三维建模技术在虚拟现实中的应用研究.doc

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1、大庆石袖学院 .论文题目 硕士生 指导教师硕士研無生学位论文芸维建.爆g凌ffi虛拟现寒中.的虚用研究.：；1 一丄藶卜:” 李从2007年-3月12 ；曰Research to the 3D Modeling Applied in Virtual RealityAbstractIn recent years. Virtual Reality (VR) Technology has been paid extensive attention in computer field. Virtual Reality Technology is an important direction of th

2、e high-tech developments in the twenty-first century. 3D modeling technology is the most important part and one of the key technologies of virtual reality. 3D modeling technology is the foundation of the VR system and the key step and technology of all the applications.Based on the fundamental of th

3、e computer graphics，some theory of the computer graphics that related with the paper are introduced It includes basic content of the computer graphics, graphics transformation technology and sense of reality graphics technology. Based on this, it introduces virtual reality-oriented modeling technolo

4、gy. VituaJ Reality modeJmg technology trait, main technology target, basic content, implementation manner and key technology are introduced in virtual reality-oriented modeling technology. These lay solid theory foundation for upper application study of the system. Take Combination Station Scene t t

5、he basis of three-dimensional scene construction flow，from data collection and pretreatment, scene construction method, scene integration and schedule management aspects, three-dimensional virtual scene construction process and method are introduced. Based on this，3D modeling optimization method is

6、studied. Ft includes 3D modeling optimization flow, structure optimization, model optimization and hierarchy simplification algorithm based on k dop. This is one of the innovation points, modeling optimization run through whole modeling process. In the last course of the analysis and study, from sys

7、tem analysis and design，system three-dimensional virtual scene constuction, database technology, scene representation art and three-dimensional object movement simulation aspects, application implementation based on 3D modeling technology in the combination station system is discribed. Based on impl

8、ementation, familiar question in system modeling and solutions are discussed, system three-dimensional model rapid display technology is summarized and modeling optimization algorithm compare analysis is discussed.Key words: Virtual Reality; 3D modeling technology; modeling flow; structure optimizat

9、ion; optimization method学位论文独创性声明本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人巳经发表或撰写 过的研究成果.对本文的研究敎出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并 表示谢意.作者签名：m 日期：、各。学位论文使用授权声明本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主赞部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版.有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅.有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索.有

10、权将学位论文的标题和摘要iC编出版.保密的学位论文在解密后 适用本规定。学位论文作者签名：级铎曰期：yffllf创新点摘要本文是对三维建模技术在虚拟现实中的应用研究，根据虚拟现实系统的特点，重在研究三维建模 技术的灵活应用，通过实践，在以下两个方面进行了创新：1、建模流程的改进。传统建模流程主要是在模型优化阶段对模型进行优化，虽然已经取得了很好 的应用效果，但仍存在一些问题：（I)如果建模前分块不合理，那么在模型优化和场景优化阶段就会多 花费时间；（2)如果模型优化时有对纹理的需求，如对简单分量纹理的需求，那么在系统外处理纹理就 需要时间。针对传统建模流程由于优化而存在延时的情况，提出了过程优

11、化的建模流程，即在建模过 程中从结构优化、纹理优化、模型优化、场景优化等方面进行整个建模过程的优化。在过程优化环节 中，结构优化是前提条件，纹理优化是(可选的)必备环节，模型优化是主体部分，场景优化是集成优 化。2、算法创新。提出基于1(10口的层次简化算法，对区域内模型进行优化。传统的简化箅法是基于 模型的简化算法，针对当前大规模场景、复杂模型的实时系统,虽然在模型优化阶段取得了很好的效 果，但这却以牺牲整个系统的实时性为代价的，因为单个模型分别简化所耗费的时间很多，模型间优 化的时间间隔较多。基于过程优化的思想.提出了基于k_dop的层次简化算法。它属于基于区域的简 化方法，区别于传统基于

