虚拟现实中基于图形与图象的混合建模技术

摘要：

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虚拟现实技术的特征可用3个I，即Immersion(沉浸感,也称浸入感、临场感)、Interaction(交互性)、Imagination（想象力）［1～3］来描述.其中，沉浸感能使用户感受到真切地进入到虚拟空间之中，用户将感觉不到身体所处的外部环境，而“融合”到虚拟世界中去［4］；交互性则能使用户实时地控制虚拟空间中虚拟物体的行为，从而使用户感觉到自己是虚拟空间的主体，用户还可通过三维交互设备直接控制虚拟世界中的对象;而想象力则是人对虚拟空间的创造能力［5］.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以下两种，其一是基于计算机图形学的三维几何模型建模和绘制（Geometry-Based Modeling and Rendering——GBMR），又称为基于图形的建模和绘制（Graphics-Based Modeling and Rendering），但这种虚拟场景建模方法对硬件的计算能力和图形加速性能都有很高的要求，一般是用于基于高性能图形工作站的系统（因SGI图形工作站在3D图形的产生、处理、加速及显示方面的优势,故用于基于SGI图形工作站的VR系统居多）；另一种建模方式是近几年发展起来的基于图象的建模和绘制（Image-Based Modeling and Rendering——IBMR）技术，它是用待建三维虚拟空间的有限幅图象样本，在一定的图象处理算法和视觉计算算法的基础上，来直接构造三维场景［6］ .这两种建模方法各有优缺点，其中，基于计算机图形学的几何模型建模的优点是，便于用户与虚拟场景中虚拟对象的交互，以及能对虚拟对象的深度信息进行直接获取，但由于几何模型三维场景的真实感是建立在对几何物体表面材质的光照模型基础上的，其阴影和纹理要在基于某种光照模型的计算下，通过硬件绘制（Hardware rendering），并配以图形加速(Graphics accelerating)性能才能显示出来，这在场景模型比较复杂的情况下，将会因计算量较大，而使用户与虚拟场景无法实时交互，用户对场景中虚拟对象的操作也无法得到实时的反馈，明显的时延会使用户在生理和心理上感到难受，甚至引起某种疾病，即使目前最快的基于对称多处理（MIPS）和高速图形引擎的高性能图形工作站也无法对超过1 000万个以上三角面的几何场景进行纹理和阴影的实时绘制(Realtime Rendering)和加速显示，这将使场景的复杂度受到限制，从而也使在对复杂场景进行虚拟和仿真方面的应用（如虚拟战场和虚拟巡航制导等）难以实现；而基于图象的三维场景建模是在对场景已有图象集合处理的基础上生成的，其处理方法常用的有图象透视变换、图象拼合、图象变形、图象合成与裁剪等，它与几何模型场景的真实感图形生成算法相比，其计算量较小，也不受场景复杂度的限制，且对硬件的要求也不及几何建模那样高，还可以在微机上实现，但由于场景中的虚拟物体是图象中的二维对象，因而用户很难，甚至不能与这些二维对象进行交互.根据基于图象的虚拟环境生成的研究，其与计算机图形学中重构场景的根本区别在于:它不依赖于几何模型,而是利用事先获取的一组图象，来对环境进行编码，并通过这些图象适当地组合来生成位于不同视点的新视图，最终实现环境的完全漫游.这种方法的最大优点在于生成的环境是这组图象所反映的客观真实场景，因此特别适合于基于真实自然场景的仿真研究，如作战方案的决策模拟与战术仿真、飞行器(如巡航导弹)制导的人工干预、机场调度优化等应用场合的三维虚拟环境的建立.通常构造虚拟环境的图象集合往往来自于对真实环境的多视点柱面摄影图或多路轨迹视频摄像的采样，或由CAD模型场景生成的具有强烈真实感的人工图象序列.如今国内已有多家单位（包括清华大学计算机科学与技术系、国防科技大学计算机学院、浙江大学CAD&CG国家重点开放实验室、中科院计算技术研究所、西安交通大学人工智能与机器人研究所、哈尔滨工业大学计算机科学与技术系、北京航空航天工业大学等)均开展了对虚拟现实技术特别是基于图象的三维虚拟环境建模的研究，并取得了一批可喜的成果［7～16］.
笔者的研究工作着眼于基于图形与图象的混合建模技术.虽然这种基于图形与图象的混合建模技术可以集基于计算机图形学的三维几何模型建模、绘制与基于图象的建模、绘制的优点于一体，但是其实现也带来很多技术上的困难和人机交互的难度［17，18］.

机标关键词：虚拟现实技术、图形工作站、图象、虚拟场景建模、计算机、三维几何模型、用户、虚拟空间、三维虚拟环境、交互、建模和绘制、虚拟世界、虚拟对象、图形学、三维场景、大学、实时、科学与技术、处理、沉浸感

所属期刊栏目：6

分类号：TP391.9(计算技术、计算机技术)

在线出版日期：2004-01-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共6页

页码：96-102