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计算机虚拟现实仿真技术介绍
2010年7月28日    评论:    分享:

      (山东省数字媒体重点实验室 韩慧健)

    一、视景仿真及其相关技术的概念

    1 前言

    作为信息技术核心的计算机技术自其诞生之日起经历了50多年的发展,以广泛应用于国民经济和社会生活中。而作为计算机技术重要组成部分的计算机三维视景仿真技术,因其有效性、经济性、安全性、直观性等特点而受到广泛的应用。它是在计算机图形学基础上发展起来的一种仿真应用技术。

    据最新统计资料表明,计算机仿真技术是当前应用最广泛的实用技术之一,虚拟现实(VR, Virtual Reality)是计算机世界最热门的一个词汇。视景仿真技术是计算机仿真技术的重要分支,是计算机技术、图形图像处理与生成技术、多媒体技术、信息合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用。

    2 计算机图形学

    人认识自然首先是靠眼睛观察事物的外表形象,人脑擅长形象思维,而计算机擅长逻辑思维。例子:孩子认识妈妈和学会1+1=2。让计算机观察、认识表达物体是比较困难的。

    计算机图形学是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示图形的一门学科,它的发展、成长、普及滞后于计算机发展很多年。但目前随着硬件(光栅扫描式显示器)和图形软件(如cad 、3dmax等)的发展,使得计算机图形学进入了发展的广阔天地。

    计算机图形学的任务 : 是用计算机从无到有生成景物的数字模型,并将它显示在计算机屏幕上,或者绘制成纸张和胶片上的图形。

    它所研究的主要对象是:  景物的几何建模方法,数字模型的绘制技术,图形输入和控制的人机交互界面,以及计算机动画。

    3 计算机图形学的应用

    计算机图形学的应用可以说无处不在,计算机动画和科学计算可视化成为计算机图形学最为成功的两大应用领域。

    (1)科学计算可视化

    计算机的飞速发展,使得科学家与工程师们可以处理滚滚而来的信息洪流,每天从地面、海上、空间传来大量数据,远远超过人脑分析解释这些数据的能力,由于缺乏对大量数据的有效分析手段,大约95%的信息被浪费掉,严重阻碍了科学研究的进展,科学家们惊呼“我们能够做到的仅仅是收集部分数据。”,这样,一门全新的技术“可视化”(visualization)应运而生。可视化的本质是“用图形与图象表征数据”。

    直观地讲,是研究: 如何把科学数据,无论是通过计算还是从测量获得的数值,或是从卫星传回来的图象,或是医学CT(计算机层面X射线照相)和MRI(核磁共振成像)转换成可视的、能帮助科学家理解的信息的计算方法。简而言之,科学计算可视化是把计算机图形学与图象处理技术应用于计算科学的学科。

    它研究两方面的内容:(a)如何把科学数据-数值与图像,转变成可视的图形(图象)与可理解的信息的工具 。(b)研究把可视化工具应用于科学和工程的各个学科。

天气数据可视化
天气数据可视化

    (2)计算机动画

    在计算机引入动画制作的初期,动画技术只是用于自动控制动画制作的机械设备,如摄像机和动画控制台。

    随着计算机图形图象处理技术的迅速发展,计算机在动画制作中的应用范围越来越广,目前应用分两类:计算机辅助动画(即二维动画)和计算机生成动画(即三维动画)。三维动画其三维数据在计算机内部生成,其运动轨迹也是在计算机内部以三维数据确定。动画技术作为一种表达第四维信息的技术,不仅可以用来表达时间的变化,也可以用于表示其它参数的变化。

    计算机图形学中的三维图形知识应用在可视化技术中,使得人们能够利用计算机在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行操作,并和它们直接交流,可视化技术赋予人们对物体进行仿真并且实时交互的能力。把人和机器以一种直观自然的方式加以统一,可以在三维图形世界里以前所未有的手段获取信息并发挥自己思维得创造性。如设计三维机械零件模型。