12、模型的优化算法，让简化算法贯穿在整个E域建模过程中。算法存在三个关 键点：（1)区域划分原则和方法：（2)模型简化算法的选择；（3)区域合并算法的选择。引言虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域。它依托于计算机科学、数学、力学、 声学、光学、机械学、生物学乃至美学和社会学等多种学科，是一系列高新技术的汇集， 包括计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能、多传感器技术以 及高度并行的实时计算技术，还包括人的行为学研究等多项关键技术III2】。目前，其应 用已广泛涉及军事、教育培训、工程设计、商业、医学、影视、艺术、娱乐等众多领域， 并带來了巨大的经济效益3】。1965年，有VR先

13、锋之称的计算机图形学创始人Ivan Sutherland.在IFIpl4会议上 的篇名为终极的显示（The Ultimate Disp丨ay)的论文中首次提出了包括具有交互图形 显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式幵始了对 虚拟现实系统的研究探索历程。经过30多年的发展，虚拟现实技术R趋走向成熟，20 世纪90年代至今是虚拟现实全面发展的阶段，在软件和硬件方面都得到了广泛的发展。 .在国外，美国、欧洲和日本在此方向起步较早，并有很多先进性的成果；我国起步 较晚但是也引起了我国政府和学术界的高度重视，主要的科研机构都对三维建模技术 进行了研究并有所成就。虚拟现实技

14、术的发展现状可参考文献38。虚拟现实有四个最主要的特征，即沉浸感(丨mmersion)、交互性(Interaction)、构想性 (Imagination)和多感知性(Multi-Sensory)。虚拟现实最本质的特征是用户在虚拟场景的沉 浸。根据用户参与虚拟现实的不同形式以及沉浸的程度不同，各种类型的虚拟现实技术 划分四类：桌面型虚拟现实系统：投影式虚拟现实系统：CAVE系统；分布式虚拟现实 系统。其中，桌面型虚拟现实系统是利用个人计算机或低级工作站实现虚拟仿真。在这 种虚拟现实当中用户并没有完全投入，所以还是会受外界的干扰，是一种初级的虚拟状 态，沉浸程度也不是很高。这种虚拟现实由于没有昂

15、贵的硬件和软件支持，投入不是很 高，所以应用较为广泛。目前在实际应用取得较好效果的虚拟现实系统基本都属于此类 系统。本文所开发的虚拟现实应用系统联合站仿真操作与演练系统”就属于此类。三维建模技术是整个虚拟现实系统建立的基础，是所有应用中的一个关键的步骤和 技术，是整个虚拟现实技术的灵魂。它的研究有助于提高虚拟环境的真实感、实时交互 的速度和实际交互的可操作程度，使用户真正地“身临其境”。因为人所感受到的大部 分信息是通过视觉获取的，而且在真实的世界里，人感受到的是三维信息。所以三维建 模技术在虚拟现实技术中就处于非常核心和基础的地位，是虚拟现实技术所必须的，是 虚拟现实技术的底层。而且虚拟现实

16、世界是人可参与并与之交互的世界。模型准确度的 高低，模拟场景的真实与否往往直接关系到应用实例的成败。虚拟现实建模主要有两 种，三维视觉建模和三维听觉建模。本文讨论的是三维视觉建模技术。传统的虚拟现实系统的研究是基于Mu丨tiGen Creator及其相关的幵发平台(如OpenGVS)来实现的，它能很好地实现虚拟现实系统的真实感、实时性和交互性。它优 秀的层次建模架构、强大的建模功能和精简的、直观的交互能力是其优点所在，存在的 缺点是模型相对缺乏立体感,虚拟场景局部缺乏真实感。本文给出的基于3dsmax/Virtools 的三维建模技术的应用研究就解决了这个问题。文中明确给出了 3dsniax中

17、的层次建模 构架，以便进行层次建模，进而纠正以前对此问题的认识不足。本文以联合站仿真操作与演练系统的课题研究为背景，研究了虚拟现实建模的理论 和实现技术。针对传统建模流程模型间存在优化延迟进而导致系统实时响应效果差的问 题，给出了改进的建模流程，其主要思想是将建模优化贯穿于整个建模过程中，这是本 文的创新点之一，在此基础上，探讨了基于Msmax/Virtools开发平台的桌面型虚拟现实 系统(以联合站仿真操作与演练系统为例)的三维虚拟场景构建过程，介绍了实时性、真 实感要求高的大规模复杂场景的虚拟建模实现的建模流程、方法和关键技术。并对三维 建模优化方法进行了研究，给出了三维建模优化流程，介绍

