虛擬現(xiàn)實(shí)及相關(guān)技術(shù)田景成

1、 虛擬現(xiàn)實(shí)及相關(guān)技術(shù)作者：田景成摘要: 虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界(Virtual World)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)是多種技術(shù)的綜合，其關(guān)鍵技術(shù)和研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面，環(huán)境建模技術(shù)、觸覺(jué)反饋、交互技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)。 1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界(Virtual World)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的基本特征：· 沉浸感(Iimmersion)是指用戶作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難以分辨真假的程度(例如可視場(chǎng)景應(yīng)隨著視點(diǎn)的變化而變化)，

2、甚至超越真實(shí)，如實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)實(shí)更逼真的照明和音響效果等。· 交互性(Iinteraction)是指用戶對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)的物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實(shí)時(shí)性)。例如，用戶可以用手直接抓取虛擬環(huán)境中的物體，這時(shí)手有觸摸感，并可以感覺(jué)物體的重量，場(chǎng)景中被抓的物體也立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。· 想象力(Imagination )是指用戶沉浸在多維信息空間中，依靠自己的感知和認(rèn)知能力全方位地獲取知識(shí)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，尋求解答，形成新的概念。 虛擬現(xiàn)實(shí)是一門直接來(lái)自于應(yīng)用的涉及眾多學(xué)科的新的實(shí)用技術(shù)，是集先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)等為一體的綜合集成

3、技術(shù)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展又特別依賴于人工智能、圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)、面向?qū)ο?、Client/Server、人機(jī)交互和高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是多種技術(shù)的綜合，其關(guān)鍵技術(shù)和研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：· 環(huán)境建模技術(shù)。虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容，環(huán)境建模的目的是獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。· 立體聲合成和立體顯示技術(shù)。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，如何消除聲音的方向與用戶頭部運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性已成為聲學(xué)專家們研究的熱點(diǎn)。同時(shí)，雖然三維圖形生成和立體圖形生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但復(fù)雜場(chǎng)景的實(shí)時(shí)顯示一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重

4、要研究?jī)?nèi)容。· 觸覺(jué)反饋。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，產(chǎn)生深臨其境效果的關(guān)鍵因素之一是讓用戶能夠直接操作虛擬物體并感覺(jué)到虛擬物體的反作用力。然而研究力學(xué)反饋裝置是相當(dāng)困難的，如何解決現(xiàn)有高精度裝置的高成本和大重量是一個(gè)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。· 交互技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)交互遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鍵盤和鼠標(biāo)的傳統(tǒng)模式，三維交互技術(shù)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)重要研究課題。此外，語(yǔ)音識(shí)別與語(yǔ)音輸入技術(shù)也是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一種重要人機(jī)交互手段。· 系統(tǒng)集成技術(shù)。由于虛擬現(xiàn)系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技

5、術(shù)、識(shí)別和合成技術(shù)等等。2 環(huán)境建模技術(shù)現(xiàn)在地環(huán)境建模方法主要有以下幾種：· Euclidean-geometry方法· Fractal-geometry方法· Physically Based Modeling· Image Based Rendering· 混合建模技術(shù)：Image Based Rendering和Image Based Rendering，是未來(lái)虛擬環(huán)境建模的發(fā)展方向。基于圖象的建模技術(shù)和混合建模技術(shù)的步驟和需要考慮的問(wèn)題。有效地獲取模型數(shù)據(jù)。虛擬化現(xiàn)實(shí)(Virtualized Reallity)的基本原理是采用攝像或掃描

6、的手段而不是傳統(tǒng)的建模手段來(lái)創(chuàng)建虛擬環(huán)境中的事件和對(duì)象。如果說(shuō)傳統(tǒng)的幾何建模技術(shù)是一個(gè)"虛物實(shí)化"的過(guò)程，那么虛擬化現(xiàn)實(shí)就是將現(xiàn)實(shí)世界中的事件和對(duì)象轉(zhuǎn)換成虛擬世界里的事件和對(duì)象，是一個(gè)"實(shí)物虛化"的過(guò)程。綜合運(yùn)用"虛物實(shí)化"和"實(shí)物虛化"，就可以使虛擬環(huán)境中既有計(jì)算機(jī)創(chuàng)造出來(lái)的虛擬實(shí)體，又有真實(shí)世界中的景物。為獲取虛擬化所需要的數(shù)據(jù)，一般采用從多個(gè)不同角度拍攝的攝像機(jī)來(lái)記錄對(duì)象。通過(guò)從不同拍錄角度獲取場(chǎng)景描述，可以得到場(chǎng)景的圖象；通過(guò)多基線立體化方法MBS (Multi-basedline Stereo)（MBS的

