视景仿真技术中立体显示技术研究

视景仿真技术中立体显示技术研究内容摘要：

官。 虚拟现实 是更先进的计算机接口技术。 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。 XX 大学 毕业论文 5 课题背景及意义 随着人类社会步入信息时代，视景仿真技术因其特有的形象化多维信息处理能力而得以迅速发展，引起人们极大的热情和兴趣，呈现出广阔的应用前景。 国内的一些科研院所和重点院校在视景仿真 方面进行了大量的开发研究，并且积累了一定的理论和实践经验，为进一步的研究提供了良好的基础。 目前，视景仿真技术的关键技术和研究内容包括 : (1) 动态环境建模技术。 它的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的濡要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。 它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世界的对象物体在实时的 3D 虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。 其中三维数据的获取可以采用 CAD 技术，而更多的情况则需采用非接触式的视觉建模技术，二者有机结合可以有效地提高数据获取的效率。 (2) 实时三维图形生成技术。 三维图形的生成技术已较成熟，而关键是如何 “实时生成”为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新频率不低于 15帧 /秒，最好高于 30 帧 /秒。 在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。 (3) 立体显示和传感器技术。 视景仿真依赖于立体显示和传感器技术的发展。 现有的视景仿真设备还不能完全满足系统的需要，例如头盔式三维立体显示器有以下缺点：过重 ( g)、 分辨率低、刷新频率慢、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等 :同样，数据手套、数据衣 等都有延迟大、分辨率低、使用不便等缺点。 (4) 应用系统开发工具。 视景仿真应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造性。 选择适当的应用对象可以大幅度地提高效率，减轻劳动强度 .提高产品质量。 为了达到这一目的，必须研究视景仿真的开发工具。 例如： 视景仿真系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。 (5) 系统集成技术。 由于视景仿真系统中包含大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。 集成技术包括信息的同步、模型的标定、数据转换、数据管理模型、识别与合成等技术。 中北大学分校毕业论文 6 我们从客观世界获得 的信息 80%以上来自视觉，因此视景仿真系统中视觉感觉处理的好坏将在整个系统的成败中起到决定性的作用。 而在视觉感觉中，立体感是人们首先接收的感觉，也是沉浸视景仿真系统实现中不可缺少的一大部分，因此我们从立体显示技术入手进行研究。 而场景模型构建质量的好坏将直接影响整个视景仿真系统的性能以及它的立体显示效果，我们有必要在现有的视景仿真开发平台上研究模型构建技术。 针对以上视景仿真的关键技术和研究内容，本课题决定从视景仿真视觉效果入手来探讨和研究它的立体显示和动态环境建模技术。 课题研究内容 课题希望在现有 技术和设备基础上基于 PC 机、立体眼镜和头盔显示器等硬件平台来设计具有一定沉浸感的视景仿真系统；研究立体显示技术和模型的构建及优化技术；再进一步对现有的视景仿真平台进行分析，对它们的优缺点进行比较，进而提出两种视景仿真开发平台方案，并使用它们来构建场景模型和创建虚拟环境，从中得到一些视景仿真方面开发的经验；最后实现立体显示。 本课题的研究内容主要包括以下几个部分： (1) 视景生成及三维建模技术。 视觉感知的质量在用户对环境的主观感知中占有最重要的地位，换句话说，一个虚拟环境的好坏主要取决于其视景生成系统的好 坏。 本部分将研究计算机生成视景所需的生成过程及其三维建模技术。 (2) 立体显示技术的研究。 这部分是我们实现立体显示的重要前提。 我们将首先研究各种立体显示技术，从中分析它们之间的优缺点；讨论几种生成立体图像对的算法；并给出 PC机环境下，基于头盔和立体眼镜的立体显示系统结构。 (3) 立体显示的实现。 这部分是本文重点，介绍了立体显示的实现方法和步骤。 本课题 使用基于VC++ 的 OpenGL 绘制立体图形，对左右画面分别采用红色和绿色来显示，在左右眼处分别用红绿镜片对画面进行选择，从而实现了视景仿真技 术中的立体显示。 XX 大学 毕业论文 7 2 视景生成及三维建模技术 视景生成机理 生成视景的工作 计算机生成视景的工作主要包括以下三个步骤： (1) 计算生成具有真实感的图形。 真实感包括颜色、光照、立体感和运动感； (2) 计算生成或直接从图像库中取得己经压缩的具有真实感的背景图像； (3) 经过扫描变换将图形和背景图像统一安排在同一坐标系中。 生成有真实感的物体涉及到如何由给定顶点生成物体的表面，如何在表面上着色和加上高光与阴影，以及物体发生形变时表面的变化等问题。 背景图像可以分为自然景物和人工景 物两类。 一部分自然景物可以使用分形算法等技术生成，大多数需要使用提前录好的录像资料，简单的人工景物 (例如建筑物 )可以用图形生成的方法生成，复杂的人工景物也需要使用录像资料。 一般，使用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感对象图形必须完成四个基本任务： (1) 用数学方法建立所需三维场景的几何描述，并将它们输入至计算机。 这部分工作可由三维立体造型或曲面造型系统来完成。 场景的几何描述直接影响图像的复杂性和图像绘制的计算耗费，选择合理有效的数据表示和输入手段是极其重要的。 (2) 将三维几何描述转换为二维视图。 常通过对场景的透视变换来完成。 (3) 确定场景中的所有可见面，这需要使用隐藏面消除算法将视域之外或被其他物体遮挡的不可见面消去。 (4) 计算场景中可见面的颜色，根据基于光学物理的光照模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和色彩，并将它转换成适合图形设备的颜色值。 从而确定投影画面上每一象素的颜色，最终生成图像。 复杂 (真实感 )图像是通过景物表面的颜色和明暗色调来表现景物的几何形状、空间位置及表面材料。 为了计算屏幕象素上相应景物可见点的颜色，需要建中北大学分校毕业论文 8 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、光线跟踪和辐射度等是视景生成的关键技术。 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。 视景数据库包括儿何定义数据、仿真环境需要的色彩和纹理；图像生成器绘制的是仿真器从视点定义的内容，这些数据存储在视景数据库中；显示系统可以是投影仪、 CRT 显示器或者头盔显示器。 视景的显示是由计算机提供的。 视景数据库由两个部分组成，一部分是以直接或间接方法存储的图像数据，另一部分是以向量或参数方式存储的图形数据。 由于视景是一个随时间变化的三维世界的再 现，因而，除了有象三维投影和立体视觉等与光学有关的问题外 .还有物体在空间中运动的实际的实时计算问题。 视景中的图像是计算机根据环境的需要，利用给定的条件与模型，在对图像数据和图形数据计算后所生成的，其生成过程如图 2. 1 所示。 由图可见，一幅视景图像的决定条件有三个： (1 )生成条件与模型； (2)图像数据； (3)图形数据。 在基于头盔显示器和立体眼镜的双目成像立体显示系统中，视景的生成过程见图。 它最终要生成左右两个通道，并分别显示在头盔的左右眼上，或者通过立体眼镜的左右眼分别来观看左右通道。 XX 大学 毕业论文 9 视景三维建模技术 为了给用户创建一个能使他感到身临其境和沉浸其中的环境，必要的条件之一就是根据需要能在虚拟现实系统中逼真地显示出客观世界中的一切对象。 不仅要求所显示的对象模型在外形上与真实对象酷似，而且要求它们在形态、光照、质感等方面都十分通真。 虚拟环境的建模是整个虚拟现实系统建立的基础，主要包括三维视觉建模和三维听觉建模。 其中，视觉建模包括几何建模 (Geometric Modeling)、运动建模(Kinematic Modeling)、物理建模 (Physical Modeling)、对象 行为 (Object Behavior)建模以及模型分割 (Model Segmentation)等。 实时系统视景建模与传统 CAD 和动画建模有着本质的不同。 其主要差别有 : 视景仿真建模中要说明的内容比 CAD 系统建模要多，除说明造型外还要说明系统的连接，如自由度 (DOF, Degree of Freedom)，细节水平 (LOD, Level of Detail)等。 