18、了结构优化和模型优化的方 法并对其进行了进一步的研究，提出了基于k_dop的层次简化算法，这是本文的又一创 新点。在课题研究的基础上，获得联合站虚拟现实系统的实现方法的同时，在解决实时 性和真实感矛盾的问题上，采用改进的三维建摸流程和基于k_dop的层次简化算法，实 现了三维虚拟场景的建模优化，有效而显著地提高了系统道染和实时响应的速度。第1章计算机图形学的理论与技术1.1计算机图形学的主要研究内容虚拟环境中的建模是整个虚拟现实系统建立的基础。为了给用户创建一个能使他感 受到身临其境、逼真的环境，必要条件之一就是创建一个逼真的虚拟场景。因为人所感 受到的大部分信息是通过视觉获取的，而且在真实的

19、世界里，人感受到的是三维信息。 所以三维建模技术在虚拟现实技术中就处于非常核心和基础的地位，是虚拟现实技术所 必须的，是虚拟现实技术的底层。计算机图形学(Computer Graphics)是虚拟现实的奠基石，在计算机图形学中被研究 的最多的，也是最重要的研究方向之一就是建模技术。建模技术的内容十分广泛，不仅 涉及数学、动力学、运动学等基础学科，同时，还涉及机器人学、机械工程学和生物机 械学等应用学科。计算机图形学是近三十年来发展迅速，应用广泛的新兴学科，它主要研究怎样用数 字计算机生成、处理和显示图形。现在计算机图形学的主要研究内容有造型技术、真实 感图形生成及人机交互技术等三部分丨91。要

20、在计算机屏幕上生成三维物体的一幅图像， 首先必须在计算机中建立该物体的模型。构造这一模型的技术称为造型技术，包括形体 的表示、构造及运算。最常用的是几何造型，即由一组几何数据及数据之间的关系来表 示所要显示的形体，一般是规则形体。有了三维物体的模型，就需要应用真实感图形生成技术将该模型以二维图像的形式 显示在屏幕上，主要包括：（1)消隐技术，即消除那些由当前的观察点看不到的那一部分 物体，从而产生层次感：（2)建立或选用适当的光照模型，尽可能准确地模拟物体在现实 世界中受到各种光源照射时的效果，如漫反射、镜面反射及透射等：（3)纹理生成技术， 即在物体表面产生几何纹理或颜色纹理。一般来说，生成

21、二、三维图形的逼真度越高， 所需的计算时间越长。因此，如何实现复杂模型真实感图形的实时动态显示就成为计算 机图形学领域内多年来的追求目标和研究热点。除了不断提高计算机硬件的运算速度及 图形软件的效率以外，并行计算是一个重要手段。自然界的许多物体很难或者根本无法用规则形体进行表达，如山脉、杂草、云彩、 波浪、浓雾等。如何逼真地生成这些复杂的自然物体和现象并以图形方式真实地绘制出 来，这也是计算机图形学研究的主要内容之一。有时为了艺术和美学的需要，甚至可以 创造出自然界中根本不存在的物体、场景和现象。1.2图形变换技术将计算机生成的图形进行变换的技术，是计算机图形学研究中的基础内容之一。通 过变换

22、可以从简单图形得到复杂图形；可用二维图形表示三维图形；可以从某一个图形 得到多个其它图形，甚至对静态图形经过快速变换而获得图形的动态显示效果。从广义 上讲，图形变换包括窗口视区变换、图形几何变换、图形投影变换、观察变换及图形剪 裁。图形变换的核心问题是坐标的转换。其中，窗口视区变换是用户空间与设备空间坐 标之间的转换；图形几何变换是由图形的一个几何位置或形状到另一几何位置或形状的 转换；由三维空间到二维平面坐标的转换是图形投影变换的内容；观察变换则是由一个 空间到另一空间的坐标转换问题；图形剪裁是计箅出感兴趣的特定范围内的图形坐标问 题。1.2.1窗口视区变换(1) 用户域和窗口区用户域是指程