    三维图形应用于动画技术,生成三维动画,可以使得设计师随心所欲发挥自己得想象力。如设计高难度的影视片断和广告,电影《泰坦尼克号》、《侏罗纪公园》、《终结者II》等精彩得电影镜头就是计算机动画和实景无缝结合的产物。

侏罗纪公园
侏罗纪公园

    4、仿真的发展

    根据国际标准化组织(ISO)标准中得《数据处理词汇》部分的名次解释,“模拟”(Simulation)与“仿真”(Emulation)两词含义分别为:“模拟”即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征,用另一系统来表示它们的过程。“仿真”即用另一数据处理系统,主要是用硬件来全部或部分地模仿某一处理系统,以至于模仿的系统能象被模仿的系统一样接受同样的数据,执行同样的程序,获得同样的结果。目前“模拟”和“仿真”两者所包含的内容都归于“仿真”的范畴,用“Simulation”来代表。

    仿真又称蒙特卡罗方法,它是一种通过用随机数做实验来求解随机问题的技术。蒙特卡罗(Monte Carlo)方法,又称随机抽样或统计试验方法,属于计算数学的一个分支,它是在本世纪四十年代中期为了适应当时原子能事业的发展而发展起来的。

    蒙特卡罗方法的基本思想是:当所要求解的问题是某种事件出现的概率,或者是某个随机变量的期望值时,它们可以通过某种“试验”的方法,得到这种事件出现的频率,或者这个随机变数的平均值,并用它们作为问题的解。

    蒙特卡罗方法通过抓住事物运动的几何数量和几何特征,利用数学方法来加以模拟,即进行一种数字模拟实验。它是以一个概率模型为基础,按照这个模型所描绘的过程,通过模拟实验的结果,作为问题的近似解。可以把蒙特卡罗解题归结为三个主要步骤:构造或描述概率过程;实现从已知概率分布抽样;建立各种估计量。

    蒙特卡罗方法起源于1876年,但是直到75年后才被命名,原因是直到数字计算机出现之前,这种方法在许多重要问题上都不能加以利用,从1946年到1952年,数字计算机在一些科研机构得到发展,使得冗长的计算成为可能,这种计算正是蒙特卡罗方法所要求的。

    5、系统仿真

    仿真界的专家和学者对仿真下过不少定义,综合国内外仿真学界对系统仿真的定义,可做如下定义:系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的,以计算机和其它专用物理效应设备为工具,利用系统模型对真实或假想的系统进行试验,并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究,进而作出决策的一门综合性的和试验性的学科。

    要进行仿真试验,系统和系统模型是两个主要因素,同时由于复杂系统的模型处理和模型求解离不开高性能的信息处理装置,计算机就责无旁贷地充当了这一角色,所以,系统仿真实质上应包括三个基本要素:系统、系统模型和计算机,基本活动则包括:模型建立、仿真模型建立和仿真实验。如图:

计算机仿真技术

计算机仿真技术

    物理仿真:按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型,并在物理模型上进行试验研究。直观形象,逼真度高,但代价高,周期长。在没有计算机以前,仿真都是利用实物或者它的模型来进行研究的。

    半物理仿真:即物理数学仿真,一部分以数学模型描述,并把它仿真计算模型,一部分以实物方式引入仿真回路。针对存在建立数学模型困难的子系统的情况,必须使用此类仿真,如航空航天、武器系统等研究领域。

    数字仿真(计算机仿真):首先建立系统的数学模型,并将数学模型转化为仿真计算模型,通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代计算机仿真由仿真系统的软件/硬件环境,动画与图形显示、输入/输出等设备组成。

    6 计算机仿真

    由分类表可见,计算机仿真已成为系统仿真的一个重要分支,系统仿真很大程度上指的就是计算机仿真。计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。一方面,控制工程、系统工程的发展,促进了仿真技术的广泛应用;另一方面,计算机的出现以及计算机技术的发展,又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。计算机仿真一直作为一种必不可少的工具,在减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。

