[科普中国]-虚拟现实建模-

概述

虚拟现实技术是在虚拟的数字空间中模拟真实世界中的事物，这就需要一个逼真的数字模型，于是虚拟现实建模技术就产生了。虚拟现实与现实到底像不像，是与建模技术紧密相关的，所以建模技术的研究具有非常重要的意义。

按照建模方式的不同，现有的建模技术主要可以分为：几何造型、扫描、基于图象等几种方法。基于几何造型的建模技术需要专业的设计人员掌握相关三维软件创建出物体的三维模型，对设计人员要求高，而且效率不高。三扫描仪以其高精度的优势而得到应用，但由于测量设备本身所占空间比较大，容易受到空间、地点等因素的限制，从而限制其在某些特定情况下的使用范围,再者还需要进行一些后期的专业处理。基于数码照片的三维建模技术则可以根据物体的不同方位运用不同的视角来拍摄的数码照片，只要依据确定的数码相机的内外部参数来确定物体的特征点的空间方位。

开发一个应用的第一步就是要从数学上定义基本过程,并配备已有的硬件资源。第二步就是开发对象数据库和优化模型,即建立对象的形状、外表、行为、限制模型并将对应的I/0 工具映射到仿真的世界。建立一个虚拟对象模型所要考虑的一些基本问题有以下几个方面：几何建模，运动建模，对象特征，模型分割等1。

几何建模技术形状建模要表现三维物体，最基本的是绘制出三维物体的轮廓，利用点和线来构建整个三维物体的外边界，即仅使用边界来表示三维物体。三维图形物体中运用边界表示的最普遍方式是使用一组包围物体内部的表面多边形来存储物体的描述，多面体的多边形表示精确的定义了物体的表面特征，但对其它物体，则可以通过把表面嵌入到物体中来生成一个多边形网格逼近，曲面上采用多边形网格逼近可以通过将曲面分成更小的多边形加以改进。由于线框轮廓能快速显示以概要的说明表面结构，因此，这种表示在设计和实体模型应用中普遍采用。通过沿多边形表面进行明暗处理来消除或减少多边形边界，以实现真实性绘制。

外观建模对象的外表是一种物体区别于其它物体的质地特征，VR系统中虚拟对象的外表真实感主要取决于它的表面反射和纹理。一般来讲，只要时间足够宽裕，用增加物体多边形的方法可以绘制出十分逼真的图形表面。但是VR 系统是典型的限时计算与显示系统，对实时性要求很高。因此，省时的纹理映射(Texture Mapping )技术在VR 系统几何建模中得到广泛应用。用纹理映射技术处理对象的外表，一是增加了细节层次以及景物的真实感；二是提供了更好的三维空间线索；三是减少了视景多边形的数目，因而提高了帧刷新率，增强了复杂场景的实时动态显示效果。

运动建模技术几何建模只是反映了虚拟对象的静态特性，而VR中还要表现虚拟对象在虚拟世界中的动态特性，而有关对象位置变化、旋转、碰撞、伸缩、手抓握、表面变形等方面的属性就属于运动建模问题。

对象位置通常涉及对象的移动、伸缩和旋转。因此往往需要用各种坐标系统来反映三维场景中对象之间的相互位置关系。例如，假如我们开着一辆汽车围绕树驾驶，从汽车内看该树，该树的视景就与汽车的运动模型非常相关，生成该树视景的计算机就应不断对该树移动、旋转和缩放。碰撞检测经常用来检测对象甲是否与对象乙相互作用。例如，两辆汽车碰撞之前的外形模型与发生碰撞后的模型是很不一样的。碰撞检测需要计算对象间的相对位置。在虚拟现实应用中，碰撞检测计算非常费时，研究者从省时和精确的角度发明了许多碰撞检测算法。

物理建模技术在几何建模和运动建模之后，虚拟世界建模的下一步是综合体现对象的物理特性，包括重力、惯性、表面硬度、柔软度和变形模式等，这些特征与几何建模和行为法则相融合，形成更具有真实感的虚拟环境。例如，用户用虚拟手握住一个球，如果建立了该球的物理模型，用户就能够真实地感觉到该球的重量、硬软程度等。物理建模是虚拟现实中比较高层次的建模，它需要物理学和计算机图形学的配合，设计到力学反馈问题，树妖是重量建模、表面变形和软硬度的个物理属性的体现。分行技术和例子系统就是典型的物理建模方法。

分形技术分型技术可以描述具有自相似特征的数据集。自相似特征的典型例子是树。若不考虑树叶的区别，当我们靠近树梢时，数的细稍看起来也像一棵大树。有相关的一组树梢构成的一根树枝，从一定距离观察时也像一棵大树。这种结构上的自相似成为统计意义上的自相似。自相似结构可用于复杂的不规则外形物体的建模。该技术首先用于水流和山体的地理特征建模。例如，我们可以利用三角形来生成一个随机搞成的地理模型，去三角形三边的中点并按吮吸连接起来，将三角形分割成4个三角形，同时，我们给每个中随机地赋值一个高程值，然后递归上述过程，我们就可以产生相当真实的山体。分型技术的优点是简单的操作就可以完成复杂的不规则物体的建模，缺点是计算量太大，不利于时候死刑。因此，在虚拟现实宏一般仅仅用于静态远景的建模。

粒子系统粒子系统是一种典型的物理建模系统，例子系统是用简单的元素来完成复杂的运动的建模。粒子系统有大量的成为例子的简单元素构成，每个例子具有位置、速度。颜色和生命期等属性，这些属性可以根据动力学计算和随机过程得到。在虚拟显示中，例子系统常用与描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象。在虚拟显示中例子系统用于动态的、运动的物体建模。

模型管理技术对一个复杂的虚拟世界，其包含许多的对象，每个对象又包含各种模型，这样由此带来的巨大计算负载使VR引擎（VR实现的软件和硬件环境）几乎不可能做到信息的实时处理和吞吐。这就需要模型管理技术来帮助VR引擎以交互速度绘制复杂虚拟现实，同时对仿真质量不会产生重大影响。常用的模型管理技术有：细节等级（LOD）管理技术和单元分割技术2。