7、基本原理是，若用兩架具有同樣焦距、所處位置不同的照相機(jī)拍攝同一物體，則物體上同一點(diǎn)在兩幅畫面中的差距與兩架照相機(jī)之間的距離有相關(guān)性）進(jìn)行計(jì)算深度信息。深度信息和圖象的結(jié)合一般稱為場(chǎng)景描述(Sence Description)。利用多個(gè)場(chǎng)景描述就可以從任意視角合成場(chǎng)景。一旦現(xiàn)實(shí)世界被虛擬化，就可以用圖形技術(shù)(主要是基于圖象的繪制技術(shù))從任意角度來(lái)繪制一個(gè)對(duì)象。通過(guò)跟蹤觀察者的位置和方向可以動(dòng)態(tài)選擇出最接近觀察者的拍錄角度的場(chǎng)景描述。穿帶著特殊設(shè)備的觀察者可以在虛擬化世界中自由移動(dòng)，并在觀看時(shí)從一個(gè)動(dòng)態(tài)選擇的角度來(lái)進(jìn)行觀察。為了能夠較快地生成各種視景，一般先采用多邊形網(wǎng)格法生成場(chǎng)景描述，但由于采樣

8、精度高，由此建立起的三維模型的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了當(dāng)前計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)的圖形處理能力。如何降低這些模型的復(fù)雜度，減少圖形系統(tǒng)需處理的多邊形數(shù)目，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究中的一個(gè)重大課題。為此人們提出了各種方法，細(xì)節(jié)層次LoD(level of detail)便是其中一種非常有效的控制場(chǎng)景復(fù)雜度的方法。3 三維交互設(shè)計(jì)和制造出性能優(yōu)越的三維交互設(shè)備是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵。三維交互設(shè)備可以分為兩類，即三維顯示設(shè)備和三維控制設(shè)備。常見(jiàn)的三維顯示設(shè)備有頭盔式顯示器和立體眼鏡等。頭盔式顯示器采用立體圖繪制技術(shù)來(lái)產(chǎn)生兩幅相隔一定間距的透視圖，并直接顯示到對(duì)應(yīng)于用戶左、右眼的兩個(gè)顯示器上。新型的頭盔式顯

9、示器都配以磁定位傳感器，可以測(cè)定用戶的視線方向，使場(chǎng)景能夠隨著用戶視線的改變而作出相應(yīng)的變化。所有三維空間控制設(shè)備的共同特征是至少能夠控制六個(gè)自由度(Degree of Freedom)，對(duì)應(yīng)于描述三維對(duì)象的寬度、高度、深度、俯仰(pitch)角、轉(zhuǎn)動(dòng)(yaw)角和偏轉(zhuǎn)(roll)角。常見(jiàn)的三維控制設(shè)備有數(shù)據(jù)手套、跟蹤球、三維探針、三維鼠標(biāo)器及三維操作桿等。數(shù)據(jù)手套的出現(xiàn)，為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了一種全新的交互手段，目前的產(chǎn)品已經(jīng)能夠檢測(cè)手指的彎曲，并利用磁定位傳感器來(lái)精確地定位出手在三維空間中的位置。這種結(jié)合手指彎曲度測(cè)試和空間定位測(cè)試的數(shù)據(jù)手套被稱為"真實(shí)手套"，可以為用戶

10、提供一種非常真實(shí)自然的三維交互手段。其他控制設(shè)備都是對(duì)相應(yīng)二維設(shè)備的三維擴(kuò)展，即在原來(lái)的二維的基礎(chǔ)上增加了第三維方向。人類對(duì)對(duì)三維空間的想象和接受能力比二維空間弱得多，因此這種擴(kuò)展決不僅僅是簡(jiǎn)單意義上的功能擴(kuò)充，這當(dāng)中涉及大量的研究工作。三維交互技術(shù)則使用三維輸入輸出設(shè)備來(lái)完成交互任務(wù)，主要的技術(shù)難點(diǎn)是如何在三維空間中直接完成定位、拾取與勾畫等交互操作。4 基于圖象的繪制技術(shù)傳統(tǒng)的圖形繪制技術(shù)在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件仍無(wú)法實(shí)時(shí)繪制簡(jiǎn)化后的場(chǎng)景幾何?；趫D象的繪制技術(shù)(Image Based Rendering)基于一些預(yù)先生成的場(chǎng)景畫面，對(duì)接近于視點(diǎn)或視線方向的畫面進(jìn)行變換、插值與變形，從而快速得到

