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虚拟现实及其应用概述主要内容：1．注意环境模型的两种不同表示方法。2．人工几何建模的两种途径。3．人工几何建模的主要困难。4．三维扫描仪的三个特点，六项技术和扫描设备。5．增强现实技术的主要问题。6．物理建模应该考虑的三类对象。7．VR图形绘制的九项技术。8．各类插值和变形方法。9．微分方程的数值解法。10．由传递函数得到状态方程的方法。本章知识要点：4．1虚拟现实的几何建模技术◦4．1．1环境模型的表示建模是VR的核心,它定义物体的形式、属性和外观。多模式VR的一个重要的技术难点是设计开发物体表示、仿真和绘制(RSR)技术。它支持实时与VR的视听触觉交互。RSR处理有两个主要途径。第一种途径使用统一的中央表示，它取得物理仿真和绘制目的所要求的所有几何、表面和物理性质。原则上，有限元建模类方法可以用作表示这些特性、物理仿真和绘制的基础。第一种途径结构最精致，并避免了保持每个模式RSR过程之间空间时间相关的问题。在另一个途径中，采用保持分离的表示，它只表示在单一模式中（如听觉）仿真和绘制交互有关的物体特性。分别对视觉，听觉和触觉建立各自的表示和模型。允许模式专用的表示、仿真和绘制之间具有更好的配合。多数有关VR的RSR研究开发是视觉绘制的系统。与两种RSR途径（或不同多模式）有关的理论和实际问题只引起很少关注，但这可能成为VR研究开发的主要议题。例如，几何建模关系到声学环境和视觉环境，开发实际模型对产生和调节视听触觉显示的能力是关键的。利用听觉显示理解科学数据是新奇的应用。4．1．2人工的几何建模方法建立详细的三维几何模型的要求主要来自计算机辅助设计(CAD)、计算机图形学和其它领域。尽管有丰富的商业建模工具，人们常常还是把建模看成很繁重的任务。因为建模缓慢，用户接口不便，不灵活，以及模型规定在低层次。因此多数实验室和商业动画公司宁愿使用自制建模工具，或在某些情况用自制建模工具与市场销售建模工具的混合。为了理解，需要回顾三维几何模型怎样获取。下面回顾几个VR工作所报告的模型获取过程：◦VR的几何建模一般通过基于PC或基于工作站的CAD工具获取。在北卡大学漫游建筑的项目中，AutoCAD用于产生构成一座教堂几何模型的12000个多边形。由AutoCAD产生的文件取出三维几何并不困难，但问题是并非所有要求的数据都以VR要求的形式提供。◦特别是没有提供有关建筑物实际物理的数据、用于实时漫游算法的划分信息、以后由手工或专用程序加入等。◦VPLRealityBuiltforTwo(RB2)系统使用MacintoshⅡ，作为固体建模的设计站，用IRIS工作站作为绘制/显示站。RB2是用于设计和实现实时VR的软件开发平台。在RB2下开发是快速的交互的，具有可实时编辑的属性约束和交互。◦在NPSNET项目中，初始的三维插图集由SIMNET数据库得到。◦许多VE应用要复制真实世界。不是用手建立模型，最好利用视觉或其它感觉自动获取模型。◦4．1．3自动的几何建模方法三维扫描仪（3DimensionalScanner）又称为三维数字化仪（3DimensionalDigitizer）。它是当前使用的对实际物体进行三维建模的重要工具。它能快速方便的将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。它与传统的平面扫描仪、摄像机、图形采集卡相比有很大不同。首先，其扫描对象不是平面图案，而是立体的实物。其次，通过扫描，可以获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，彩色扫描还可以获得每个采样点的色彩。某些扫描设备甚至可以获得物体内部的结构数据。而摄像机只能拍摄物体的某一个侧面，且会丢失大量的深度信息。第三，它输出的不是二维图像，而是包含物体表面每个采样点的三维空间坐标和色彩的数字模型文件。这可以直接用于CAD或三维动画。