由于要实时运行三维模型，其建模方法与以造型为主的建模有很大的不同，大多采用其他技术 (如纹理 )来提高逼真度，而不是通过增加几何造型复杂度来实现。 虚拟环境的实现过程基本分为三步：第一步是几何建模，主要包括用多边形或三角形拼构成对象的立体外形；第二步是形象建模 (也称物理建模 )，主要包括对几何建模的结果进行纹理、颜色、光照等处理；第三步是具体程序实现。 前两步是虚拟场景构建过程，第三步则是场景的控制过程。 中北大学分校毕业论文 10 几何建模 对象的几何建模是生成高质量视景图像的先决条件。 它是用来描述对象内部固有的 )几何性质的抽象模型，所表达的内容包括： 1 对象中基元的轮廓和形状，以及反映基元表面特点的属性。 例如颜色。 2 基元间的连接性，即基元结构或对象的拓扑特 性。 连接性的描述可以用矩阵、树、网络等等。 3 应用中要求的数值和说明信息。 这些信息不一定是与几何形状有关的，例如基元的名称，基元的物理特性等等。 运动建模 在虚拟环境中，物体的特性还涉及到位置改变、碰撞、捕获、缩放和表面变形等，仅仅建立静态的三维几何体对虚拟视景是不够的。 对象位置包括对象的移动、旋转和缩放。 在视景仿真中，不仅要涉及到绝对的坐标系统，还要涉及到每一个对象相对的坐标系统。 OpenGVS 中提供了多种坐标系统，具有绝对坐标系统和相对坐标系统，例如相机的多平台控制就是采用了这两种坐标 系统。 物理建模 虚拟对象的物理建模包括对象的质量、重量、表面纹理 (光滑或粗糙 )、硬度、形状改变模式等，这些特性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。 物理建模是虚拟现实系统中比较高层次的建模，它需要物理学与计算机图形学配合，涉及到力的反馈问题，主要是重量建模、表面变形和软硬度等物理属性的体现。 XX 大学 毕业论文 11 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，还需要在虚拟环境中建立与用户输入无关的对象特征模型。 它体现了虚拟现实的自主性的特性，简单地说是指 动态实体的活动、变化以及与周围环境和其它动态实体之间的动态关系，它们不受用户的输入控制 (即用户不与之交互 )。 例如， OpenGVS 开发的战场仿真虚拟环境中，直升飞机螺旋桨的不停旋转。 虚拟场景中鸟在空中自由地飞翔，当人接近它们时，它们要飞远等行为。 模型分割 虚拟环境的几何体和物理建模所得到的是一个非常复杂的模型，大量的多边形使绘制速度大大减慢。 如果现有 RAM 不能满足绘制对大量内存的需求，就会导致大量的内存交换，从而降低系统的交互速度。 这些问题常在建筑仿真中出现。 在建立模型时可采用单元分割、变化细 节和分辨率显示、脱线预先计算以及内存管理技术等来提高系统运行的实时性。 支持视景生成的语言 — OpenGL 功能 我们主张使用已有的商品化或标准化的图形库和程序设计语言设计与实现虚拟环境。 其中 OpenGL 及其支持系统就是这样的一种可选图形生成环境。 OpenGL 可以按函数库的形式被 C 语言调用，也可以被窗口系统直接调用。 OpenGL 是使用专用图形处理硬件的软件接口，该接口目前由几百个过程与函数组成，用以支持用户对于高质量三维对象的图形和图像操作。 由于 OpenGL 的高度可重用性，已经有超过 30 个大公司与研究机构加盟或表示接受 OpenGL 作为标准图形软件接口 . OpenGL 指令的解释模型是客户 /服务器模式 .即一个程序 (客户 )提供指令，这些指令由 OpenGL(服务器 )解释并处理。 它直接执行 3D 及 2D 图形的荃本操中北大学分校毕业论文 12 作。 这些操作包括转换矩阵、光照模型和光线跟踪、反混淆方法、 ZBuffer 以及象素更新操作等。 OpenGL 也支持双缓冲技术，该技术提供了生成动画效果图形所需要的机制，使得所生成的图形能够像电影一样平滑运动。 图 给出了 OpenGL 的描绘原理框图。 用户指令从左侧进入 OpenGL。 有 些指令指定画几何物体，另一些指令则操作在不同阶段怎样处理几何物体 .大多数指令也许会排列在显示列表 (display list)中由 OpenGL 在后续的时间里处理 . OpenGL 通过计算输入值的多项式函数为近似曲线和曲面几何体提供有效手段，然后对由顶点描述的几何图元进行操作。 在这一阶段，对顶点进行转换，光照 .把图元剪切到观察体中，为下一步网栅化做准备。 网栅器生成一系列图像视频存储器地址及图元二维描述值，这样所产生的结果称为基片 (fragment)。 每个基片。