    从上面分析可以得出计算机仿真的定义:

    计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础,以计算机和各种物理效应设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。它集成了计算机技术、网络技术、图形图象技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。

    计算机仿真的用途非常广泛已经渗透到社会的各个领域。如在核领域,未来的核试验不用核弹而是用计算机仿真模拟来进行。1996年9月10日联合国通过了《全面禁止核试验条约》,但是条约只是说明核试验在实爆方面的结束,俄罗斯军事专家说:“许多西方发达国家,即使不进行核试验,也能运用高速大规模计算机,在三维空间对核爆炸全过程进行全方位模拟。” 这是目前的现实,据外界估计,到目前为止,能进行计算机模拟仿真核试验的国家和地区有:美国、俄国、英国、法国、中国、日本及台湾地区。

高威慑力地面核爆炸仿真
高威慑力地面核爆炸仿真


    7 仿真可视化

    从20世纪90年代以来,随着复杂系统仿真应用需求的不断提高和应用领域的不断扩展,计算机仿真已经从纯数字仿真,发展到人在回路中的虚拟环境仿真技术的新阶段。现在的仿真系统已经是综合的仿真系统,并且网络化。

    仿真可视化是仿真与可视化技术的结合,就是把仿真中的数字信息变成直观的、以图形图象表示的、随时间和空间变化的仿真过程呈现在研究人员面前,使研究人员能够知道系统中变量之间、变量与参数之间、变量与外部环境之间的关系,直接获得系统的静态和动态特性。并且提供了观察数据交互作用的手段,可以实时地跟踪并有效地驾驭数据模拟与实验过程。

    仿真可视化的内涵有两层:仿真结果可视化与仿真计算过程可视化。

    8、仿真动画

    仿真动画是仿真技术和动画技术相结合,利用动画把仿真过程描述的更直观更形象。是最为直接地表现模型行为的图形技术方法。

    动画技术应用于仿真有两种方式:

    --非实时仿真动画:即后处理动画输出,先运行仿真程序,并存储仿真数据,结束后作为动画的驱动数据,不具备动画与仿真的交互能力(分离的),广泛应用于仿真不需要交互和处理的领域,如建筑设计、城市规划、影视制作等。这时可以把模型做得更逼真一些。

    -- 实时仿真动画:即与仿真同步的实时动画,成为实时仿真动画。主要侧重仿真过程和结果的实时表现和交互,而把仿真动画的逼真性放在次要位置。广泛应用于要求仿真实时处理和交互的领域,如航空航天、测绘、建筑、化学分子建模、军事训练等领域。

2005年7月4日深度撞击的仿真动画
2005年7月4日深度撞击的仿真动画

    9 视景仿真

    视景仿真是仿真动画的高级阶段,也是虚拟现实技术的最重要的表现形式,它是使用户产生身临其境感觉的交互式仿真环境,实现了用户与该环境直接进行自然交互。

    视景仿真采用计算机图形图像技术,根据的仿真的目的,构造仿真对象的三维模型或再现真实的环境,达到非常逼真的仿真效果。

    视景仿真是计算机技术、图形处理与图像生成技术、立体影像和音响技术、信息合成技术、显示技术等高新技术的综合运用。成为仿真系统软件的一个主要组成部分,是虚拟现实技术、分布式交互仿真技术主要的内容之一。

    一个视景仿真系统由三部分组成:视景数据库、图像生成器和显示系统。视景数据库包括几何定义数据、仿真环境需要的色彩和纹理;图像生成器绘制的内容是仿真器从视点定义的,这些数据存储在视景数据库中;显示系统可以是投影仪、CRT(阴极射线管)显示器或者头盔显示器。

