虚拟现实课件第5章39[1]
一、几何建模
几何建模：描述虚拟对象的形状（多边形、三角形、顶点和样条）以 及它们的外观（表面纹理、表面强度和颜色）。
1、虚拟对象的形状
参数表面
三角形网格
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1、虚拟对象的形状
对象表 面造型方
法
工具包编辑器
导入CAD文件
三维数字化仪 创建对象
Raindrop Geomagic公司Geomagic Wrap 软件
Polhemu虚s拟Fa现st实Sc课an件3第D 5扫章描39仪[1]
2、对象的视觉 外观
局部场景光照
孤立地处理对象和光源之间的交互， 而忽略对象之间的相互依赖关系。
模拟对象之间的相互反射和阴影效 果，从而得到真实感更强的场景。
电子扫描方 式
利用解析函 数
商业纹理 数据库
纹理映射
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2、对象的视觉 外观
45992个多边形
一个纹理多边
形
通过表面纹理减少多边形数目
混合叠加原理
凹凸纹理是表现表 面高度信息的单色 纹理,用灰度级表示
凹凸映射的例 虚拟现实课件子第5章39[1]
2、对象的视觉 外观
另一类混合叠加纹理映射:光线映射:低分辨率的灰度级纹理,模 拟给定光源锁产生的光。
用户感觉到的阻 力
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五、行为建模
虚拟人(agent)：是一个具有人的行为特征的三维角色。一组agents 称为人群，他们具有群组行为。
虚拟环境的自主程度取决于各个组件（称为交互对象， agent,或人群的自主程度。
自主级别 level of autonomy, 简称LOA
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缩放变换
相对于原点缩放
相对于(xf,yf,zf) 点缩放
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旋转变换
1.绕x轴旋转变换
2.绕y轴旋转变换
3.绕z轴旋转变换
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旋转变换
1.相对原点任意角度旋转变换
对象的位置
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变换不变式
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2020/12/5
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第五章 建模
几运 物 行
模
何动 理 为
型
建建 建 建
管
模模 模 模
理
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VR的硬件保 障
虚拟世界的 对象数据库
运动建 模
物理建 模
几何建 模
IO映射
VR创作工具
实时仿 真
智能行 为
模型管 理
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五、模型管理
模型管理：包含那些用于帮助VR引擎以交互速度绘制复杂虚拟环境， 同时对仿真质量不会产生重大影响的技术。
对象细节等级管理
静态LOD管理 自适应的LOD管理
模型管 理的方法
单元划分 离线预计算
数据库管理
细节等级管理：(Level-of-detail,简称LOD)管理那些通过选择对象 相应的细节等级来提高图形流水线吞吐量的技术。
包围盒：包围给 定三维对象所有顶 点的棱柱。
检测不 到碰撞的 情况：
轴向包围盒 （axis-aligned
bounding box,AABB）－沿世 界坐标系的坐标轴
碰撞检测
近似检测
精确检测
碰撞检测
包围盒检 测
AABB OBB
使用Voronoi区域
使用代数方法，隐函数方虚法拟现实课件第5章39[1]
Phong明 暗处理
平面明暗处 理
法向量插值
基于辐射度的整体光照处理
辐射度处理与图形绘制流水线的同步
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2、对象的视觉 外观
场景光照
纹理映射
是在图形流水线的光栅化阶段执行 的一种技术，其目的是更改对象模 型的表面属性，如颜色、漫反射率 和象素法向量。
创建方法
画图程序产 生的纹理位图
三、物理建模
4、力的平滑与映 射
是触点处多边形的 加权表面法向量。
表面细节
触点I的 渐变处理
虚拟球表面变形
是网络点i处的穿透距离，即内部触点和该网络点当前位置之 间的距离。 －－触觉手套激励器与最后得到的网格力之间的夹角。
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三、物理建模
4、触觉纹理映射
PHANToM产生的触觉纹 理
自适应的LOD管理：解决静态LOD管理无法解决的一些问题。
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五、模型管理
自适应LOD管理：考虑光照信息。其预计算阶段根据特定的光照条件 和观察角度确定顶点折叠和分裂的方法。
边折叠
局部分 裂
8192 0.115秒
512
537 0.024秒
均匀的 高密度球
低密度 球
单个对象的自适应LOD管 理
