型可由数学函数和数据点定体表面这种映射可以是二维的也可以是三维的 义等来形成,二次曲面超二次曲面隐函数曲面等 二维映射是一种面与面之间的映射,假定纹理 直接用函数实现很方便;而对非规则的曲面则采用空间为一正交坐标系(u,t),物体曲面空间为另 数据点定义较好,通过数据点定义的曲面一般称作正交系(0,)纹理描绘就是(u,)到(日,小)的映射 样条曲面,它由一系列离散坐标点来确定,如 Bezier 过程,设映射函数为∫和g,则 曲面、B样条曲面、Bea曲面、 NURBS曲面等许多图 =f,悲 形软件可提供多种造型和函数库功能来实现几何建1.3明暗处理 模如图1所示的几何建模 三维物体现实的逼真性,很大程度上是由明暗 虚拟环境中的自然景物,如云彩、山脉、树木等 处理所决定的在物体建模时,要考虑光照到物体表 呈现出较大的随机性和不规则性,具有自相似特征 面所产生的反射现象等最常用的照明模型是Phng 般采用随机的分形建模方法如 Alain Fourier单模型 已于199年就采用分形布朗运动构造了复杂的地 形;以后 Robber marshall运用随机模型组合基本数 I=K, +K,Icoso+K, I, cos"a 据元素构造了树林、灌木、山脉等; Georgios Saka采用 为明暗度值,K,K是漫反射常数,与物体表 时变分形构造了气体的随机湍流; GaVin Miler.用面性质有关,是入射的泛光光强,与环境的明暗 了递归分形,生成了复杂地形和天空等 度有关,是光源的光强,0是入射角,K是物体表 虚拟环境中还存在一些模糊景物,如火光、烟面镜面反射系数,a是视线与反射方向的夹角,n是 雾、灰尘、泥浆等它们也都是组成起初景物的重要镜面高光指数 万方数据第2期 范波涛，等：虚拟现实中虚拟场景的建模技术 19 ‰ion(沉浸感，也称浸入感、临场感)、Interaction (交互性)、Imagination(想象力)来描述．在虚拟现实 技术中，首先要解决的问题是虚拟场景建模，即虚拟 世界的构造问题，而且虚拟三维空间建模的好坏是 产生沉浸感和真实感的先决条件．场景太简单，会使 用户觉得虚假，而复杂逼真的场景又势必会增加交 互的难度，并影响实时性．当前世界范围内围绕虚拟 场景建模问题的解决方式主要有： 1)基于图形演染的建模技术； 2)基于图像的建模技术； 3)基于图形与图像的混合建模技术． 1 基于图形渲染的建模技术 基于图形渲染的建模方法是充分利用计算机图 形学技术进行虚拟环境的建模和渲染【2】．首先对真 实世界进行抽象，建立数学模型(一般是几何多边 形)，然后给定观察点和观察方向，利用计算机由模 型实现多边形处理、着色、消隐、光照以及投影等一 系列绘制过程，产生虚拟场景．因此，虚拟物体的几 何建模、表面材质的纹理映射、枧点光照的处理是基 于图形渲染要解决的主要问题． 1．1几何建模 虚拟环境中，三维物体一般就是由多边形造型 来表现，在处理上采用多边形顶点的信息进行描述 和存储．对于曲面的造型可由数学函数和数据点定 义等来形成，二次曲面、超二次瞄面、隐函数曲面等 直接用函数实现很方便；而对非规则的曲面则采用 数据点定义较好，通过数据点定义的曲面一般称作 样条曲面，它由一系列离散坐标点来确定，如Bezier 曲面、B样条曲面、Beta曲面、NURBS曲面等．许多图 形软件可提供多种造型和函数库功能来实现几何建 模．如图l所示的几何建模． 虚拟环境中的自然景物，如云彩、山脉、树木等， 呈现出较大的随机性和不规则性，具有自相似特征， 一般采用随机的分形建模方法．如蛐·Founfier早 已于1993年就采用分形布朗运动构造了复杂的地 形；以后Robber Marshall运用随机模型组合基本数 据元素构造了树林、灌木、山脉等；c，eorgi06 Saka采用 时变分形构造了气体的随机湍流；GaVin Miller采用 了递归分形，生成了复杂地形和天空等． 虚拟环境中还存在一些模糊景物，如火光、烟 雾、灰尘、泥浆等．它们也都是组成起初景物的重要 图l Solid ed萨几何建模 魄．1 Geometric modeling using solid edge 部分．由于其表面具有不光滑性、不确定性、不规则 性、甚至运动变化性，目前一般采用粒子系统来描述 它．如William Reeves对烟雾、流水、火花和爆炸等景 物的生成显示；Ray Smith和Jim Blinn用粒子系统模 拟了星系的生成和死亡；Karl Smith用粒子系统绘制 了瀑布；Forcade Tim设计了GIG3DGO粒子系统来生 成爆炸动画”】． 1．2纹理技术 为了生成逼真性很强的物体，要在物体的表面 生成纹理．目前在纹理生成中用得较多的是纹理映 射方法．即把纹理空间通过一个映射函数映射到物 体表面．这种映射可以是二维的，也可以是三维的． 二维映射是～种面与面之间的映射，假定纹理 空间为一正交坐标系(虬。)，物体曲面空间为另一 正交系(口，≠)．纹理描绘就是(“，”)到(0，≠)的映射 过程“】．设映射函数为r和g，则 目=f(“，口)， ≯=g(H，")． 1．3明暗处理 三维物体现实的逼真性，很大程度上是由明暗 处理所决定的．在物体建模时，要考虑光照到物体表 面所产生的反射现象等．最常用的照明模型是Phong 模型Ⅲ． 1=KoIo+KdI}cos0+K，IiCOS。a． ，为明暗度值，K，屹是漫反射常数，与物体表 面性质有关，，d是入射的泛光光强，与环境的明暗 度有关，L是光源的光强，0是入射角，疋是物体表 面镜面反射系数，n是视线与反射方向的夹角，n是 镜面高光指数． 万方数据