2.1　視景建模需求分析

計(jì)算機(jī)生成視景的工作主要包括以下幾個(gè)步驟：

①計(jì)算生成具有真實(shí)感的物體，真實(shí)感包括顏色、光照、立體感和運(yùn)動(dòng)感；

②計(jì)算生成或直接從圖像庫(kù)中獲取具有真實(shí)感的背景圖像；

③經(jīng)過(guò)掃描變換將物體和背景統(tǒng)一在同一坐標(biāo)系中。

視景系統(tǒng)主要是指飛行仿真時(shí)觀察到的景象。Creator系列軟件將多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成三種功能集成在一起^[34]，它的邏輯化、層次化的OpenFlight數(shù)據(jù)格式（Flt）是可視化的數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)，也是視景仿真領(lǐng)域的行業(yè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。本書(shū)使用Creator進(jìn)行視景建模^[35，36]，主要進(jìn)行虛擬可視化系統(tǒng)中的飛機(jī)、導(dǎo)彈可視化建模，儀表可視化建模和大面積地形建模。

在飛機(jī)、導(dǎo)彈可視化建模中，考慮根據(jù)Creator的空間方式和邏輯方式相結(jié)合來(lái)組織數(shù)據(jù)庫(kù)，將飛機(jī)模型數(shù)據(jù)庫(kù)分為可動(dòng)部分和不可動(dòng)部分；考慮到后續(xù)的飛行仿真過(guò)程，為了使導(dǎo)彈能夠進(jìn)行發(fā)射，導(dǎo)彈應(yīng)該單獨(dú)建立模型。

在儀表可視化建模中，根據(jù)儀表的不同形式，利用Creator儀表建模模塊，分別建立飛機(jī)座艙中常見(jiàn)的盤(pán)式量表、矩形量表、柱形量表、地平儀等儀表^[37]。

視景系統(tǒng)主要模型需求分析見(jiàn)表2-1：

2.1.1　視景生成過(guò)程

視景仿真系統(tǒng)由三部分組成：視景數(shù)據(jù)庫(kù)、圖像生成器和顯示系統(tǒng)。視景數(shù)據(jù)庫(kù)包括幾何定義數(shù)據(jù)、仿真環(huán)境需要的色彩和紋理數(shù)據(jù)；圖像生成器繪制的內(nèi)容是仿真器從視點(diǎn)方面定義的，這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在視景數(shù)據(jù)庫(kù)中；顯示系統(tǒng)可以是投影儀、CRT顯示器或者頭盔顯示器等。

視景數(shù)據(jù)庫(kù)由兩部分組成，圖像數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)以直接方法或間接方法存儲(chǔ)，圖形數(shù)據(jù)以向量方式或參數(shù)方式存儲(chǔ)。由于視景是一個(gè)隨時(shí)間變化的三維世界的再現(xiàn)，因此，除了有像三維投影和立方體視覺(jué)等與光學(xué)有關(guān)的待解問(wèn)題外，還有物體在空間中運(yùn)動(dòng)的實(shí)際的實(shí)時(shí)計(jì)算問(wèn)題。

視景中的圖像是計(jì)算機(jī)根據(jù)環(huán)境的需要，利用給定的條件和模型，在對(duì)圖像數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)計(jì)算后生成的，一幅視景圖像的決定條件除了語(yǔ)音之外還有三個(gè)：

①生成條件與模型；

②圖像數(shù)據(jù)；

③圖形數(shù)據(jù)。

因?yàn)閳D形數(shù)據(jù)易于存儲(chǔ)計(jì)算和管理，所以占用的存儲(chǔ)空間和信道傳輸帶寬也小，而圖像數(shù)據(jù)則需要占用大量的存儲(chǔ)空間，而且在陰影等處理上也比圖形要困難一些，有時(shí)甚至是不可能的。早期的VR系統(tǒng)限于條件，大多數(shù)不使用圖像數(shù)據(jù)而僅使用圖形數(shù)據(jù)。但只使用圖形數(shù)據(jù)往往不能滿足用戶的要求，因?yàn)橛袝r(shí)為了使視景逼真，例如，希望視景是在月球或行星上的，那么僅僅利用圖形學(xué)的方法至少在目前是生成不出這樣的圖像的，所以必須將實(shí)際拍攝的圖像用特殊形式加進(jìn)去才會(huì)顯示得逼真。當(dāng)然，盡管現(xiàn)在存儲(chǔ)器的成本下降得很快，但VR中對(duì)圖像的存儲(chǔ)、傳輸和計(jì)算問(wèn)題的處理仍要十分小心，因?yàn)樗脠D像的數(shù)據(jù)量太大，幾百兆、上千兆的存儲(chǔ)容量對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像來(lái)說(shuō)是很小的。

