虚拟现实中基于图形与图象的建模与绘制（g

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1、华中科技大学博士学位论文虚拟现实中基于图形与图象的建模与绘制（G&IBMR）的研究姓名：李自力申请学位级别：博士专业：通信与信息系统指导教师：朱耀庭;朱光喜2002.11.4华中科技大学博士学位论文摘要f虚拟现实技术是当前计算机领域中的一个重要分支，它在工业设计与制造、教育与培训、军事模拟与战场仿真、远程医疗与外科手术、娱乐与游戏等方面都将发挥重要作用，在未来的人机交互及远程通信方面将彻底改变目前的现有方式，是一项蓬勃发展而又充满生机的高新技术。虚拟现实技术中视景(虚拟场景)的建模与绘制始终是研究的核心问题，现有的两种建模与绘制

2、方式各有其优缺点。基于图形的建模与绘制(GBMR)的虚拟场景中，各虚拟对象具有几何结构的独立性和完整性，在纹理映射和光照模型的硬件支撑环境中具有一定的视觉真实感，在人机交互过程中虚拟对象各具属性和相应的操作方法，可与用户产生完整而独立的相互作用，但随着虚拟对象数量和结构精细程度的增加，系统的绘制能力会随着计算量的增大而急速下降，因此对于很复杂的虚拟场景GBMR将显得无能为力：基于图象的建模与绘制(IBMR)的虚拟场景中，各虚拟对象具有最好的视觉真实感且不依赖三维结构细节，建模与绘制的计算量与虚拟场景的复杂程度无关，但对于IBMR

3、虚拟场景，用户只能漫游其中，却不能操作，仅给用户提供了一个看得见摸不着的虚拟的观察环境。本文研究基于图形和图象的建模与绘制(G&IBMR)及其应用，取得了一些技术，指出了虚拟场景建立的瓶颈和基于图形和图象的建模与绘制的解决方向及虚实图象合成的重要性。基于时间(帧)的虚实图象合成研究的是虚拟场景图象序列和真实环境图象序列的合成输出问题。本文在湖北省重点科技发展项目“建筑设计方案计算机三维动画辅助评审系统”(鄂科字9500120号)的基础上研制了基于真实环境图象的三维动态仿真系统，在该系统中研究了一种基于单象空间后方交会解析摄影测量

4、技术一阶渐近迭代计算的求解虚拟摄像机参数的算法，同时提出了基于关键帧技术的适合于图象合成时计算分割区域随时间变化的动态掩模算法，提出了基于关键帧的闭合B样条曲线拟合真实环境图像序列分割边缘的动态掩模插值算法，提出了掩模分割曲线样本点运动关键帧的判定规则，实验结果表明本动态掩模插值算法是可行的并符合实用要求，还在太阳系行星运动规律的基础上，建立了适合于计算机虚拟三维世界坐标系的日照模型以及相应的求解任意时刻任意经纬度虚拟世界坐标位置处虚拟华中科技大学博士学位论文太阳光源方向和强度的算法。，用户化身问题是人机交互中的核心问题，本文提

5、出了基于会聚式双目立体视觉。酶夕亡自由度用户化身视觉模型并用于虚拟场景的成像变换，导出了用虚拟场景点的世界坐标和用户化身视觉模型的九个自由度变量表示的左、右双目虚拟摄像机的成像公式，求出了九自由度用户化身视觉模型的左、右双目成像的视差与场景点深度信息的关系及相应的解析表达式。结果表明了该模型的可行性和计算方法的可靠性，同时表明该模型比简单会聚式双目立体视觉模型更接近人的视觉习惯。本文还提出了基于双目视觉模型的立体全景图和用闭合B样条曲线对全景图中的虚对象作基于内容的分割及按对象的深度信息进行排序以构造G&IBMR虚拟场景的原理，

6、导出了基于平行双目视觉的立体全景图三维虚拟环境中的虚对象深度信息与视差的计算公式，提出了基于关键位置的分割模板变形和图象拼合的双线性内插算法，提出了以用户化身所捆绑的虚拟双目摄像机的变换驱动立体全景图作相应的变换从而达到虚、实对象之间透视关系和图象掩模关系实时一致的算法。在研究G&IBMR虚拟场景构成原理的基础上，本文将G&IBMR技术应用到虚拟演播室的研究中。研究了用跟踪器和测距器改进传统BETACAM摄像机并与主机软件模块进行链接而构造的虚拟演播室系统，提出了不同于计算机图形学中传统摄像机模型的相机一后相机偶合对模型以解决节

7、目主持人或演员对虚拟场景的融入问题，并与实际BETACAM摄像机进行捆绑，导出了以实拍BE，I’ACAM摄像机投影中心点深度信息为区分界限的关于虚拟场景的前景帧缓存和背景帧缓存的成象公式，提出了用等分抽取节目主持人图象边缘点作为型值点建立闭合B样条曲线拟合节目主持人图象并建立节目主持人后向阴影投射锥体而实时生成节目主持人后向阴影的算法，达到了实拍节目主持人视频图象与虚拟场景的计算机CG图象在空间位置及其透视投影关系、图象对象掩模关系上的实时一致的效果，实验结果表明文中所研制的虚拟演播室构造技术是可行的，比目前已有的基于抠象及与背

8、景合成的视频编辑技术的虚拟演播室技术更为理想和实用。在最后，本文对主要研究成果进行了概括和总结，并指出了本领域～些具有重大价值而需要进一步深入研究的问题和发展方向。】‘．／LJt、关键词·虚拟现实，用户化身，基于图形和图象的建模与绘制(G＆IBMR)，l∞鹕铴＼