    应用于城市规划仿真、大型工程漫游、名胜古迹虚拟旅游、虚拟现实房产推销、作战训练和武器研制等领域。

    目前视景仿真军事领域应用,各国处于竞争状态。美军是世界上运用计算机技术进行模拟训练最早的军队。美军认为,运用计算机进行模拟训练,是一种可以最大限度贴近实战的训练方式。据美军统计,从未参加过实战的飞行员,在首次执行任务时生存的概率只有60%,经过计算机模拟对抗训练后,生存的概率可以提高到90%。1995年北约部队对波黑塞军进行大规模空中打击前,美国就利用计算机技术将高分辨率卫星图像与波黑战场数字地图结合生成逼真的战场模拟环境,让飞行员在这个模拟环境中实时演练,大大提高了空袭的成功率。

    早在20世纪80年代初,美军就开始将计算机模拟技术引入训练领域。进入90年代后,为了全面推广计算机模拟训练,美军成立了专门负责研制、开发、管理模拟训练系统(器材)以及支持美军模拟训练的执行部门———美军国家模拟中心,从而推动了计算机模拟训练的广泛开展,引发了美军训练观念、训练理论、训练手段、训练方式以及训练内容等一系列深刻变革。美军于20世纪80年代提出了“分布式模拟”的模拟化训练新概念,其实质就是将分散于不同地点、相互独立的模拟系统或模拟器用计算机网络联接起来,组成高度一体化的模拟网络系统。在这个模拟网络系统中,所有网内受训单位或个人既可单独进行模拟训练,又可与其他单位或个人配合进行一体化的协同模拟训练。2002年7月美军举行的“千年挑战2002”演习中,美军就启用了这两套网络模拟系统,分散在全美26个指挥中心和训练基地的各军兵种指挥人员,在同一战争背景、同一战场态势、同一作战想定下同时同步进行了组织指挥大规模联合作战的模拟演练。

    2003年1月18日,在伊拉克战争前,日本陆上自卫队北部方面队和驻日美国陆军在日本北海道东千岁驻地开始举行日美陆军联合指挥演习。这是日美陆军使用电脑进行的一次模拟演习,日本自卫队约4500人和美国陆军约1500人参加演习。演习持续到2月1日。这次演习是在假想日本北海道周边发生事态的情况下举行的,综合演习应用卫星地图和电脑进行仿真模拟作战,目的是检查日美两军在实施联合作战时指挥系统和情报传送等效果,从而提高作战指挥能力。从1981年以来,日美两国每年交互举行两次这种演习。

道尔导弹野战防空训练器,模拟打击某国四代战机
道尔导弹野战防空训练器,模拟打击某国四代战机


    10 虚拟现实(VR)

    VR是20世纪末发展起来的一种涉及众多学科的高新实用技术,又称“灵境” “幻境”。它是一种全新的人机交互系统,集成了先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术于一体,利用计算机生成虚拟环境,它能对介入者产生各种感官刺激,如视觉、听觉、触觉、嗅觉等,给人以身临其境的感觉,并且人还可以以自然的方式与环境进行交互,强调了人在虚拟环境的主导作用。

    VR的定义:虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等),通过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。

    模拟环境――是计算机生成的具有表面色彩的立体图形,它可以是现实世界的真实体现也可以是纯粹构想的世界。

    传感设备――包括立体头盔、数据手套、数据衣、等装置和设置于现实环境中的传感装置。

    自然交互――指用日常使用方式对环境内物体进行操作。

    VR的基本特征:

    沉浸感(Immersion):不和传统计算机接口技术,使用者使用自然的方式交互,完全沉浸于计算机所营造的虚拟环境中。

    交互性(Interaction):与传统三维动画特征的区别,是使用者不在是被动地接受信息或者是旁观,而是使用交互输入设备操纵虚拟物体,改变虚拟世界。

    构想(Imagination):使用者利用VR得到感性和理性的认识,从而深化概念和萌发新意。

    11 虚拟现实与计算机仿真、视景仿真的关系

    VR虽是多学科的综合体,但它是以仿真技术为核心的,所以也可以把它看作一种类型的仿真系统,在仿真中VR可以看作三维仿真模型的高级界面。仿真的目的是决策问题,决策分为宏观决策和微观决策,目前的VR系统的应用属于微观决策一类,虽然有些VR系统规模很大,但涉及的却都是局部决策。

