研究生读书笔记要点.docx

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研究生读书笔记要点

研究生读书笔记：

一、虚拟校园系统相关知识

随着计算机技术、通信技术及其他相关技术的飞速发展，虚拟现实的仿真技术也日益成为当前研究的热点。

通常传统的校园三维立体图内容单一，缺乏实体感，实用价值受到限制，而虚拟校园是将虚拟现实技术引入到“数字校园”的研究中，为校园的规划和设计提供了一种全新的手段。

虚拟校园三维模型不仅能自然、真实、形象地表达现实世界的对象，而且拓展了现实校园的时间和空间维度，从而扩展其功能。

虚拟校园漫游系统,以真实校园为整体蓝本（校园布局设计、交通、景观、教学及生活环境、建筑物内外、人文）。

该系统成功虚拟了现实校园的全部场景,可以实现访问者自动漫游,以及改变视点进行环视,访问者还可以做出像在真实世界一样的动态行为,实现了环境的艺术性和真实性。

我们一般以真实校园或校园设计规划的蓝图为参照，利用三维技术和VR技术，在虚拟世界中创建出学校的教学楼、图书馆、食堂、宿舍楼、体育场、道路、广场、花园、树木等虚拟模型，然后以虚拟现实技术为核心，结合ASP技术、JS脚本语言和Java语言，实现基于TCP/IP协议和因特网的逼真虚拟校园漫游系统。

——除了网络应用外，该系统还可用于大屏幕投影显示、触摸屏。

虚拟校园漫游系统（VirtualCampus）是基于地理信息系统技术、虚拟现实技术、宽带网络技术、多媒体技术、计算机图形学等高新技术，将校园地理空间信息和其属性信息相结合，构建一个逼真的、具有视觉、厅局、触觉的虚拟校园景观，用户可以利用计算机网络远程访问这个全新的校园景观，通过终端计算机在虚拟校园中漫游，而且可以进行查询、搜索等操作。

虚拟校园漫游系统是数字校园建设的基础，它的研究和创建对以后数字校园的建设有重要的现实意义。

它是一个三维可视化的、有声有色的仿真校园景观，既可以为学校树立良好的形象，提高学校的知名度，宣传校园文化，还可以作为校园规划的辅助工具，在对校园内部的建筑物、道路、辅助设施进行修建规划时，可以在这个虚拟三维环境中动态交互的对未来校园环境进行全面的审查，为校园规划和设计提供更明确的目标。

同时也提高了校园管理的效率和科学化水平，加快校园建设。

虚拟现实系统中场景模型的复杂度和交互实时性之间的矛盾是虚拟场景绘制中存在的主要问题，也是制约虚拟现实应用发展的瓶颈技术。

实时三维图形绘制和加速技术是目前计算机图形、虚拟现实技术中重要的研究领域和极富挑战性的课题。

随着虚拟现实技术应用的深入，计算机所绘制的场景日益复杂、逼真，远远超过了计算机硬件绘制能力。

尽管计算机图形软、硬件技术水平飞速发展，许多图元的绘制可通过硬件来实现加速，但是远远不能满足人们的应用需求。

而且，虚拟现实技术的许多应用领域（如:

协同式计算机辅助设计、虚拟场景漫游、飞行仿真、vR游戏、远程医疗和数字地球等）都要求用户能在交互式的帧频率下同场景中的对象进行实时操作和理解。

二、虚拟校园场景相关建模技术

1.基于图形绘制的建模技术

基于图形绘制的建模技术（Graphic-BasedModelingandRendering——GBMR，简称几何建模法）是充分利用计算机图形学技术进行虚拟环境的建模和绘制。

首先对真实世界进行抽象，用多边形构造虚拟景观（包括地形、建筑、实体、树木等）的三维几何建模，并建立虚拟环境中的光照和材质模型，然后进行纹理映射及控制参数设定，利用计算机由模型实现多边形处理、着色、消隐、光照以及投影等一系列绘制过程，产生虚拟场景，在输出设备上实时渲染绘制视景画面，从而完成对整个场景的漫游和交互。

几何建模法实现的虚拟场景大多具有精确对应的几何模型，得到的场景显得比较细腻、逼真，同时便于用户与虚拟场景中虚拟对象的交互，以及对虚拟对象的深度信息进行直接获取。

即使在规划设计阶段，只要有相关的建筑图纸，按照对应比例与尺寸，一样能够完成场景的构建与漫游，即能够实现虚物实化。

几何建模法应用时间较长，技术路线比较成熟，国内外都研发了许多建模工具及控制集成软件，这些都使得几何建模法目前实际应用比较广泛。

但在场景模型比较复杂的情况下，几何建模技术也存在一些不足：

一是对复杂场景进行详细建模太过烦琐，工作量大，费时费力；二是当场景模型复杂时，实时显示的计算量较大，而使用户与虚拟场景无法实时交互，用户对场景中虚拟对象的操作也无法得到实时的反馈，场景难以达到完全逼真；三是场景实时渲染绘制对计算机软硬件要求较高。