23、序员用来定义草图的整个自然空间(WD)。人们所要描述的图形均在 WD中进行定义。用户域是一个实数域，理论上说WD是连续无限的。通常把用户指定的任一区域(W)叫做窗口。窗口区W小于或等于用户域WD,任何 小于WD的窗口都叫WD的一个子域。窗口区通常是矩形域，可以用其左下角和右上 角坐标来表示，也可给定其左下角坐标及矩形的长、宽来表示：(2) 屏幕域和视图区屏幕域是设备输出图形的最大区域，是有限的整数域。如某图形显示器有1024*1024 个可编地址的光点(像素)，则屏幕域DC可定义为： DCe0:1023X0:I023任何小于或等于屏幕域的区域都称为视图区。视图区可由用户在屏幕域中用设备坐 标来

24、定义，用户选择的窗口域内的图形要在视图区显示，也必须由程序转换成设备坐标 系下的坐标值。视图区一般定义成矩形，由左下角坐标和右上角坐标来定义；或用左下 角坐标及视图区的X、y方向上边框长度来定义。视图区可以嵌套，嵌套的层次由图形 处理软件规定。相应于图形和多边形窗口，用户也可以定义圆形和多边形视图区，分别 作不同的应用。(3) 窗口区和视图区的坐标变换为了全部、如实地在视图区中显示出窗口内描述的物体的图形，必须找出窗口和视 图区之间的坐标映射关系。设矩形窗口左下角坐标为右上角坐标为(wahv),矩 形视图区内相应的坐标分别为(rV/，/v2)和(iv3，fv办如图1-1所示。 窗口中的点(Jt

25、 JO与视图区中对应的点(iic办)存在如下关系-ix - /v_ x-wW3-冰1(1-1)iy-iv iv -/Vj 由(1-1)式得: (1-2)ix = /v + (jtr _ 、sx 缩放因子为- W3iv.sy (1-3) 从式(1-2)可以看出从窗口到视口的变换按下列次序进行：1)以点；，1为中心执行将窗口变换成视区的大小。2)将缩放之后的窗口移动到视区位置。 如果缩放因子砂)，物体保持相似性。否则窗口区的物体在输出设备上显示时将 在;c或 方向拉伸或压缩。 iL iixjy)H1-iV2IVlW4-(x,y)W2-rvj -1将窗口中(xjO映射到视口中(/X办）2.2图形几何

26、变换图形变换一般是指对图形的几何信息经过几何变换后产生新的图形。图形变换既可 以看作是坐标系不动而图形变动，变动后的图形在坐标系中的坐标值发生变化；也可以 看作图形不动而坐标系变动，变动后，该图形在新的坐标系下具有新的坐标值。图形变 换包括二维图形和三维图形的平移、比例缩放、旋转、对称、错切等变换。由于图形中 最基本的单元是点，因此，对图形的几何变换也可归结为对点的变换。在计算机图形学 中，广泛采用齐次坐标技术研究图形变换，即在n+1维空间中，讨论n维向量的变换， 再经规范化过程在n维空间中观察其变换结果。无论在二维平面内或三维空间中，均可对已定义的几何图形连续进行多次几何变 换，以得到新的所

27、需要的图形。这时只需将相应的多个变换矩阵连乘后，形成组合变换 矩阵，再作用于几何图形即可。：维图形的几何变换矩阵rD可以用下式来表示:“II“13碎 4“22232432“33034(1-4).41 434344 13 是对图形进行比例、从变换功能上可把分成四个子矩阵, 是对图形做投影变换;31 过32旋转、错切等变换；Jm ：|是对图形进行平移变换kJ产生整体比例变换 y经过变换后的坐标为假设三维图形变换前的一点坐标是则二者存在下面关系： y表1-1给出了三维图形几种主要变换的变换矩阵形式。1.2.3图形投影变换一种由高维空间到低维空间的几何变换。在计算机图形学中，通常是指三维空间到 二维平