    (1) 视景仿真是计算机仿真的重要分支,它着重于达到非常逼真的三维仿真效果;

    (2) 视景仿真是VR的重要表现形式,使用了很多的VR技术,VR在某种意义上是视景仿真的延伸,是三维视景的高级阶段;

    (3) 视景仿真目前更侧重于视觉和听觉的身临其境,VR向全方位的身临其境发展,有触觉、嗅觉等其它感官。VR是更先进的计算机接口技术。

    根据应用范围看计算机仿真、视景仿真与VR的关系如图:

计算机仿真、视景仿真与VR的关系如图
计算机仿真、视景仿真与VR的关系图

    在仿真与VR之间的关系需要进一步研究,尽管同行之间看法不完全一致,这是各学科综合交叉的结果,但经过深入科学研究之后就会逐步统一起来,目前首要的任务是把先进技术利用到实际中去。

    二、三维视景实时成像理论

    三维视景实时成像技术又称真实感图像实时生成技术是视景仿真和VR的基础,它不仅决定了仿真系统对人的视觉感受,而且决定了客观世界中的对象本质及其联系在计算机上的体现。

    1 三维视景的生成原理

    (1) 视景生成过程

    一个视景仿真系统由三部分组成:视景数据库、图像生成器和显示系统。视景的显示是由计算机提供的。视景数据库由2部分组成,一是直接或间接存储的图像数据,二是以向量或参数方式存储的图形数据。由于视景是随时间变化的三维世界的再现,因此,除了三维投影和立体视觉等与光学有关的问题外,还有三维物体运动的实时计算问题。

三维视景实时成像理论
三维视景实时成像理论

    (2) 视景的内部表示

    -- 图形学表示:图形的最基本表示单位点、线,图形的最常用单位是多边形,其它概念还有曲线、曲面。如

    点:用直角坐标系P(x,y,z)

    直线:用2个顶点坐标P1P2表示

    N边形:用有序的N个顶点坐标P1P2…PNP1 表示

    -- 图像表示:二维图像表示(二维数据矩阵,即位图表达);三维图像表示:包括三维曲线表示(如三维B样条表示),三维曲面表示(如Coons孔斯曲面、Bezier曲面、B样条有理曲面等)

    -- 视景的高层内部表示:如如何表示三维物体(结构信息和物体间相互联系)等。方法有物体的结构与物体的多视特征表示法。结构法中包括边界法、广义锥法和结构立体几何法等

    (3) 视景三维建模技术

    虚拟环境的建模是整个视景仿真系统建立的基础,主要包括三维视觉建模和三维听觉建模。

    几何建模:描述对象内部固有几何性质,如形状、轮廓、表面属性、基元间的连接性等。对象的形状能通过图形库(如GL、XGL等)从头创建,但一般要利用一定的建模工具。最简单的方法就是使用传统的CAD软件,如AutoCAD或3DS交互地建立对象模型,得到高质量的三维可视化数据库的最好方法,是通过专门的视景仿真建模工具,如MultiGen、Vega等。对象的外表真实感取决于它的表面反射和纹理。以前提高一个对象的真实感的主要方法是增加物体的多边形细节,但在实时仿真时增加多边形会使图形处理速度变慢。现在常采用纹理.映射增加真实感。物体表面细节一般分为两种,一是颜色纹理 (如花瓶上的图案)二是表面的几何纹理 (如桔子的皱折表皮)。为了模拟物体表面精致的不规则的颜色纹理采用纹理技术可将任意的平面图形或图像覆盖到物体表面上,在计算机图形学中纹理被定义为一光亮度函数,有一维、二维或高维,常用的是二维,它可由一数学模型定义或由一幅平面图像来表示。图像可由实拍照片来提供。纹理中最小的元素叫纹理元素(Texel),每个纹理元素由RGB、亮度、和透明度Alpha组成。颜色纹理只考虑了在光滑表面上描绘事先定义好的花纹图案,但不能表现出微观的几何形状凹凸不平的粗糙感,1978年Blinn提出了一种无需修改表面几何模型,就能模拟表面凹凸不平效果的有效方法――几何(凹凸)纹理映射技术。通过对景物表面各采样点的位置做微小扰动来改变表面的微观几何形状,从而引起法向量的扰动。

