型、体素模型等,主要有基于深度图、基于图像、基于体的建模方法,以及物体表面光照模型等。

基于深度图像的建模

深度图像的每个像素保存与其关联的光线与被拍摄

场景的第一个交点的深度信息,其建模过程包括深度图像的获取、配准、表面重建和修复.

基于图像的建模

基于图像的建模方法利用拍摄的照片构造逼真的三维模

型,有主动式和被动式两类方法.主动式方法通过控制场景中的光照主动地获取景物的三维信息,具有较高的重建精度且算法简单,但需人工创建重建线索,操作比较复杂.被动式方法被动地接收场景中的光亮度信息,进而通过分析图像中的明暗、阴影、焦距、纹理、视差等被动线索进行三维重建,对建模景物的规模和位置限制少,但精度较低,算法较为复杂.

材质光照建模方法 物体表面材质属性的获取、建模技术,在真实感建模领域具有重要意义.物体材质反射属性的体现主要集中在光线与物体表面的相互作用上.光子物理学认为,光线与物体的相互作用可以由入射光的位置、方向、波长、及光线在物体内部的传输时间等信息所描述,可以表示为一个12维函数.在实际 应用中,简化该函数,得到一个8维双向表面散射。

体光照模型

体光照模型是对光线穿过体素时光强发生变化等物理现象

的数学描述,是进行直接体绘制的基础.目前常用的体光照模型有源一衰减模型、变密度发射模型、材料分类及混合模型等几种.

源衰减模型把体数据场中的每一体素作为一个质点光源分配一个源强度和一个衰减系数,生成的光线在数据场中沿距离衰减后被投影到视平面上,形成结果图像.该模型具有比较可靠的物理和数学基础,是目前体绘制中应用较多的光照模型.

变密度发射模型把任一对象看作一个连续分布的质点光源系统,对象空间充满粒子云,每一粒子均可发光,通过累计光线所穿越的质点对光强的贡献来计算光照.虽然微观解释不同,但这种模型与源一衰减模型所得到的结果一致。

材料分类及混合模型认为体素是由若干种材料组合而成,对不同材料分别计算其密度分布、光照强度和不透明度;通过组合公式按各种材料所占的百分比混合成该体素的亮度和不透明度,并根据组合体发射光和面散射光计算出总体光照

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强度.

此外，还有场的建模等，这边就不详细介绍了。

基于物理的建模方法

虚拟环境和对象的逼真性与外观建模水平有关,更与其运动、相互作用和发生变化时符合物理规律的程度密切相关,这有赖于物理规律的建模.

根据建模对象的不同,基干物理的建模方法有针对刚体、柔性物体、不定形物和人体运动的建模方法.此外,为了模拟某些自然场景和随机变化,人们还在基于物理的建模中采用粒子系统和过程方法.

刚体运动建模方法 刚体运动建模时只需考虑它在环境中位置与方向的变化,不需考虑物体变形,涉及的内容主要包括刚体的运动模拟、碰撞检测以及联接和约束等间题.

柔性物体建模方法 现实世界中,许多物体在运动或相互作用过程中会产生形变,即所谓柔性物体.基于物理的建模方法将柔性物体划分为质点网格,将柔性物体的运动看成质点网格在力、能量等各种物理量作用下的质点运动.

流体建模方法 流体建模一般是从流体力学中选取适当的流体运动方程,进行必要的简化,通过数值求解得到各时刻流体的形状和位置.目前已有模拟水流、波浪、瀑布、喷泉、溅水、船迹、气体等流体效果的模型.

虚拟人运动建模方法

虚拟人，是通过数字技术模拟真实的人体器官而合成的三维

模型。这种模型不仅具有人体外形以及肝脏、心脏、肾脏等各个器官的外貌，而且具备各器官的新陈代谢机能，能较为真实地显示出人体的正常生理状态和出现的各种变化。虚拟人是虚拟环境的重要组成部分,虚拟人运动的建模研究主要涉及运动数据的获取、处理和运动的控制.

运动数据的获取需要运动数据捕获设备,如数据衣、数据手套等.将采集到的运

动数据应用于虚拟角色,可以有效增强虚拟环境的真实感.数据采集设备的关键部件是传感器,根据传感器的不同原理,目前的运动捕获设备主要有机械系统、电磁系统和光学系统等几类.

运动数据的处理主要面向运动编辑和运动合成.运动编辑通过对运动片段进行少量

的改动,使之符合一定的时间和空间约束,从而合成满足特定需求的人体运动, 运动控制.通过控制人体模型的虚拟骨架,可以生成人体运动的连续画面.目前,虚拟人运动控制的方法主要有关键帧方法、运动学控制、动力学控制和基于过程的运动控制

行为建模方法

vR中的行为建模是虚拟环境中自治对象研究的主要内容,开始于虚拟战场中计算机生成兵

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力(CGF)的研究.按照美国国防部的定义,行为建模是对“军事仿真中需要表示的人的行为或者表现进行建模”.近年来,VR应用对自治对象行为的智能水平提出了越来越高的需求,新的行为建模方法也不断涌现,行为建模成为VR研究中一个重要方面.但这一领域总体上属干人工智能的研究范畴,其难度相当大,进展也较缓慢,我们这里只作简要介绍.想要详细了解，蔡昕烨老师开了门人工智能技术实验，大家可以去了解了解。

自治对象的主要类型 自治对象的行为建模首先与自治对象所要体现的个体数量有关,依此,自治对象分为个体和群体两类, 个体对象是仅包含单一个体的自治对象.这类对象行为建摸的内容一般包括建立目标任务的概念模型、体系结构、行为规则、所需条件等.