28、面的几何投影变换，即把在三维空间中定义的图形投影到二维平面上。在三维空间中，选择一个点作为投影中心，不经过这个点定义一个平面作为投影面， 从投影中心向投影面引出的射线形成投影线。于是，那些穿过三维几何图形的投影线与 投影面相交，在投影面上形成这个图形的像。这个像叫做三维图形在二维投影面上的投 影。将三维空间中的图形投射到二维平面上的这一过程称为投影变换。根据投影中心离投影面的远近，可以将投影分成透视投影和平行投影两大类。透视 投影的投影中心到投影面的距离是有限的，而平行投影的投影中心则在无穷远处。因此， 平行投影的投影线相互平行，投影线的方向即为投影方向。通n透视投影的性质有：（1)投影的大小

29、与图形到投影中心的距离成反比。（2)平行于投影面的平行线的投影仍是平行线；不平行于投影面的平行线的投影汇聚到一个点，这个点 称为灭点。与平行投影相比，透视投影的深度感更强，看上去更加真实。但透视投影不能真实 地反映物体的精确尺寸和形状平行投影的特性有：（1)能精确反映图形的实际尺寸；（2)平行线的投影仍是平行线。变换类荆表1-1 二维图形儿何变换矩阵变换矩阵 平移变换ty. 分别是在X、和Z方向上的平移量 S，000 0比例变换是比例变换的参考点，s,、Sy、s, 分别ffljT、和;r方向上的缩放量 100 00 COS 没sin 没0 一 sin 沒cos (9 0没表示心手坐标系下绕X轴

30、旋转的角度0 00 -sin没 0 0 0旋转变换sin沒COS (9 sin 没 0 O -sin0 cos 没 0没表示右手坐标系下绕：K轴旋转的角度权表示右手坐标系下绕Z轴旋转的角度 真实感图形技术真实感图形学是计算机图形学中的一个重要组成部分，它的基本要求就是在计算机中生成三维场景的真实感图形(或图象)。真实感图形技术就是使三维空间的物体生成具 有色彩、纹理、阴影、层次等真实感图形的技术，它还可以称作真实感图形综合。其目 的是对于空间中的各种物体和自然景物，利用计算机图形生成技术生成恰如拍照相片一 样的真实感效果。为了产生图形的真实感，一般需要解决以下几方面的图形综合技术问题：(1)

31、在图形中消除在特定观察点看不见的物体或部分物体，从而产生空间物体的层次感；(2) 在物体表面生成各种各样的纹理，以增强物体的质感；(3) 尽可能精确地模拟光源照射的物理效果，使空间物体具有像拍照相片一样的光照 效果和阴暗层次；(4) 模拟透明物体的效果；(5) 在显示设备有限的离散精度范围内尽量保持图形具有自然的光影过渡和连续性。 1.3.1消隐技术消隐技术1。1是对三维空间的非透明物体将观察者看不见的线或面消除的一种技术。 为了使计算机生成的图形具有在三维空间的真实感，将其看不见的物体部分即隐藏部分 消除，这是真实感图形的最基本需求。如果不将隐藏的线或面消除，有时会产生对图形 的错误理解。消

32、隐算法的基本思想是将物体上所有的点、线、面，按照距离视点的远近进行排序。 一般来说，离视点较远的物体，就有可能被离视点较近的物体完全或部分遮盖。大多数 消隐算法都涉及排序和相关性的概念。排序是为了确定消隐对象之间的遮挡关系，通常 在X、Y、Z三个方向分别进行。消隐算法的效率在很大程度上取决于排序的效率，通 常可以采用相关性来提高排序的效率。所谓相关性是指物体对象或其在视图区变换后的 图像局部保持不变的性质，即相邻的点、线和区域有相彳以的性质。常用的消隐算法有-(1)Z缓冲器算法它是一种利用记录图形深度的缓冲器来实现面消隐的简单使用算法。该算法最早于 1975年RCatoull提出。它是在图像空

33、间实施面消隐的算法。按惯例，通常将图像平面 即投影屏幕定义为；面，因而视点正投影方向即为Z轴负方向。用于记录投影方向上 物体投影深度值的缓冲存储器称为Z缓冲器，该算法由此得名。Z缓冲器是一组存储单元，其单元数目和屏幕上像素数目相同，即通常与帧缓冲器 的单元数目相同。它用来存储图像空间中与每一可见像素相应的物体深度或Z坐标。Z 缓冲器是一个独立的缓冲器，它与顿缓冲器配合使用完成面消隐功能。Z缓冲器中每个 单元的初值取为对应画面背景颜色或灰度值。图形消隐是在图形绘制的过程中实现的。 在图形绘制时，当把显示对象的每一点(像素)的属性(颜色或灰度值填入顿缓冲器相应 单元前,要把该点的Z坐标值与Z缓冲器