2.1.2　視景的內(nèi)部表示

（1）圖形表示

圖形的最基本表示單位是點(diǎn)和線，圖形的常用單位是多邊形，圖形中另外的一部分基本常用概念包括曲線和曲面。

眾所周知，計(jì)算機(jī)處理的是離散的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的圖形顯示設(shè)備對(duì)于程序設(shè)計(jì)用戶來(lái)說(shuō)只相當(dāng)于一個(gè)幀存儲(chǔ)器，因而，顯示圖形就是寫(xiě)存儲(chǔ)器操作。

直線的計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示方法有兩種：網(wǎng)柵和矢量。網(wǎng)柵表示是按點(diǎn)陣表示圖像的方法，它對(duì)應(yīng)直接表示模式；矢量表示通常是用直線的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)表示線段的，它對(duì)應(yīng)圖形庫(kù)和圖形函數(shù)的描述。多邊形的計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示則采取網(wǎng)柵和頂點(diǎn)表示。矢量所表達(dá)的是連續(xù)量，而網(wǎng)柵所表達(dá)的是離散量，所以從矢量到網(wǎng)柵的映射是一種多對(duì)一的映射。

（2）圖像表示

①二維圖像的表示　在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理和顯示的圖像中一種最常見(jiàn)而且是最基本的表達(dá)就是二維數(shù)據(jù)矩陣表達(dá)，其中每一個(gè)矩陣元素代表對(duì)應(yīng)點(diǎn)的灰度值，這種表達(dá)有時(shí)也稱為直接表達(dá)或位圖表達(dá)。這種表達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是直接對(duì)應(yīng)于光柵顯示設(shè)備，因而不必經(jīng)過(guò)任何計(jì)算就可以在顯示器上顯示，這是圖形所無(wú)法比擬的。這一點(diǎn)對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像的顯示特別重要。同時(shí)大多圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理算法可以直接對(duì)該表達(dá)矩陣實(shí)施操作。盡管如此，這一表達(dá)方法仍然有以下不足：

·這種表示本身沒(méi)有直接包含任何關(guān)于圖像中對(duì)象幾何結(jié)構(gòu)的信息；

·這種表示方法具有很大的冗余度，這種冗余對(duì)于存儲(chǔ)和計(jì)算都是存在的。

在二維圖像中所有的對(duì)象都可以看作是由各種不同形狀、不同大小區(qū)域構(gòu)成的，因而，從這一點(diǎn)出發(fā)可以分為兩類不同的表示方法——基于邊界和基于區(qū)域的方法。

②三維圖像的表示　在圖像中，二維表示對(duì)于圖像處理很重要，但是顯示及推理時(shí)，三維表示對(duì)圖像處理的要求往往更為細(xì)致。在三維中可以分為對(duì)曲線和曲面的表示。在這里按照此分類討論三維圖像的表示問(wèn)題。