    运动建模:仅仅建立静态三维几何体是不够的,虚拟环境中物体的特性涉及到位置改变、碰撞、缩放、表面变形等。物体位置包括物体的移动、旋转和缩放。对每个对象赋予一个坐标系统,即对象坐标系统,随物体移动而改变。在视景仿真系统中经常要检测对象A和B是否碰撞,要计算其相对位置。

    物理建模:虚拟对象的物理建模包括质量、重量、惯性、表面纹理、光滑或粗糙、硬度等物理性质,这些与几何建模和行为规则结合起来。形成更真实的虚拟物理模型。

    对象行为建模:除了对象运动和物理特性对用户行为直接反应的数学建模外,还可以建立与用户输入无关的对象行为模型。这些对象如动物、植物、飞机等。行为分为确定性的和非确定性的。确定性的是指它的状态是时间的一元函数,即可以确定它在仿真过程中的完整状态,非确定性指其行为不可预见,如人、动物等。

    模型分割:通过几何、物理建模一般得到的是一个复杂的模型,大量的多边形,使得绘制速度大大减慢。任何应用都可能面对建模复杂度的问题,在建立模型中可采用几个办法,如单元分割,变化细节,内存管理等。

    (4) 生成真实感三维图形的基本理论

    使用计算机完成真实感对象的图形必须完成四个基本任务:a) 用数学方法建立所需的三维场景几何描述。B)将三维几何描述转换为二维视图(透视变化)c)确定场景里的所有可见面。(隐藏面消除算法)。D)计算可见面的颜色。因为通过表面颜色和明暗色调来表现景物的几何形状、空间位置,为了能计算屏幕象素上相应景物可见点的颜色,需要建立一个能计算物体表面在空间给定方向上光亮度的光照模型。因此,体绘制、曲面、光照、光线跟踪和辐射度是重点。

    体绘制,是用来将物体的几何或物理特性在二维平面上表示出来的方法。构造物体三维表面形状的算法称为三维空间图形显示算法。

    曲面表示,分为一般曲面表示,如双三次孔斯(Coons)曲面,双三次B样条插值曲面,等。复杂曲面表示,由一条脊线和两条限制组合曲线建立可展曲面,由一条脊线和若干限制参数建立拟合曲面,还有三次类型过渡曲面,最小二乘拟合曲面等。

    光线跟踪技术,计算机图形学使用高光合阴影描述物体的立体特性,使用的计算模型有:1)只考虑由光源引起的漫反射分量和境面反射分量的局部光照模型,如不考虑境面反射的局部光照模型、phong光照模型、Cook-Torrance光照模型等。2)采用光线跟踪的整体光照模型。是生成高度真实感图形的主要方法之一,基本原理是从视点向物体引出一条射线,则物体表面的光亮度由离视点最近的标量值决定。