34、中相应单元内的值作比较。如果前者大于后者， 则改变帖缓冲器中相应承元的值，同时Z缓冲器中相应单元的值更新为该点的Z坐标值： 反之，如果该点的Z坐标值小于Z缓冲器中相应单元的值，则说明该点要比已显示的点 更远离观察者，因而是波遮挡的点，为此无须改变顿缓冲器和Z缓冲器中相应单元的值。 当环境中每个物体都处理完之后，便可得到消除了隐藏面的完整图形。此时图像中每个 像素点均呈现离视点最近的物体上相应点的颜色或灰度值。该算法的优点是：（1)简单、可靠，对显示对象的处理次序无任何限制，因而无须在 绘制之前对显示对象进行排序处理，在分辨率一定的情况下，算法计算量只与多边形个 数成m比：（2)对显示对象的类型

35、限制甚少，只要计算其在屏幕上的投影以及相应的投影 深度即可；（3)便于硬件实现和并行处理。在此基础上，Z缓冲器扫描线算法利用了多边 形边和像素点的相关性，使得算法效率进一步提高。该算法的缺点是需要较大的Z缓冲器，且需对每个显示对象的每个像素投影点求取 深度Z值。但因该技术算法简翠、适应性强，因而成为一种颇为实用的面消隐技术。特 别是在某些高性能图形工作站上，Z缓冲器被设计为可选的专用存储器，其算法由硬件 实现，从而成为一种用户可选的绘制方式。图1-2反映了屏幕、顿缓冲器和Z缓冲器之 间的对应关系。,Z缓冲器 .毎个单元存放对应像素 每个单元存放对应像素 的颜色值.的深度值(Z坐标）m 1-2屏

36、幕、帖缓冲器和Z缓冲器之间的关系(2)表优先级算法按照物体离视点的远近进行优先级排序从而对图形实施有序绘制的一种消隐算法。 该算法在处理简单元素(如多边形)时常被称为画家算法。表优先级算法首先根据物体深度进行排序，按照环境中各元素离视点的远近确定一 个深度优先级表。然后按照表中元素的先后次序，从离视点最远的图形元素开始，依次 将每个元素绘制到屏幕画面中。这样，表中离视点较近的元素在绘制时会通过在1|(贞缓冲 器中写入新的内容而覆盖离视点较远的元素，从而达到消隐的目的。画家算法的优点是 简单、易于实现，并且可以作为实现更为复杂算法的基础。它的缺点是只能处理互不相 交的面，而且深度优先级表中的顺序

37、可能出错，如两个面相交或三个面相互重叠的情况， 用任何方法都不能排出正确的顺序。这时，只能把有关的面进行分割后再排序，这样增 加了算法的复杂度。因此，该算法的使用具有一定的局限性。(3)扫描线算法使用逐行的像素扫描线实现图形绘制和面消隐的一种算法。该算法是由单个多边形 进行扫描变换的方法推广而来。物体空间的每一多边形在屏幕上的投影一般亦为一个多 边形。在单个多边形的扫描变化中，通过逐行求取屏幕上每条像素扫描线被其多边形所 截取的线段，就可绘制整个多边表形。当扫描对象是整个环境的众多多边形时，其扫描 变换过程与单个多边形类似。但这时由于存在多边形之间的相互遮挡关系，因此必须在 毎条扫描线上确定和

38、计算可见的扫描线段，即进行消隐处理。该处理过程分为两步：计 算扫描线段和确定线段的可见性。第一步，计算出扫描线与物体在投影面上形成的多边 形的所有相交线段。第二步，消去不可见的线段或部分线段。扫描线算法的基本思想是：按照扫描线的顺序处理一If贞画面，在由视点和扫描线所 决定的扫描平面上解决消隐问题。具体步骤是，先把物体各面投影到屏幕上，再计算扫 描线与物体各投影面的相交区间。扫描线算法的典型实现有两种，即扫描线Z缓冲器算 法和扫描线间隔连贯性算法。现在使用的较多的是扫描线Z缓冲器算法，即在每条扫描 线上实现Z缓冲器的算法。当这两种算法结合起来时，对于扫描线算法来说，第二步求 取隐藏线段的过程不