三維曲線表示：在視覺(jué)處理中得到的三維曲線往往不是理想的曲線，中間可能存在不連續(xù)，這樣與二維類似，三維B樣條就是其表示方法之一。

三維曲面表示：計(jì)算機(jī)視覺(jué)的中心問(wèn)題之一就是恢復(fù)三維深度，因而三維曲面的表示就非常重要。近20年來(lái)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在多變量曲線插值、Coons曲面、B樣條、有理曲線／曲面等有較好發(fā)展。其中，Coons、Gordon創(chuàng)立了Coons-Gordon型曲面，提出了由曲線邊界或曲線網(wǎng)格構(gòu)造曲面的簡(jiǎn)便方法，特別有利于多張曲面的拼接。Bezier研究了以逼近為基礎(chǔ)的構(gòu)造曲線與曲面的方法，并首先推向了工業(yè)界，為CAD在制造業(yè)的應(yīng)用做出了極大的貢獻(xiàn)，至今一些著名軟件如UGII等仍保留著B(niǎo)ezier曲線、曲面。之后，一方面，F(xiàn)orrest、Gordon、Riesefeld等對(duì)Bezier方法進(jìn)行了進(jìn)一步的探討和改進(jìn)，從中找出了此方法與Bernstein多項(xiàng)式及B樣條理論之間的密切聯(lián)系，從而使B樣條曲線、曲面得到了廣泛應(yīng)用。B樣條克服了Bezier方法的不足之處，具有局部修改方便，形態(tài)控制靈活、直觀，凸包性好等優(yōu)良特性，成為構(gòu)造曲線、曲面的主要工具。另一方面，有理形式的曲線、曲面也受到了人們的注視，F(xiàn)orrest、Ball引入了二次、三次曲線。1975年，美國(guó)的Versprolle在其博士論文中率先提出了非均勻有理B樣條。之后，Tiller，Piegl等對(duì)NURBS的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。現(xiàn)在，國(guó)外幾乎所有的商品化三維圖形軟件都號(hào)稱使用了NURBS，而且數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)IGES、PDDI、STEP都已經(jīng)收入了NURBS曲線、曲面，使之成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）視景的高層內(nèi)部表示

視景的高層表示中遇到的首要問(wèn)題是如何表示三維物體，包括如何表示單一三維物體的結(jié)構(gòu)信息及多個(gè)三維物體空間關(guān)系信息等，即在更高層次上設(shè)計(jì)虛擬環(huán)境中的視景。

我們所看到的和所能接觸到的世界主要是由剛性物體組成的。當(dāng)給人們一個(gè)以前從未見(jiàn)過(guò)的陌生物體時(shí)，人們會(huì)利用包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官?gòu)亩鄠€(gè)不同的觀察點(diǎn)去搜集了解有關(guān)該物體的物理結(jié)構(gòu)和信息。這種詳細(xì)搜索并存儲(chǔ)物體信息的過(guò)程便稱為模型生成。我們不難從一幅照片中看出其中物體的相對(duì)空間關(guān)系。換句話說(shuō)，人們能夠通過(guò)從圖片中標(biāo)識(shí)定位然后描述出物體的方位，這種圖片可以對(duì)應(yīng)于實(shí)際世界某一視點(diǎn)觀察到的有限范圍內(nèi)的信息。這種圖片在視景仿真系統(tǒng)中可以由數(shù)字值組成的輸入矩陣表示，這些數(shù)字值可表示灰度、深度或其他標(biāo)量信息，通常被稱為圖像。

視景高層內(nèi)部表示的方法包括物體的結(jié)構(gòu)與物體的多視特征表示法，其中結(jié)構(gòu)表示法中包括邊界法、廣義錐法和結(jié)構(gòu)立體幾何法；物體的多視特征表示法包括特征法與特征視圖表示法。

2.1.3　視景三維建模技術(shù)

為了給用戶創(chuàng)建一個(gè)逼真的環(huán)境，使其有身臨其境的感受，必要的條件之一就是根據(jù)需要能在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中逼真地顯示出客觀世界中的一切對(duì)象。不只是要求所顯示的對(duì)象在外形上與真實(shí)對(duì)象酷似，而且要求它們?cè)谛螒B(tài)、光照、質(zhì)感等方面都十分逼真。

虛擬環(huán)境的建模是整個(gè)視景仿真系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，主要包括三維視覺(jué)建模和三維聽(tīng)覺(jué)建模。其中，視覺(jué)建模主要包括幾何建模、運(yùn)動(dòng)建模、物理建模、對(duì)象行為建模以及模型分割等。聽(tīng)覺(jué)建模通常只是把交互的聲音響應(yīng)增加到用戶和對(duì)象的活動(dòng)中。盡管我們可以利用某些CAD的工具，視景仿真環(huán)境建模與傳統(tǒng)CAD和動(dòng)畫(huà)建模有著本質(zhì)上的不同。其主要差別有：視景仿真建模中比CAD系統(tǒng)建模要說(shuō)明的內(nèi)容要多，除說(shuō)明造型外還要說(shuō)明許多系統(tǒng)連接，如自由度。由于要實(shí)時(shí)運(yùn)行三維模型，其建模方法與以造型為主的建模有很大的不同，大多用其他技術(shù)如紋理來(lái)提高逼真度，而不是增加幾何造型復(fù)雜度。