群体对

象包括多个个体。但可以多种解析度的整体形式存在,也就是说,群体对象可以表现为单一的对象,也可以表现为多个个体的形式. 基于有限状态自动机的建模方法

有限状态自动机是为研究有限内存的计算过程和某些

语言类而抽象出的一种计算模型。有限状态自动机拥有有限数量的状态，每个状态可以迁移到零个或多个状态，输入字串决定执行哪个状态的迁移。有限状态自动机可以表示为一个有向图。自治对象的简单反应性行为可以采用有限状态自动机方法进行建模自治对象的每一种可能的反应动作表示为一个状态,发生的事件控制状态间的转换可以用“任务栈”处理不确定事件.采用有限状态自动机是军事仿真中常用的行为建模方法, 基于Agent的建模方法

随着虚拟环境中对象类型的不断增加,对象的模型越来越复杂,

传统方法很难表达自治对象的信念、愿望、意图等高层精神状态和复杂的行为,更难以模 拟自治对象组织等群体类对象的行为.于是研究者引入人工智能中关于Agent的研究,将其与VR行为建模相结合,形成了基于Agent的建模方法.这类方法适于个体和群体的行为建模.一方面,Agent中对于信念、承诺、意图、愿望等高层精神状态的描述方法能一定程度体现个体对象的自主性、自治性和智能性等特征;另一方面,Agent之间的通讯、协商、协作等可以描述自治对象组织中的协作特性.基于Agent的建模方法在分布式虚拟战场中得到越来越多的应用,

模型的聚合与解聚

复杂实体模型往往具有多层次树状结构,一个模型包括许多子模型,

子模型又包含子模型。可解析的实体模型的解析度可以有多种.模型聚合就是将一个高解析实体模型转变为低解析实体模型.聚合是由分到合、由繁到简、由分散到统一的过程.模型解聚与模型聚合相反,是模型由合到分、由简到繁、由统一到分散的过程.

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虚实融合的场景建模

传统的虚拟环境强调虚拟场景建模和虚拟场景的表示,需要大量的建模与绘制工作,随着VR应用领域的不断扩展,人们发现一些应用完全可以依托真实环境,只将少量的真实环境中没有或需要灵活变更的景物,通过VR建模构造成相应的虚拟景物,将其融入真实场景,可以有效提高虚拟环境的建模效率,扩展VR的应用领域.这就是目前增强现实所研究的内容,其中主要问题是虚实融合的场景建模.主要包括面向虚实融合场景构建的真实环境信息获取与表示、虚实对象三维注册、遮挡处理、虚实光照融合处理等方面。

这是“神奇书本”的虚实融合场景。主要通过计算标志点的几何特征和相应像面位置,实现了基于标志点的虚实对象三维注册方法,从而研制出了“神奇书本”,读者不但可以直接阅读书中文字,也可以观察真实场景,而且可以感知由书本内容生成的虚拟物体和事件再现.

虚拟现实的表现技术

VR表现技术将数字空间内的各种虚拟景物模型通过不同的VR表现方法、算法渲染在表现设备上,以沉浸方式呈现给用户,属于出的vR8元组中的函数Show.

大家都知道，人的感知系统可划分为视觉、听觉、触觉、嗅/味觉和方向感等5部分,这就要求VR表现技术不仅要给用户提供逼真的视觉感受,还要在听觉、力/触觉和嗅/味觉方面 给出全方位的逼真表现。 视觉表现技术

真实感图形图像实时绘制是实现vR视觉感知的最重要手段,是构造虚拟

环境的一项核心技术.主要技术包括真实感光照计算、复杂纹理映射、自然景物的绘制、网格化简技术等内容。 真实感光照计算有局部光照和全局光照两类方法.在局部光照模型中,计算光照对象某一点的亮度时,仅考虑虚拟场景中的所有预定义的光源对象.全局光照将整个环境作为光源,不仅考虑场景中的光源对被绘制对象的直接影响,还考虑光线经反射、折射 或散射后对被绘制对象产生的间接影响.它可使绘制结果真实感大大增强.因此,全局光照是目前光照计算研究的重点.

复杂纹理映射

传统的纹理映射是指将具有颜色信息的

图像附着在几何对象的表面,在不增加对象几何细节的情况下,提高绘制效果的真实感.随着绘制技术的不断发展,出现了更为复杂的纹理形式及与其相对应的映射方法.比如：凹凸映射 、位移映射、视差映射、浮雕映射等。 自然景物的绘制 由于自然景物远比大多数人造物体复杂,因此自然景物的模拟一直是计算机图形学中最具挑战性的问题之一随着vR技术的发展,研究人员为自然景物提出一系列基于物理和基于图形图像的生成方法.在这些方法中,建模与绘制的界限大都不那么清楚,甚至合为一体。随着VR技术的进一步发展，之后，又提出了粒子系统、水波模拟、毛发与植物的建模绘制等方法。

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