39、再需要，而由Z缓冲器算法取而代之。1. 3.2明暗效应明暗效应指的是对光照射到物体表面所产生的反射/透射现象的模拟。当光照射到物 体表面时，可能被吸收、反射或折射。被物体吸收的那部分光转化为热，而那些被反射、 透射的光传到我们的视觉系统，使我们能看见物体。为了模拟这一物理现象，我们使用 一些数学公式来近似计算物体表面按什么样的规律，什么样的比例来反射/折射光。这种 公式称为明暗效应的模型。在某个算法中使用这种计算物体表面的明暗度的过程称为明 暗效应的处理。三维形体的图形在经过消隐后，再进行明暗效应的处理，可以进一步提 高图形的真实感。(1)明暗模型光的颜色由其波长决定；光的亮度由光强决定。各种

40、颜色光具有不同的波长，白色 光是含有所有可见波长的光。当一束白色光照射到物体表面上时，若所有波长的光均被 等量吸收，则物体呈白色、灰色或黑色。这里灰色指的是不同亮度的白色，如阴天天空 的颜色。若物体有选择地吸收某些波长的光，则物体呈现出颜色。物体的颜色取决于未被吸 收的那部分光的波长。从物体表面反射/折射出来的光的强度取决于许多因素，其中包括 光源的位置与光强、物体表面的位置和朝向、物体表面的性质(如反射率、折射率、光 滑度)以及视点的位置。假设物体不透明，那么物体表面呈现的颜色仅由反射光决定。通常，人们把反射光 考虑成三个分量的组合，这三个分量分别是-1) 环境反射光：环境反射光在任何方向上

41、的分布都相同。环境反射光用于模拟从环 境中周_物体散射到物体表面再反射出來的光环境反射光可用下式表示-丨=K”(1-6)其中，1：是环境反射常数，与物体表面性质有关；是入射的环境光光强，与环境 的明暗有关。2) 漫反射光：漫反射光的空间分布也是均勾的，但是反射光强与入射光的入射角的 余弦成正比。通常可以用下式来计算漫反射光的光强：I=Kd*Ii*COSe(1-7)上式中，是漫反射常数，与物体的表面性质有关。是光源的光强，e是入射角， 即入射光与表面法线向量的夹角，如图1-3。/图1-3入射方向、反射方向以及视线方向之间关系示意图3)镜面反射光：镜面反射光为朝一定方向的反射光，它遵守光的反射定律

42、。对于纯 镜面，入射至表面面元上的光严格地遵从光的反射定律单向反射出去；对于一般光滑表 面，由于表面实际上是许多朝向不同的微小平面组成，其镜面反射光分布于表面镜面反 射方向的周围。实用时，常采用余弦函数的幕次来模拟一般光滑表面的镜面反射光的空 间分布(如下式)：I=K*I_*COS(i(1-8)(2)明暗处理算法在计算机图形学中，光滑的曲面表面常用多边形予以逼近表示。这是因为处理平面 比处理曲面容易得多。但是，如果釆用较粗的离散度精度，那么两个相邻多边形的边界 看起来像凸出的折痕，而生成的图形将失去原有曲面的光滑性，而呈现多边形状。这种 现象是由于平面上所有点的法向相同，不同平面块之间存在不连

43、续的法向量跳跃，从而 引起不连续的光强跳跃：而另一方面，人类视觉系统会夸大具有不同常量光强的两个邻 接区域之间的光强不连续性而造成。当我们处理的形体是多边形集合或多面体时，会计算出每个面的法向量。假定光源I 在无穷远处，那么毎个多边形上的点都具有相同的明暗度。这种明暗效应的处理方法一I 般称为常量明暗处理。用常量明暗处理方法生成的图形是具有实际意义的多边形或多面 体时还可以接受，但如果作为曲面体的近似表示时常量明暗处理很难生成令人满意的光滑图形。它要么需要很多的存储量和处理时间，要么会产生马赫带效应。下面介绍 Gouraud明暗处理。Gouraud明暗处理技术是最简单的方法，主要针对简单光照模