彩色扫描仪还可以输出物体表面色彩纹理贴图。1．三维信息获取技术：早期用于三维测量的是坐标测量机（CMM）。目前，CMM仍是工厂的标准立体测量装备。它将一个探针装在三自由度（或更多自由度）的伺服装置上，驱动探针沿三个方向移动。当探针接触物体表面时，测量其在三个方向的移动，就可知道物体表面这一点的三维坐标。控制探针在物体表面移动和触碰，可以完成整个表面的三维测量。其优点是测量精度高。其缺点是价格昂贵，物体形状复杂时的控制复杂，速度慢，无色彩信息。机械测量臂借用了坐标测量机的接触探针原理，把驱动伺服机构改为可精确定位的多关节随动式机械臂，由人牵引装有探针的机械臂在物体表面滑动扫描。利用机械臂关节上的角度传感器的测量值，可以计算探针的三维坐标。因为人的牵引使其速度比坐标测量机快，而且结构简单，成本低，灵活性好。但不如光学扫描仪快。也没有彩色信息。借助雷达原理，发展了用激光或超声波等媒介代替探针进行深度测量。这是激光或超声波测距器。测距器向被测物体表面发出信号，依据信号的反射时间或相位变化，可以推算物体表面的空间位置，称为“飞点法”或“图像雷达”。不少公司开发了用于大尺度测距的产品（如用于战场和工地）。小尺度测距的困难在于信号和时间的精确测量。Leica和Acuity推出了采用激光或红外线的测距器。Senix公司推出了超声波测距器。它受遮挡的影响较小。但要求测量精度高，扫描速度慢，而且受到物体表面反射特性的影响。基于计算机视觉原理提出了多种三维信息获取原理。这包括单目视觉法、立体视觉法、轮廓恢复形状法、运动恢复形状法、结构光法、编码光法等。其中的结构光法，编码光法成为目前多数三维扫描设备的基础。这些方法可以分为被动式和主动式两大类。被动式法的代表是立体视觉法。主动式法的代表是结构光法，编码光法。光学扫描的装置比较复杂，价格偏高，存在不可视区，也受到物体表面反射特性的影响。几种常用方法的比较：用于获得物体内腔尺寸的方法之一是工业CT。它以高能X射线对零件内部进行分层扫描。它的缺点是精度不高，价格昂贵，且存在放射性危害。美国CGI公司生产的自动断层扫描仪可以克服这些缺点。但要求对被测物体进行破坏。2．三维扫描系统的关键技术在硬件和控制技术方面，扫描运动的伺服装置要求精度高，运行平稳，可定位性好。用电子扫描代替机械扫描是当前的趋势。各类传感器要求精度高，分辨率高，噪声小。三维信息获取技术方面，三维信息获取的原理应综合考虑精度，速度，易实现性，易使用性，成本，使用背景等。原理确定后，还要注意实施方案，采用巧妙的技术策略，提升产品的性能。还要研究计算模型和误差模型，了解误差的原因，误差的传递，误差的校正和消除。往往还要包括数据的预处理和后处理技术。色彩信息获取方面，物体的色彩由三个因素确定:照明类型，物体表面的反射特性，眼睛按三条不同的光谱灵敏度曲线感知光线的能力。彩色是一种心理感觉。它与光源辐射能量的分布及观看者的视觉感受有关。目前的三维扫描仪一般得到的不是物体表面的材质和对入射光的反射特性，而是在某种照明条件下所呈现的色彩。三维构型，显示及修改技术方面，扫描仪获取的是物体表面离散采样点的坐标和色彩。这些采样点的集合称为点云（PointCloud）。必须用点，多边形，曲线，曲面等形式描述立体模型，即将点云构成形。同样的点集进行不同的连接，可能得到不同的三维模型。定标技术方面，确定有关的装置参数就是定标。它与计算模型和误差模型有关。定标精度和可靠程度直接影响测量精度。定标还可以校正装置的误差。对彩色扫描，还有色彩定标问题。3．三维扫描设备FARO公司的机械测量臂包括Gold系列，Silver系列，Sterling系列。其优点为:轻便，易用，量程大，精度高，可靠性好，便于与其他装置配套，价格便宜。Immersion公司的机械测量臂更多关注动画业的应用。同样轻便和易用，可与PC、Macintosh、SGI连接，三维形状描述支持点、线、多边形、Spline曲线，输出数据格式包括DXF、OBJ、TXT等。