11、當(dāng)前視點(diǎn)處的場(chǎng)景畫面。與基于幾何的傳統(tǒng)繪制技術(shù)相比，這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：1. 圖形繪制獨(dú)立于場(chǎng)景復(fù)雜性，僅與所要生成畫面的分辨率有關(guān)；2. 預(yù)先存儲(chǔ)的圖象(或環(huán)境映照)既可以是計(jì)算機(jī)合成的，也可以是實(shí)際拍攝的畫面，兩者可以混合使用；3. 算法對(duì)計(jì)算資源的要求不高，可以在普通工作站和個(gè)人計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場(chǎng)景的實(shí)時(shí)顯示。目前基于圖象的繪制技術(shù)研究重點(diǎn)在如下幾個(gè)方面：· 分層繪制技術(shù)，· 有效的、適合于實(shí)時(shí)繪制的三維重建技術(shù)，· 表面反射屬性的快速重建?；趫D象的繪制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。源于在圖形學(xué)中廣泛使用的紋理映射。這種方法將紋理圖象映射到簡(jiǎn)單景物的幾何表面，以近似描述

12、表面的紋理細(xì)節(jié)。用戶可取不同的位置和角度來(lái)觀察這些景物，在不同視點(diǎn)和視線方向上，景物表面的繪制過(guò)程實(shí)際上是紋理圖象在取景變換之后的簡(jiǎn)單景物幾何上的重投影變形的過(guò)程。在紋理映射的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了環(huán)境映照方法，采用紋理圖象來(lái)表示景物表面的鏡面反射和規(guī)則透射效果。具體來(lái)說(shuō)，一點(diǎn)處的環(huán)境映照可通過(guò)取該點(diǎn)為視點(diǎn)，將周圍場(chǎng)景投影變形到一個(gè)中間面上來(lái)得到，中間面可取球面、立方體、圓柱面等。這樣，當(dāng)通過(guò)該點(diǎn)沿任何視線方向觀察場(chǎng)景時(shí)，環(huán)境映照都可提供場(chǎng)景的完全、準(zhǔn)確的視圖?；谶@種策略，Eric Chen設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)QuickTime VR，通過(guò)在場(chǎng)景的離散采樣點(diǎn)處預(yù)先建立環(huán)境映照，從而可使用戶在虛擬環(huán)境

13、中實(shí)時(shí)地從一個(gè)采樣點(diǎn)漫游到另一個(gè)采樣點(diǎn)處。這類系統(tǒng)的主要缺陷在于漫游過(guò)程中視點(diǎn)只能位于固定的網(wǎng)格點(diǎn)上，而不能提供場(chǎng)景的連續(xù)視圖，產(chǎn)生跳躍感。事實(shí)上，上述投影變形技術(shù)存在很大局限性，只適用于在固定視點(diǎn)旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)的情況，而無(wú)法處理攝像機(jī)位置移動(dòng)的情況。當(dāng)平移攝像機(jī)時(shí)，由于景物前后遮擋關(guān)系和改變，所得圖像并不完全是原存儲(chǔ)圖像的重新投影和簡(jiǎn)單變形，其畫面內(nèi)容在局部區(qū)域中發(fā)生變化。解決這一問(wèn)題的有效方法是在原給定的圖象序列中引入可見(jiàn)點(diǎn)的深度，以提供原始場(chǎng)景的部分三維信息。具體作法是利用給定畫面上可見(jiàn)點(diǎn)的深度值，局部重建場(chǎng)景的三維幾何，并基于這些三維信息對(duì)可見(jiàn)點(diǎn)直接進(jìn)行投影變換，或建立該畫面與其相鄰畫面象

14、素的對(duì)應(yīng)關(guān)系。使用前一種方法，由單幅畫面即可生成相鄰視點(diǎn)處新的圖象，而后一種方法則需給定若干幅相鄰的深度圖象。利用這種基于深度信息的投影變形技術(shù)，可以在不同視點(diǎn)的圖象序列之間生成連續(xù)過(guò)渡的中間畫面，若在預(yù)處理中已生成好場(chǎng)景中各采樣點(diǎn)處的深度全景圖象，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的連續(xù)漫游，漫游過(guò)程中不再出現(xiàn)跳躍感。這種基于可見(jiàn)點(diǎn)深度信息的重投影過(guò)程在理論上很合理，但缺點(diǎn)是在所生成的中間畫面上可能存在空洞，這是由于所給定的圖象無(wú)法提供中間畫面空洞處可見(jiàn)點(diǎn)的信息而造成的?？斩吹奶钛a(bǔ)是一個(gè)非常復(fù)雜、計(jì)算量很大的過(guò)程。光場(chǎng)重建(Light Field Recontruction)技術(shù)是在全景函數(shù)重建技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的