44、型中的漫反射项。 Gouraud明暗处理的思想是对离散的光亮度釆样作双线性插值以获得一个连续的光亮度 函数。其基本算法是：如图14所示，先计算出多边形顶点处(A、B、C和D)的光亮度 值，把它们作为曲面光亮度的采样点，然后再对多边形顶点的光亮度值插值计算出多边 形内任一点的光亮度。若采用扫描线绘制算法，则可沿当前扫描线进行双线性插值，这 是一种简便易行的插值方法。即先用多边形顶点的光亮度线性插值出当前扫描线与多边 形边交点处(L和R)的光亮度，然后再用交点的光亮度线性插值出扫描线位于多边形内 区段上每一像素处(如图1-4中的P点)的光亮度值。图丨4Gouraud算法中多边形明暗度的线性插值Go

45、uraud明暗处理的优点是算法简单、计算量小。但是这种方法在某些环境下也存 在缺陷。当它用于动态显示物体时，物体表面的明暗度将以不规则的方式变化。这是由 于本方法的插值是基于固定的屏幕表面，而不是运动的形体表面。Gouraud明暗处理的 另一个缺陷是，Gouraud明暗处理要求光源方向与视线方向比较接近，一般二者方向夹 角不要超过45。这是因为，当光源方向与视线方向差别较大，特别是入射角接近90 时，而视线在反射方向时，利用Gouiaud算法所计算的反射光强趋于最小。但是实际上， 这时的反射光最强，即通常所说的高光3.3物体的表面细节称为纹理。纹理是表达物体质感的一个重要特点，纹理的生成使图

46、形更具有真实感。根据纹理定义域的不同，纹理可分为二维纹理和三维纹理，根据纹理 的表现形式，纹理又可分为颜色纹理、几何纹理和过程纹理三大类。颜色纹理指的是呈 现在物体表面上的各种花纹、图案和文字等，近几年来颜色纹理己经得到了广泛的应用； 几何纹理是指基于景物表面微观几何形状的表面纹理，如树干、岩石、山脉等表面呈现 的凹凸不平的纹理细节。过程纹理可以表现各种规则或不规则的动态变化的自然景象， 如水波、云、火、烟雾等1。纹理生成的技术或过程称为纹理映射。它是计算机图形学中的一种重要方法，最早 由Catmu丨丨提出，经Blinn和Newe丨丨改进后得到广泛应用。目前，在大规模地形地貌的 建模上，通常使

47、用纹理映射技术來表达真实感效果。第2章面向虚拟现实的三维建模技术虚拟现实是一种逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、嘆觉、运动等行为的一种 全新的人机交互技术，其最终目标是使用户置身于一个由计算机生成的虚拟环境中。虚 拟环境的建模是虚拟现实系统建立的基础，.也是虚拟现实技术中的关键技术之一。下面 就开始介绍虚拟现实建模技术的相关内容。2. 1 VR建模技术特点虚拟现实系统强调沉浸感、逼真性，即要求有高的真实感；强调自然的交互方式， 又要满足实时性基础上的交互性要求。总而言之就是：在具有真实感的环境中，产生沉 浸感，并且可以满足实时性和交互性的要求。实时性和真实感是评价许多计算机图形学算法的一个基本标准。在VR建模的过程 中将真实感、实时性和交互性作为指导原则，是面向虚拟现实建模的显著的特点。 这就使VR系统建模与传统CAD和动画建模有着本质上的不同：1、VR建模中要说明的内容要比传统系统建模多，除说明造型外还要说明许多系统 连接，如自由度(Degree Of Freedom，DOF)、层次细节(Level Of Detail，LOD)等：2、由于要实时运行三维模型，其建模方法与以造型为主的建模有很大的不同，大 多用其他技术(如纹理)而不是增加几何造型复杂度来提高逼真度。虚拟现实建模与三维 动画主要区别如表2-1所示：表2-1虚拟现实与三维动画比较虚拟现实三维动画特点具有真实感