（1）幾何建模

幾何模型是用來(lái)描述對(duì)象內(nèi)部固有的幾何性質(zhì)的抽象模型，所表示的內(nèi)容包括：

①對(duì)象中基本的輪廓和形狀，以及反映基本表面特點(diǎn)的屬性，如顏色等；

②基元間的連接性，即基元結(jié)構(gòu)或?qū)ο蟮耐負(fù)涮匦浴＿B接性的描述可以用矩陣、樹(shù)、網(wǎng)絡(luò)等；

③應(yīng)用中要求的數(shù)值和說(shuō)明信息。這些信息不一定是與幾何形狀有關(guān)的，例如基元的名稱，基元的物理特性等。

對(duì)象中基元的輪廓和形狀可以用點(diǎn)、直線、多邊形圖形、曲線或曲面方程以及圖像等方法表示，到底用什么方法表示取決于對(duì)存儲(chǔ)和計(jì)算開(kāi)銷的綜合考慮。抽象的表示利于存儲(chǔ)，但使用時(shí)需要重新計(jì)算；具體的表示可以節(jié)省生成的計(jì)算時(shí)間，但存儲(chǔ)和訪問(wèn)存儲(chǔ)所需用的時(shí)間和空間開(kāi)銷比較大。

幾何模型一般可以表示成分層結(jié)構(gòu)，因而我們有可能使用自頂向下的方法將一個(gè)幾何對(duì)象分解，也可以使用自底向上的構(gòu)造方法重構(gòu)一個(gè)幾何對(duì)象。

對(duì)象形狀能通過(guò)PHIGS、Stardase或GL、XGL等圖形庫(kù)從頭創(chuàng)建，但一般都要利用一定的建模工具。最簡(jiǎn)便的方法就是使用傳統(tǒng)的CAD，當(dāng)然得到高質(zhì)量的三維可視化數(shù)據(jù)庫(kù)的最好方法是使用專門的視景仿真建模工具。

虛擬對(duì)象外表的真實(shí)感主要取決于它的表面反射和紋理。以前，提高一個(gè)對(duì)象真實(shí)感的辦法是增加物體的多邊形細(xì)節(jié)。在需要實(shí)時(shí)仿真時(shí)，增加多邊形會(huì)使圖形處理速度變得緩慢。現(xiàn)代圖形硬件平臺(tái)具有實(shí)時(shí)紋理處理能力，例如SGIOnyx2工作站允許三維的圖像數(shù)據(jù)覆蓋到多邊形上。這意味著在維持圖形速度的同時(shí)，可用少量的多邊形和紋理增強(qiáng)真實(shí)感。紋理中的最小元素被稱為紋理元素。每個(gè)紋理元素由紅、綠、藍(lán)、亮度和透明度Alpha組成。

紋理給視景仿真帶來(lái)了許多好處。首先，它增加了細(xì)節(jié)水平以及景物真實(shí)感；其次，由于透視變換，紋理提供了更好的三維線索；最后，紋理大大減少了視景多邊形的數(shù)目，因而提高了刷新頻率。

紋理能用下面兩種方法生成：一個(gè)是用圖像繪制軟件交互地創(chuàng)建編輯和儲(chǔ)存紋理位圖，另一個(gè)是用照片拍下所需的紋理，然后掃描得到。目前，已有商品化的紋理數(shù)據(jù)庫(kù)出售。很多高級(jí)的圖形平臺(tái)，通過(guò)提供復(fù)雜實(shí)時(shí)紋理硬件來(lái)提高真實(shí)感。

（2）運(yùn)動(dòng)建模

僅僅建立靜態(tài)的三維幾何體對(duì)視景仿真來(lái)講是不夠的。在虛擬環(huán)境中，物體的特性涉及位置改變、旋轉(zhuǎn)、碰撞、縮放、表面變形等。

物體位置包括物體的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放。在視景仿真中，我們不僅對(duì)絕對(duì)坐標(biāo)感興趣，也對(duì)三維對(duì)象相對(duì)坐標(biāo)感興趣。對(duì)每個(gè)對(duì)象都給予一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，稱之為對(duì)象坐標(biāo)系統(tǒng)。這個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的位置隨物體的移動(dòng)而改變。