15、一種新的基于圖像的繪制技術(shù)。一般地，全景函數(shù)由一參數(shù)方程來(lái)描述，定義了空間任一處、在任何時(shí)刻和任一波長(zhǎng)范圍內(nèi)場(chǎng)景中的所有可見(jiàn)信息。全景函數(shù)事實(shí)上刻劃了一給定場(chǎng)景的所有可能的環(huán)境映照，因而以圖象的方式給出了場(chǎng)景的精確描述。為生成一幀給定視點(diǎn)沿特定方向的視圖，只需將視點(diǎn)V(Vx , Vy , Vz)和球面角、及時(shí)刻t代入全景函數(shù)即可。這其實(shí)是對(duì)全景函數(shù)的采樣過(guò)程，所得視圖即為全景函數(shù)的一個(gè)樣本。因此，基于圖象的圖形繪制問(wèn)題可描述為：給定全景函數(shù)的離散樣本集合，生成該全景函數(shù)的一個(gè)連續(xù)表示?；谶@一描述，基于圖象的繪制過(guò)程可分解為全景函數(shù)的采樣、重建和重采樣三個(gè)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，全景函數(shù)的獲取是非常困

16、難的，這是由于所包含的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前計(jì)算機(jī)的處理能力。所謂混合式基于圖象的繪制技術(shù)，指的就是同時(shí)采用幾何及圖象作為基本元素來(lái)繪制畫面的技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)地將部分場(chǎng)景簡(jiǎn)化為映射到簡(jiǎn)單幾何體上的紋理圖象，若簡(jiǎn)化引起的誤差小于給定閾值，就直接利用紋理圖象取代原場(chǎng)景幾何來(lái)繪制畫面。簡(jiǎn)單幾何面置于被簡(jiǎn)化景物的中心，而簡(jiǎn)化誤差被嚴(yán)格控制在給定的閾值內(nèi)。這種繪制技術(shù)可以在一定誤差條件下，以較小的代價(jià)來(lái)快速生成場(chǎng)景畫面，同時(shí)仍保持正確的前后排序，所生成的圖形質(zhì)量也很高。1996年Shade等人提出了層次圖象存儲(chǔ)算法(Hierarchical Image Caching Algorithm)。

17、該算法的基本出發(fā)點(diǎn)是，當(dāng)景物離視點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，在前后兩幀畫面上投影位置的變化非常小。因此，若將這些遠(yuǎn)距離景物在前一幀畫面中的投影圖象存儲(chǔ)起來(lái)，并以該圖象作為紋理映射到一簡(jiǎn)單幾何體上，以近似取代該景物在其后續(xù)畫面中的繪制，就能有效地減少當(dāng)前視域中的可見(jiàn)面片，從而極大地提高畫面的繪制效率。但是，當(dāng)場(chǎng)景中有很多可見(jiàn)景物時(shí)，利用上述方法將產(chǎn)生非常多的紋理圖象，需占用大量存儲(chǔ)空間。為此，Shade等人利用二叉剖分技術(shù)(Binary Space Partition)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行層次剖分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)中的所有景物根據(jù)其距離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近，動(dòng)態(tài)地在幾何描述和紋理圖象之間切換。這一算法的主要貢獻(xiàn)在于給出了一種紋理表示與原景物

18、幾何描述間的誤差估計(jì)，并給出了視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的安全區(qū)域。但該算法由于采用從后至前的繪制順序來(lái)生成畫面，因而對(duì)于高度復(fù)雜的場(chǎng)景，算法的效率將受到嚴(yán)重的影響。為了提高繪制精度，Sillion等利用帶紋理的多邊形網(wǎng)格來(lái)逼近遠(yuǎn)距離景物，而近景則仍采用傳統(tǒng)的幾何繪制技術(shù)?？紤]到對(duì)于高度復(fù)雜場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，將遠(yuǎn)距離景物簡(jiǎn)經(jīng)成其紋理表示仍是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程，Sillion等采用預(yù)處理的方法來(lái)生成在不同視點(diǎn)范圍處的遠(yuǎn)景紋理圖象網(wǎng)格。與Shade的算法相比，這一算法具有更高的逼近精度。P. E. Devevect等人也提出了一種混合方法，用于通過(guò)照片重構(gòu)建筑物的幾何模型及進(jìn)行繪制。這種方法的理論基礎(chǔ)是照象測(cè)量法(Phot

