虚拟现实技术与计算机图形学

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1、第一章引言第一章引言翻开历史的篇章，不难发现人类社会的每一次巨大进步与发展总是离不开科学的发明与技术的进步。科学技术的变革不断地将人们的幻想变为现实。1.1虚拟现实技术与计算机图形学39年前，MortHeilig申请的一项专利预言了我们今天称之为虚拟现实（VirtualReality——VR）技术的很多功能细节，而今天这一预言的技术已经用于飞行模拟、训练模拟、医学诊断等许多实践领域。当然，目前的技术水平还不能使人们在操作VR设备时象生活在真实世界中那样自然、方便，但这并不能阻碍VR的发展与应用。相反，正是VR技术的应用使

2、人们能够仿真模拟各种复杂、危险、代价高的实验情况，从而节省了大量的财力、物力和人力，并保证了人的生命安全。有科学家和企业家预测，VR技术将引起未来人类生活的变革[Watt98]。虚拟现实是一项九十年代孕育发展起来的、极具潜力的核心技术。它的应用能够带来对科学和工程领域中许多挑战性问题的深入认识和解决。对VR一词虽然有很多的解释，但由于其应用的依赖性，故很难给它下一个确切的定义。一般地，虚拟现实是这样一种技术，它利用计算机生成模拟的三维环境，并通过各种传感设备将人带到该环境中，最终实现人与虚拟环境间直接自然的交流。就其特点

3、来说，虚拟现实是一种计算机生成的，具有临场感（Immersive）、实时交互性（Real-timeInteractive）及多感官（Multi-sensory）体验的合成技术（见图1.1）。作为虚拟现实系统的组成，包括视觉显示设备、跟踪系统、输入设备、语音系统、触觉反馈装置、图形与计算硬件、软件环境与软件工具等。因此虚拟现实的研究涉及到计算机科学、认知科学、工程学、神经生理学、心理学、声学以及力学等许多领域的关键技术。本论文力图从VR对计算机图形学的要求和激励方面出发，在研究和探索新的场景建模和绘制机制方面作了一定的努力

4、。17第一章引言计算机图形学是实现虚拟现实最重要的技术保证。为了让人在计算机所创造的虚拟世界里有一种身临其境的视觉感受，VR对传统的计算机图形学技术提出了挑战：i高质量的、实时的图象生成。VR应用要求绘制系统能根据用户视点和视线方向的变化及时地生成相应的视图（一般刷新率应在15Hz以上）；“高质量”是指绘制场景的复杂度和真实感应满足特定应用的需要。i高分辨率的显示。表现为一个宽视角的立体显示器，这是产生“沉浸感”的前提。目前最流行的是头盔显示器HMD（Head-MountedDisplay）。这也相应地要求绘制系统能同时

5、生成一对（左、右眼）立体视图。i自然的交互。系统应确保用户在虚拟环境中的操作简单易学，并得到有效的响应。比如HMD的头部跟踪器应能准确即时地反馈观察者所处的位置和视线方向。图1.1虚拟现实系统上述挑战中，计算机成像（ComputerImagery）技术是VR中最根本和关键的核心问题。在传统的图形学里，图象的生成是利用透视投影原理将三维几何模型变换到二维屏幕空间的过程，这其中包括光照、消隐、纹理、阴影等一系列复杂的计算和处理。尽管经典的图形学发展已经能在很短的时间里产生具有相当复杂度的真实感图形，但其固有的矛盾却无法使它满

6、足高级VR应用的要求，从而也在一定程度上限制了VR技术的应用推广。九十年代中后期国际上跃然兴起了一股新的研究热潮——基于图象的建模与绘制技术（Image-BasedModelingandRendering——17第一章引言IBMR），它企图从根本上打破传统绘制模式的禁锢，这无疑将是图形学史上的一次飞跃。本论文将主要涉及IBMR的讨论，在下一节里还将对这两种模式作详细的比较和分析。其次，人眼是一个复杂的器官，它通过分析来自左右眼的视图的视差来感知物体的深度，产生三维立体感。计算机视觉上称左右眼看到的这一对视图为一个立体对（

7、StereoPair）[Ma98]。HMD这类宽视场的立体显示器就是通过仿真人眼的视觉原理，将绘制系统生成的一个立体对分别投影到HMD的左右两个显示屏上。当人的双眼同时看这两组图象时就会产生真实三维景物的立体感，因而也使VR系统具有了“沉浸感”。可以说，VR将“立体视觉”概念带到了图形学中，从而促使图形学工作者对新的成像方法进行研究。也既是说VR促成了计算机图形学与计算机视觉的结合。在论文后面讨论的IBMR建模和绘制方法中都将用到计算机视觉中的理论和方法。另外，VR的出现还引入了很多新的输入设备，如数据手套、空间球、各种

8、传感器等，需要研究新的交互技术。例如怎样有效地协调发挥各种图形资源（软件、硬件）的性能、即时地根据用户的动作刷新场景，等等。论文将不涉及这方面的内容。尽管今天的学科发展尚不能使人们全面地认识人类的视觉、听觉、触觉等感觉器官的功能原理及构造；机器智能技术也还远不能使机器代替人类。但不可否认，虚拟现实是人们对计算机“人化