Cyberware公司的三维扫描仪，在80年代就被迪斯尼等动画和特技公司采用，用于终结者II，侏罗纪公园，蝙蝠侠II，机械战警等影片。还用于快速雕塑系统。90年代的扫描仪可对人体全身扫描，给出对象的多边形、NURBS曲面、点、Spline曲线方式描述，用于动画、人类学研究、服装设计等方面。Cyberware的代表产品是3030系列，其适用范围宽，价格适中，性能好。除了3030R外，都可进行彩色扫描。扫描速率可达1.4万点/秒。3030RGB型扫描物体的尺寸在30cm，深度方向测量精度100-400μm，测量单元重23kg，主机为SGI工作站。3DScanner公司的Reversa是非接触式双相机激光扫描头，基于线状结构光测距原理，实现上采用相机-激光源-相机的方案。它制作精巧，重量仅600g，尺寸仅198mm×82mm×70mm，激光线最窄40μm，深度方向测量精度10μm。Reversa可以进行四轴或五轴的扫描运动，扫描采样速率为1-1.5万点/秒。其软件提供扫描方式控制，数据格式转化，三维显示，等高线显示，比例缩放，指定点坐标显示，修补界面等功能。输出可转化为一些标准格式，如DXF、STL、ASCII等，用于产品测量、设计开发、模具制造、珠宝设计、快速制造、特技制作、制陶、制鞋及医学。3DScanner公司的ModelMake是最新激光扫描头，可以安装在多关节机械测量臂上，作多轴扫描。装置体积小，重量轻，可进行彩色扫描，输出支持DXF、STL、ASCII、EYE、OBJ、3DS格式，适用于特技制作、虚拟现实、VRML产品设计、测量、医学等。CGI公司的自动断层扫描仪CSS-1000，能同时获得物体的外形和内腔结构。用材料逐层磨去与逐层光学平面扫描相结合的方法测量物体内外尺寸。这是破坏性的扫描，但可靠性好，自动化程度高，能与CAD软件直接接口，比工业CT便宜，且精度较高。。其他产品有Inspeck公司的三维光学扫描装置。Digibot公司的DigbotII采用点状结构光测量深度。Steinbichler公司的三维扫描系统有COMET、Tricolite、AutoScan。华中理工大学的3DLCS95。下图表示，日本住商株式会社的激光扫描三维建模产品，ModelMaker。它的激光测量器安装在美国FAROTechnologies公司的机械臂FAROArm上。测量速度为14000点/秒。测头移动速度0.4-5mm/秒。测量距离120-220mm。测量精度0.2mm。下图表示，日本住商株式会社的激光扫描三维建模产品ModelMaker使用的美国FAROTechnologies公司的机械臂FAROArm下图表示，日本MINOLTA公司的激光扫描三维建模产品，VIVID700。测量距离0.6m-2.5m。扫描区域可达1.1m×1.1m。分辨率(x,y,z)为200×200×256点。扫描时间0.6秒下图表示，日本MINOLTA公司的激光扫描三维建模产品，VIVID700的使用情况用于人体外形建模的大型激光扫描系统4．1．4增强现实的建模问题增强现实使用看穿的头盔显示，它在真实环境的视场上重叠合成图形。在传统的叠加显示中，合成的图形与背景没有直接关系。但在增强现实中，合成的物体应看起来是真实环境的一部分。这就是说它们应与观察者交互，与真实物体交互，好象也是真的。在一个极端条件下，产生全增强现实的幻觉要求真实世界和合成物体的完全模型。例如，把合成的物体放在真实桌子上并使得在观察者通过环境移动桌子时该物体也停在桌上一起移动，这要求知道桌子在空间什么地方，观察者怎样运动。为了完全真实，要求有关场景照明和表面性质的信息，以便在真实物体上产生合成的明暗。此外，还要求有关三维场景结构的信息，以便允许真实物体遮挡合成物体或被合成物体遮挡。自然，在不可控的不可予测的观察者运动中，这些都是实时发生的。真实和虚拟的这种混合已在动画图像特技效果中实现。某些效果的产生是通过绘制三维模型并产生得到的图形与真实场景的组合，这正是增强现实要求的。但这个过程很慢很费力，要求每步的人工干预。在场景被拍摄后，摄象机和物体运动模型被人