19、ogrammetirc)，包括來(lái)自計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究領(lǐng)域的光學(xué)校準(zhǔn)和從連續(xù)運(yùn)動(dòng)圖象中構(gòu)造三維模型等一系列技術(shù)。該方法包含兩部分內(nèi)容，即三維模型重構(gòu)和基于重構(gòu)模型的繪制。在模型重構(gòu)階段，系統(tǒng)識(shí)別出原始圖象中建筑物的大致輪廓，由用戶確定某一輪廓線在不同原始圖象中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)根據(jù)照象測(cè)量法通過(guò)約束求解自動(dòng)建立起建筑物的基本三維幾何模型，即由若干基本體元所組成的參數(shù)化層次模型。在繪制階段，利用基于視向的紋理映射將各原始圖象中的適當(dāng)部分映射到重構(gòu)的模型上。重構(gòu)的模型僅由簡(jiǎn)單的幾何體組成，是對(duì)實(shí)際建筑物的粗略近似。為了減少映射時(shí)產(chǎn)生的誤差，該方法引入了立體成像技術(shù)，利用幾何模型在另一方向上生成一幅參考畫面

20、，與該方向上實(shí)際拍攝的畫面加以比較，通過(guò)透視關(guān)系就可以求出特定點(diǎn)偏離幾何模型的位移量。與其他方法相較，這種方法只需要用少得多的實(shí)拍畫面就可以對(duì)復(fù)雜建筑物進(jìn)行建模與繪制。表面反射屬性的重建由圖象重建表面幾何和由圖象重建表面反射屬性是基于圖象的繪制技術(shù)中兩個(gè)主要的研究方向。上面介紹的各種方法均假設(shè)景物表面為漫反射表面，且在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中場(chǎng)景的光照情況保持不變。顯然，這種假設(shè)是理想化的，與實(shí)際應(yīng)用具有很大的差距。因此，基于圖象的繪制技術(shù)必須在重建三維幾何的同時(shí)也重建景物表面的光照屬性。早在1992年，Haeberli就利用簡(jiǎn)單的迭加原理來(lái)重新繪制場(chǎng)景，但該算法要求場(chǎng)景中光源的類型與數(shù)量必須與原圖象一

21、致。之后，Nimeroff等人利用天空光的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀行У赜梢阎獔D象重新繪制了在不同自然照明(如陰天、晴天)條件下的場(chǎng)景。但這一方法只能處理受太陽(yáng)和天空光照射的室外場(chǎng)景，且視點(diǎn)是固定的。后來(lái)，Belhumeur和Krieguman利用奇異值分解技術(shù)從原始參考圖象中抽取一組基圖象，新的圖象則通過(guò)線性組合這些基圖象得到。因此，問(wèn)題的關(guān)鍵是如何根據(jù)光源及景物表面的反向?qū)傩詠?lái)確定組合系數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，這種關(guān)系的確定是非常困難的，所以有這種方法生成的新圖象僅是一種近似。目前，該算法只能處理漫射表面。最近，許多研究者在研究恢復(fù)表面的反射屬性時(shí)，引入了場(chǎng)景的幾何信息，從而更有效地處理這一問(wèn)題。Seitz等人利用

22、體元填色 (Voxel Coloring)技術(shù)構(gòu)造了一個(gè)中間可編輯的體元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣用戶就可在不同的照明條件下由這些幾何數(shù)據(jù)重新繪制畫面。但是，這一方法僅適合于朗伯漫反射模型。俞益洲等人利用光度學(xué)理論，給出了恢復(fù)建筑物表面的雙向反射率的具體算法，從而實(shí)現(xiàn)了由一幅參考圖象生成在不同時(shí)間及光照條件下該場(chǎng)景的新畫面。T. T. Wong也考慮了雙向反射率的重建問(wèn)題。Devevec則通過(guò)恢復(fù)景物表面的雙向反射率(BRDF)來(lái)將虛擬景物自然地迭加到實(shí)拍圖象中，使虛擬景物與實(shí)際場(chǎng)景具有相同的光照條件。該算法通過(guò)測(cè)量場(chǎng)景的輻射和整體照明情況，并利用場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)深度圖象模型來(lái)照明虛擬景物。Devevec的方法