    辐射度方法,是光线跟踪技术之后的又一令人振奋的图形生成技术之一。它利用热辐射工程中的能量传递理论,从整体上将环境中各表面上的光能分布较精确地计算出来,从而表现包括面光源在内的复杂环境的整体光照明效果,能模拟诸如色彩渗透、软影、间接光照明等用以前传统技术所不能模拟的特殊效果。和光线跟踪结合可实现光能在景物表面间由漫射到漫射,镜面到漫射,漫射到镜面和镜面到镜面四种主要的能量传播过程,使照明模型更加完善。从这里可以看出,计算机技术问题的解决是应该复合自然科学多方面知识的。

    (5) 动画生成技术

    计算机动画是当今计算机图形学及CAD技术中最尖端的应用,已经形成独立的研究领域。根据计算机动画绘制和显示的原理,以及动画的交互程度,可以将计算机动画分为非交互动画和交互动画,交互动画又分为非实时计算交互动画和实时计算交互动画。视景仿真环境中的动画生成一般是指实时计算交互动画。

    虚拟环境中动画生成根据其所依据的理论和所采用的技术分为:关键帧动画、变形物体动画、人体动画、过程动画和基于物理模型的动画等。

    关键帧动画:关键帧插值问题归结为参数插值问题

    变形物体动画:如电影《终结者II》机械杀手T-1000,由液体变成金属人

    人体动画:目前有许多问题没解决,是计算机动画中最富挑战的课题之一,脸部表情的研究难度最大。

    过程动画:即用一个过程去控制物体的动画。过程动画经常涉及物体的变形,与前面的柔性物体的动画不同。柔性物体动画,物体的变形是任意的,可由动画师任意控制。在过程动画,物体变形基于一定的数学模型和物理规律。过程动画应用最为成功的是不规则物体的动画。如火、烟、云等气体现象。利用粒子系统有独特的优点,在电影《Star Trek II》模拟星系爆炸有成功的应用。

    基于物理模型的动画:20世纪80年代发展起来,能逼真的模拟自然物理现象,是基于物理学定律,(如牛顿动力学),考虑物体的真实属性如质量、弹性、摩擦力等。但因为计算量大模拟缓慢。

    2 实时视景生成

    (1) 三维图形应用程序接口OpenGL

    当前有许多实时三维视景系统软件可以完成视景仿真场景的生成,他们的底层均基于三维图形应用程序接口OpenGL。

    OpenGL实际上是一种图形与硬件的接口,由SGI公司设计,是为编程人员所设计的图形生成工具软件库,如同其他应用程序接口API一样,是一个简单、容易使用的图形制作工具。目前也有其他的图形应用程序接口API,但OpenGl已经发展成为所有计算机硬件平台制造商实际采用的工业标准,同时也为软件开发者广泛使用。由于计算机工业界在所有的计算机平台上使用了同一套库函数调用命令,因此,OpenGL的开发成本是最低的。尤其是OpenGL三维图形加速卡和微机工作站的推出,人们可以在微机上实现CAD设计、仿真模拟、三维游戏等,从而更有机会、更方便地使用OpenGL及其应用软件来建立自己的三维图形。

    OpenGL是一个硬件图形发生器的软件接口,是一个与硬件无关的图形接口,它提供与硬件密切相关的设备操作函数,但也不提供复杂形体的图形操作函数,必须用点、线、面等基本的图形单位开始建立三维模型。它包括100多个图形操作函数,开发者可以利用其构造景物模型,进行三维图形交互软件的开发。

    (2) 高层三维视景开发环境

    有如:IRIS Performer(SGI公司), MultiGen-Paradigm Vega(MultiGen-Paradigm公司),CG2 Vtree(CG2公司) 等

    (3) 实时视景生成和显示技术

    三维视景生成和显示的实时性是产生现实感觉的首要条件。三维视景仿真中实时性主要体现在:1)运动体位置、姿态的实时计算和动态绘制;2)画面更新在20~30帧;3)实时交互动作;声音与图像的同步等。

    图形生成速度是仿真可视化的重要瓶颈,速度取决于:图形处理的软硬件体系结构,特别是硬件加速器的图形处理能力;图形生成所采用的各种加速技术;应用因素及虚拟场景的复杂程度、所需要的真实感速度。