标准的 二维光 线映射 纹理
叠加的 光映射 纹理
光线的多纹理映射
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二、运动建模
运动建模：主要用于确定三维对象在世界坐标系中的位置，以及它们 在虚拟世界中的运动或者虚拟相机的运。
1、齐次变换矩阵
•所谓齐次坐标就是将一个原本是n维的向量用一个n+1维向量来表示。如 向量(x1,x2,…,xn)的齐次坐标表示为(hx1,hx2,…,hxn,h)其中h是一个实 数。显然一个向量的齐次表示是不唯一的，齐次坐标的h取不同的值都表 示的是同一个点，比如齐次坐标[8,4,2]、[4,2,1]表示的都是二维点 [2,1]。
预见集(LOD 1 最低，4最高)

有数据库虚管拟理现时实课的件帧第绘5章制39时[1]间
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/12/5
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解决办 法：
1）提 高绘制速 度
2）利 用场景相 关性。
三、物理建模
2、表面变形
表面切割
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三、物理建模
3、受力计算 弹性虚拟对象
塑性虚拟对象
弹性虚拟对象
虚拟墙
单位步进函数
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三、物理建模
3、受力计算 弹性虚拟对象
塑性虚拟对象
塑性虚拟对象
静态LOD管理：基于对象的离散几何、alpha融合和形状渐变。
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五、模型管理
离散几何LOD管理：它把场景划分成虚拟相机的位置为中心的同心圆 区域，同心圆半径由用户定义。
“跃变问 题“
改变模型的多边形数目
Alpha融合：把一个模型 的透明度设置为与虚拟相 机之间距离的函数。越近 的模型越不透明。
被指导的(guided)
程序控制的 (programmed) 自主的(autonomous)
仿真的自主级 别：
Agent行为 模型
情绪 行为规则 动作
Agent行为 的层次
基于情绪的行为 反射行为
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五、行为建模
反射行为表现为：每当看见对手就阻截。 基于情绪的行为：通过喜欢、不喜欢、生气和恐
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五、模型管理
单元分割 自动单元分割：能把虚拟世界划分称为较小的空间和单元，只有位于 当前空间中的对象才会被绘制，从而大大降低了绘制复杂度。
一个单元中所有可见 的多边形的组合被看成 该单元的潜在可视集 (potentially visibe set,简称PVS)，由于 PVS的大小远小于整个模 型的大小，绘制时间减 小。
自适应 LOD管理
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五、模型管理
0.99秒
标准偏 差0.305
0.305秒
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五、模型管理
0.1秒
0.13秒
标准偏 差0.0085
单元分割
自动单元分割：能把虚拟世界划分称为较小的空间和单元，只有位于 当前空间中的对象才会被绘制，从而大大降低了绘制复杂度。
模型被分割的 细小程度
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五、模型管理
组合单元和LOD以及数据库方法：
数据库管理层，根据视点位 置预先调出需要的模型部分。 估计虚拟相机在N帧后会旋转 多远，并从硬盘预先取出相 应的单元，然后对取到的单 元使用LOD，以确定模型被载 入流水线的顺序。
只在与虚拟相机所在单元相临的单 元中才加载这些高LOD模型
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对象层次
虚拟相机观察到的虚拟手层次 结构
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观察三维世界
观察变换：世界坐标系到照相机坐标系的变换，称为观察变换。 几何处理阶段：1）把虚拟对象映射到照相机坐标系；2）光照计算； 3）透视投影；4）剪裁和屏幕映射。
frustr um
近平 面
三维数字化扫 描化仪创建
商业三维数据 库
AutoCAD 3D Studio
Polhemus铁笔
Mira Imaging公司 工作范围小，
HyperSpace
精度1mm
微型三维跟踪器 4200纹理多边形， Beizer曲线
扫描得到的 点云状图
三角形网格 简化
用参数表面NURBS 样条改良成新的多
边形参数表面
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变换不变式
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对象层次
对象层次：定义了作为一个整体一起运动的一组对象，但是各部分也 可以独立运动。至少分为两级：上一级对象是父对象，下一级称为子 对象。父对象的运动会被其所有子对象复制，而子对象的运动却不会