23、是一個(gè)將虛擬景物繪制到實(shí)際場(chǎng)景(圖象)中去的一般方法。從目前的研究狀況來(lái)看，對(duì)景物表面反射屬性重建的研究還剛剛起步，有許多問(wèn)題需要解決。盡管有些算法已有較好的模擬結(jié)果，但其計(jì)算量非常大，難以做到實(shí)時(shí)顯示。5 多分辨率模型和三維幾何壓縮高精度的掃描測(cè)繪手段為復(fù)雜物體基于多邊形網(wǎng)格表示的三維幾何建模提供了新的高效手段，但由于采樣精度高，由此建立起的三維模型的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了當(dāng)前計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)的圖形處理能力。如何降低這些模型的復(fù)雜度，減少圖形系統(tǒng)需處理的多邊形數(shù)目，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究中的一個(gè)重大課題。為此人們提出了各種方法，細(xì)節(jié)層次LoD(level of detail)便是其中一

24、種非常有效的控制場(chǎng)景復(fù)雜度的方法。所謂LoD技術(shù)，就是在實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中所采用的細(xì)節(jié)省略(Detail Elision)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)首先由Clark于1976年提出，基本思想是：如果用具有多層次結(jié)構(gòu)的物體集合描述一個(gè)場(chǎng)景，即場(chǎng)景中的物體具有多個(gè)模型，其模型間的區(qū)別在于細(xì)節(jié)的描述程度，那么實(shí)時(shí)顯示時(shí)，細(xì)節(jié)較簡(jiǎn)單的物體模型就可以用來(lái)提高顯示速度。實(shí)時(shí)顯示時(shí)，模型的選擇取決于物體的重要程度，而物體的重要程度由物體在圖象空間所占面積等多種因素確定。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，場(chǎng)景中的物體通常是用多邊形網(wǎng)格描述的，因此LoD模型的自動(dòng)生成就轉(zhuǎn)化為三維多邊形網(wǎng)格的簡(jiǎn)化問(wèn)題。LoD模型的缺點(diǎn)是所需存儲(chǔ)量大。當(dāng)使用Lo

25、D模型進(jìn)行繪制時(shí)，有時(shí)需要在不同的LoD模型間進(jìn)行切換，這樣就需要生成多個(gè)LoD模型。此外，離散LoD模型無(wú)法支持模型間的連續(xù)過(guò)渡。為此，人們開始研究多分辨率模型。嚴(yán)格地講，多分辨率模型是指一種緊湊的模型表示方法，從這個(gè)表示中可以生成任意多個(gè)不同分辨率的模型，一個(gè)典型的代表是Microsoft公司的Hoppe提出的累進(jìn)網(wǎng)格。不過(guò)，由于有些網(wǎng)格簡(jiǎn)化方法能夠生成連續(xù)的LoD模型，因而在一些文獻(xiàn)中，也把這類模型統(tǒng)稱為多分辨率造型。為了生成LoD模型，近幾年來(lái)研究人員提出了多種多邊形網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法。網(wǎng)格簡(jiǎn)化的目的是將一個(gè)用多邊形網(wǎng)格表示的模型表示為一個(gè)近似模型，近似模型基本保持了原模型的可視特征，但頂點(diǎn)

26、數(shù)目少于原始網(wǎng)格的頂點(diǎn)數(shù)目。通常的做法是把一些不重要的圖元(頂點(diǎn)、邊或三角形)從多邊形網(wǎng)格中移去。目前主要有兩類多邊形網(wǎng)格簡(jiǎn)化方法：基于幾何特征識(shí)別方法和基于小波變換的方法。小波變換是八十年代后期發(fā)展起來(lái)的數(shù)學(xué)分支，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景，其中多尺度分析MRA (Multiresolution Analysis)是一個(gè)重要方面?；贛RA的簡(jiǎn)化網(wǎng)格是對(duì)原始網(wǎng)格的簡(jiǎn)單近似，被省略的細(xì)節(jié)可以通過(guò)一系列的小波基重構(gòu)出來(lái)。盡管小波計(jì)算的復(fù)雜性影響了這類方法的應(yīng)用，但這類方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，利用經(jīng)過(guò)處理的小波基序列，只需要很少的面片就可以逼近原始網(wǎng)格，在構(gòu)造多分辨率模型、三維幾何數(shù)據(jù)壓縮、模