    虽然高速发展的CPU和专用图形处理器使当今的图形工作站得到很大提高,但当前图形生成速度相对于仿真可视化环境的规模来说仍然存在相当大的差距。如何从软件着手,减少图形画面的复杂度,成为仿真可视化图形生成的主要目标。下面从软件角度就一些实时图形生成和显示技术做一些介绍:

    1) 可见性判定和消隐技术

    由于视线的方向性、视角的局限性以及物体相互遮挡,人眼所看到的往往只是场景中的一部分。有些目标不在视野范围之内,有些在但可能部分超出屏幕,这就要进行可见性判定和裁减。同时,由于视点的不同,在空间,我们只能看到三维物体的某些面(向前面),而有些面是看不到的(背离面),将那些完全或部分被遮挡的面称为隐藏面,消隐技术就是要消除相对  空间给定观察位置的背离面和隐藏面。

    2) 细节层次模型

    当物体离得越来越远时,人们不能再辨清该物体上的许多细节结构,因此,绘制一个远处的物体时,用该物体细节描述非常复杂的模型是完全没有必要的,浪费图形处理资源和时间。因此同一物体采用不同细节层次模型描述具有很多优点,并已经广泛应用。

    生成不同细节层次的方法:基于曲线、曲面拟合的物体模型可以自动生成该物体的不同层次的细节描述。基于多边形网格模型的多细节层次模型自动生成也有了广泛的研究。主要有一下几类:

    ① 自适应递归划分是曲面、曲线常用的方法。将该方法合曲面拟合技术相结合,用不断逼近的曲面片逼近所要简化的物体模型。

    ② 基于网格重建划分的多边形建模简化方法。

    ③ 基于顶点删除的多边形消减方法是自动生成物体简化模型一种有效方法。决定顶点是否删除,可删则采用递归循环分割法对删除顶点所遗留的空洞进行三角划分。

    细节层次模型的选择方法:根据人的视觉特征,主要依据以下标准:(前两种是常用方法)如何做到不同细节层次模型的光滑过渡仍有待于进一步解决。

    --根据物体与视点的距离

    --根据物体在投影面所占空间的大小,即在屏幕上所占象素的大小
 
    --根据物体与视线方向的夹角

    --根据人与物体是否存在相对运动

    3) 实例技术

    当三维复杂场景中具有多个几何形状相同但位置不同的物体时,可采用实例技术,例如场景中许多树,之间差别仅限于位置、大小、方向不同,如果把每棵树放入内存,将造成极大的资源浪费。,可以采用内存实例的方法,相同的树木只在内存中存放一份实例,将一个树进行平移、旋转、缩放之后得到所有相同结构的树木。

    4) 纹理映射技术

    环境模型中的图形仅有体和面的几何结构,是不能产生仿真环境的真实感觉的,还需要对其表面进行处理即加表面反射和纹理。以前,提高真实感的主要办法是增加物体的多边形,然而增加多边形的实时仿真会使图形速度变得缓慢,目前的图形硬件都具有实时纹理的处理能力,允许二维图像位图上的象素加到三维实体模型的对应点上,以增强图像的真实感。

    使用纹理映射有以下好处:

    ? --增加了细节水平及景物的真实感

    ? --由于透视变化,纹理提供了良好的三维线素

    ? --纹理大大减少了环境模型的多边形数目提高图形显示的刷新频率

    5) 单元分割技术

    将仿真环境模型分割成较小的环境模型单元称为模型单元分割,分割后,只有在当前模型中的环境模型对象被渲染,可极大减少模型复杂程度。如对对大地形模型和建筑模型分割。对于某些规整的模型,分割容易自动实现。而对于那些完成后一般不再轻易变化的建筑模型,分割能在预先计算阶段离线完成。

 

标签:计算机仿真
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