在視景仿真系統(tǒng)中，我們經(jīng)常需要檢查對(duì)象A是否與對(duì)象B碰撞，例如用戶的手是否已觸到了虛擬的球。碰撞檢測(cè)需要計(jì)算兩個(gè)物體的相對(duì)位置。如果要對(duì)兩個(gè)對(duì)象上的每一個(gè)點(diǎn)都做碰撞計(jì)算，就要花很多時(shí)間。很多視景仿真系統(tǒng)在實(shí)時(shí)計(jì)算中采用矩形邊界檢測(cè)以節(jié)省時(shí)間，但把精確性降低了。事實(shí)上，這種方法類似光線跟蹤技術(shù)中的包圍盒技術(shù)。

（3）物理建模

虛擬對(duì)象物理建模包括定義對(duì)象的質(zhì)量、重量、慣性、光滑度或粗糙度、硬度、形狀改變模式等，這些特性與幾何建模和行為規(guī)則結(jié)合起來(lái)，形成更真實(shí)的虛擬物理模型。

計(jì)算機(jī)物理仿真作為傳統(tǒng)的數(shù)量分析和預(yù)測(cè)的工具，具有一定的作用。建立仿真系統(tǒng)需要物理學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)配合。

建立動(dòng)態(tài)虛擬物體對(duì)象的關(guān)鍵在于適當(dāng)?shù)貙?duì)動(dòng)態(tài)約束處理，將簡(jiǎn)單的對(duì)象合并成復(fù)雜的對(duì)象，如可以用來(lái)表示一些拼圖和滑梯等對(duì)象，或者將一堆零件裝配成機(jī)器。動(dòng)態(tài)約束也允許用戶定義所期望對(duì)象的形式和行為。

在物理系統(tǒng)中增加或刪除約束將從結(jié)構(gòu)上改變系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，約束的改變導(dǎo)致力的變化。交互環(huán)境必須反映這些變化，可以自動(dòng)地求解新的運(yùn)動(dòng)方程，且沒(méi)有明顯的滯后現(xiàn)象發(fā)生。

（4）對(duì)象行為建模

除了建立對(duì)象運(yùn)動(dòng)和物理特性對(duì)用戶行為直接反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型外，我們還可以建立與用戶輸入無(wú)關(guān)的對(duì)象行為模型。

行為，簡(jiǎn)單地說(shuō)，是指動(dòng)態(tài)實(shí)體活動(dòng)、變化以及與環(huán)境和其他動(dòng)態(tài)實(shí)體之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。它的目標(biāo)是模擬不同的動(dòng)態(tài)對(duì)象，例如：植物、動(dòng)物、飛機(jī)等的行為。虛擬環(huán)境中實(shí)體的行為可劃分為“確定性的”和“非確定性的”兩種基本類型。描述某一實(shí)體的行為是“確定性的”是指：它的狀態(tài)是時(shí)間的一元函數(shù)，也就是說(shuō)，我們可以確定實(shí)體在任意給定的仿真過(guò)程中的完整狀態(tài)。“非確定性的”是指：其行為是不可預(yù)見(jiàn)的，具有一定智能的實(shí)體，如人、動(dòng)物，其行為是不可預(yù)見(jiàn)的。

行為建模就是在創(chuàng)建模型的同時(shí)，不僅賦予模型的外形、質(zhì)感等表現(xiàn)特征，同時(shí)也賦予模型物理屬性和“與生俱來(lái)”的行為與反應(yīng)能力，并且服從一定的客觀規(guī)律。

（5）模型分割

虛擬環(huán)境的幾何體和物理建模所得到的是一個(gè)非常復(fù)雜的模型，大量的多邊形使繪制速度大大減慢。如果現(xiàn)有RAM不能滿足繪制對(duì)大量?jī)?nèi)存的需求，則會(huì)導(dǎo)致大量的內(nèi)存交換，從而降低系統(tǒng)的交互速度。

這些問(wèn)題在建筑仿真中也會(huì)出現(xiàn)。因?yàn)橐摂M化整個(gè)大型建筑的地板、辦公室、客廳、門窗、走廊、樓梯等，這樣一個(gè)模型可能有成千上萬(wàn)的多邊形。同樣的問(wèn)題也存在于虛擬外科手術(shù)的仿真上。我們知道，人的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，我們不可能在滿足交互速率的條件下以足夠的細(xì)節(jié)去繪制出人體的真實(shí)圖形。

任何應(yīng)用都可能面對(duì)建模復(fù)雜度問(wèn)題。在建立模型中，可采用幾個(gè)辦法，如單元分割、變化細(xì)節(jié)、分辨率顯示、脫線預(yù)先計(jì)算以及內(nèi)存管理技術(shù)等，來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。