27、型的分級(jí)傳輸和LoD控制等應(yīng)用中有著無(wú)可比擬的實(shí)用價(jià)值，因此逐漸成為模型簡(jiǎn)化的研究熱點(diǎn)。基于幾何特征識(shí)別的模型簡(jiǎn)化方法根據(jù)對(duì)原始模型的逼近精度要求，識(shí)別并保留模型中的幾何特征信息、消除冗余信息，從而達(dá)到模型簡(jiǎn)化目的。有了快速、可靠的模型簡(jiǎn)化方法，只要給出不同的逼近精度要求，即可構(gòu)造出層次化模型。各種基于幾何特征的模型簡(jiǎn)化算法可以按如下幾種方式進(jìn)行分類：(1) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法· 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持型。· 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非保持型。(2) 自適應(yīng)細(xì)分型、采樣型與幾何元素刪除型· 自適應(yīng)細(xì)分型，要求首先建立原始模型的最簡(jiǎn)化形式，然后根據(jù)一定的規(guī)則，通過(guò)細(xì)分把細(xì)節(jié)信息增加到簡(jiǎn)化模型中，從

28、而得到較細(xì)的LoD表示。· 采樣，類似于圖象處理中的濾波方法，有時(shí)不能保持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變。這類方法對(duì)原始模型的幾何表示進(jìn)行采樣，其中一種方法是從模型表面選擇一組點(diǎn)；另一種方法是把一個(gè)三維網(wǎng)格覆蓋到模型上，并對(duì)每個(gè)3D網(wǎng)格單元進(jìn)行采樣。· 幾何元素刪除型，通過(guò)重復(fù)地把幾何元素(點(diǎn)、邊或面)從三角形中移去，從而得到簡(jiǎn)化模型。有三種形式的刪除：直接刪除；通過(guò)合并兩個(gè)或多個(gè)面來(lái)刪除邊或面；以及對(duì)邊或三角形進(jìn)行折疊。移去或刪除操作反復(fù)進(jìn)行，直到模型不能被簡(jiǎn)化或達(dá)到了用戶指定的近似誤差為止。在進(jìn)行幾何元素刪除時(shí)，絕大多數(shù)算法要求不能破壞模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。大多數(shù)模型簡(jiǎn)化算法都屬這一類。(3)

29、 局部與全局算法· 全局算法是指對(duì)整個(gè)環(huán)境的簡(jiǎn)化過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，而不僅僅根據(jù)局部特征來(lái)確定刪除哪些不重要的圖形元素。有些全局算法中也使用到一些局部算法的特征。· 局部算法是指應(yīng)用一組局部規(guī)則，僅考慮物體的某個(gè)局部區(qū)域的特征對(duì)物體進(jìn)行簡(jiǎn)化。(4) 其他分類方法，如視點(diǎn)相關(guān)、誤差可控性及實(shí)時(shí)性等· 視點(diǎn)相關(guān)性：把算法分為兩大類，即與視點(diǎn)無(wú)關(guān)的模型簡(jiǎn)化算法和與視點(diǎn)有關(guān)的模型簡(jiǎn)化方法。早期的算法都與視點(diǎn)無(wú)關(guān)，近兩年出現(xiàn)了一些與視點(diǎn)相關(guān)的方法，這是一個(gè)重要的發(fā)展趨。· 誤差可控性：有兩層含義，一是用戶對(duì)整個(gè)模型的近似誤差是否可以控制(全局)；二是指用戶對(duì)局部誤差是否

30、可以控制。一進(jìn)步講，用戶可以有選擇地對(duì)模型的不同部分使用不同的誤差度量。· 實(shí)時(shí)性：模型簡(jiǎn)化的目的就是為了加快繪制速度，達(dá)到實(shí)時(shí)圖形生成。這種分類方法有一定的模糊性，原因是時(shí)性與所使用的計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度有關(guān)。模型簡(jiǎn)化的算法很多，現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹幾種主要的模型簡(jiǎn)化算法如下：· Schroeder的頂點(diǎn)刪除法，基本思路是指定一個(gè)最小的距離閾值，如果模型中某頂點(diǎn)到由該頂點(diǎn)定義的平均平面的距離小于該閾值，則刪除該頂點(diǎn)，并采用遞歸循環(huán)分割法對(duì)刪除頂點(diǎn)后遺留的空洞進(jìn)行三角剖分，通過(guò)調(diào)整距離閾值大小可生成層次化模型。Schroeder將該技術(shù)應(yīng)用于從醫(yī)學(xué)CT數(shù)據(jù)中抽取的等值面模型及地形模型的簡(jiǎn)

31、化，大量消減了原模型中的三角形數(shù)，同時(shí)保留了原模型的幾何特征。Schroeder算法簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高。· Turk的重新布點(diǎn)法，基本思路是指定一個(gè)新模型所包含的頂點(diǎn)數(shù)，首先將這些點(diǎn)布置在曲面上，原則是面積大的多邊形內(nèi)多布一些點(diǎn)，曲率變化大的多邊形內(nèi)多布一些點(diǎn)，新點(diǎn)集合中可以包含原模型中的點(diǎn)；第二步生成由新舊頂點(diǎn)共存的網(wǎng)格，即將新點(diǎn)插入到原模型中，修改原模型網(wǎng)格；最后刪除模型中不在新點(diǎn)集中的頂點(diǎn)，得到由新布點(diǎn)集合中的頂點(diǎn)組成的簡(jiǎn)化模型。通過(guò)調(diào)整新模型中的頂點(diǎn)數(shù)，可以生成層次化模型。這種方法僅適用于光滑曲面，且簡(jiǎn)化模型中引入了新點(diǎn)。· Hoppe的能量函數(shù)法，其中能量函數(shù)由三部

32、分組成：距離能量、表示能量及彈簧能量。其中距離能量反映原始頂點(diǎn)集與簡(jiǎn)化模型的距離偏差。該能量越小，表明簡(jiǎn)化模型對(duì)原始模型的逼近精度越高。表示能量定義為表示因子Crep與模型頂點(diǎn)數(shù)m的乘積，Crep值越大，表明模型表示的簡(jiǎn)潔性越重要，Crep值越小，表明對(duì)原模型的逼近精度要求越高，因此通過(guò)指定不同的Crep值，可以控制模型的復(fù)雜度，構(gòu)造層次化模型。這種方法的特點(diǎn)是用能量函數(shù)的變化指導(dǎo)網(wǎng)格簡(jiǎn)化，通過(guò)在能量函數(shù)中加入一項(xiàng)表示能量將網(wǎng)格簡(jiǎn)化視作一個(gè)網(wǎng)格優(yōu)化過(guò)程，通過(guò)能量函數(shù)中的距離能量變化反映出簡(jiǎn)化后的模型對(duì)原始模型的逼近程度。Hoppe給出了對(duì)三維掃描儀測(cè)量的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化的實(shí)例，效果十分理想，但

33、算法的執(zhí)行效率很低。· Hinker的合并共面多邊形法，通過(guò)找出最大法矢夾角在某一給定值之間的一組多邊形，將其看作近似共面的多邊形，把這組多邊形合并成一個(gè)多邊形，對(duì)合并后的多邊形進(jìn)行三角剖分。其他方法還有：頂點(diǎn)簇(Vertex Clustering)方法、Hamann的三角形刪除法、Rofard的邊退化法、基于八叉樹表示的模型簡(jiǎn)化方法、基于簡(jiǎn)化信封(Simplification Envelope)的模型簡(jiǎn)化方法、基于感知系統(tǒng)的模型簡(jiǎn)化方法、基于超曲面(Superface)的模型簡(jiǎn)化方法、基于體素表示的模型簡(jiǎn)化方法等。此外，Renzen提出了一種通用的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格簡(jiǎn)化方法，特別是解決了四面體網(wǎng)格的簡(jiǎn)化問(wèn)題，即體簡(jiǎn)化(Volume Decimation)方法。體簡(jiǎn)化比面簡(jiǎn)化(Surface Decimation)難度要大，因?yàn)槊婧?jiǎn)化過(guò)程中，刪除一個(gè)頂點(diǎn)，與該頂點(diǎn)相連的頂點(diǎn)可以按逆時(shí)針排序；而體簡(jiǎn)化過(guò)程中，刪除一個(gè)頂點(diǎn)，包圍該頂點(diǎn)的若干三角形面片無(wú)法進(jìn)行排序，因此一般的面簡(jiǎn)化方法無(wú)法直接推廣到體簡(jiǎn)化。Renzen的方法實(shí)際上可分為兩步，第一步，即對(duì)刪除頂點(diǎn)后遺留的空殼體進(jìn)行四面體剖分；第二步即解決剖分后存在的拓?fù)洳幌嗳輪?wèn)題。參考文獻(xiàn)1 Donald Hearn, M. Pauline Baker. Computer Grap