这将使场景的复杂性因硬件的处理能力而受到限制，从而使对复杂场景的建模难以实现。

2.基于图像的建模绘制技术

基于图像的建模绘制技术（Image-BasedModelingRendering——IBMR）是指用预先获得的一组图像（合成的或真实的）来表示场景的形状和外观；而新图像的合成则是通过适当地组合原有图像来实现。

基于图像建模的方法可以克服复杂场景三维建模的困难，并且可以使用真实世界的图像提供更丰富的细节，较容易得到与真实环境相近的效果，生成图像的质量独立于场景的复杂性。

其计算量较小，也不受场景复杂度的限制，且对硬件的要求也不及基于图形的建模高，还可以在微机上实现。

但由于场景中的虚拟物体是图像中的二维对象，因而用户很难甚至不能与这些二维对象进行交互，出现漫游失真，该方法适合于基于真实自然场景的三维虚拟环境的建立。

另外，获得实景图像需要高性能的照相与摄影器材，得到的大量图像文件也需要大量的存储空间，这些都使它的应用受到了一些限制。

从以上对两种技术的介绍可以看出：

与GBMR相比较，IBMR的优点在于：

建模容易：

不需耗费大量的人力和技巧，通常的IBMR意义下的建模过程主要是一个系统如何组织和联系现有获得数据的问题，而不是需要所有的几何细节。

用户需要做的事情主要是拍摄照片以及一些简单的交互操作，即使需要一些额外的几何信息，IBMR系统一般也是主要通过计算机视觉的知识进行自动的提取和匹配，而不需要人工的繁复劳动。

绘制快：

不需要复杂的计算，直接从已有的视图中合成新视图，绘制时间不依赖于场景的复杂度，它所构造的场景模型一旦建立，在绘制输出时和场景的复杂度没有关系，只跟采样与显示分辨率有关。

在场景复杂度增加时，它的显示输出时间是一个常数，不会因为场景复杂度增加而引起“屏闪”现象。

由于绘制速度快，可以在低档微机上实时生成场景，无需高档的图形专用硬件，这是IBMR技术的一个明显优势。

真实感强：

由于所有景物的形状、光照、材质和纹理等效果都是来自真实拍摄的照片，而不是通过模型计算生成光照与纹理图像，真实场景的显示容易达到很高的逼真效果，是传统基于几何方法无法比拟的，这是IBMR技术相对于传统几何建模绘制技术最明显的一个优势。

计算量小：

基于几何的方法需要建立场景完整的、精确的表达，绘制时也要对整个场景进行计算和存储。

相反，IBMR技术只需要离散的相片采样，绘制时也只要对与当前视点相邻的图像进行处理，因此计算量远远小于传统计算机图形学建模。

3.基于图形与图像的混合建模技术

可以看出GBMR和IBMR这两种方法各有优缺点，如果采用基于图形与图像混合建模技术就能将两者的优点集于一体，在应用中扬长避短。

既避免复杂场景几何模型的大量计算，又满足实时性要求。

混合建模技术的基本思想是先利用IBMR构造虚拟场景的环境来获得逼真的视觉效果，同时对虚拟环境中用户要与之交互的对象利用GBMR来进行实体构建，这样既增加了场景真实感，又能保证实时性与交互性，提高用户的沉浸感，在实际应用上，这种技术将很有意义。

尽管基于图形与图像的混合建模技术集基于图形渲染建模与基于图像建模的优点于一体，但是其实现也带来很多技术上的困难和人机交互的难度，如两种场景的无缝连接和交互时的场景变换等问题尚待优化，因此，这种图形与图像的混合使用与真正意义上的混合建模技术还有很大的距离。

为了避免复杂场景几何模型的大量计算，构造真实感强、逼真度高、实时性强的校园场景，VCS虚拟校园系统采用基于图形与图像的混合建模技术作为三维场景模型建立的最主要建模技术。

同一个物体，把它放到远近不同的位置，人的眼镜所能看到的该物体细节的详细程度是不一样的，在视点离物体比较远的情况下，再详细的模型，也只能看到大概的轮廓，因此如果此时仍然选用细节非常详细的物体模型参与该模型远景的生成，则是一种浪费，应该用一个相对比较简单但又能表现其主要轮廓的模型取而代之。

有效的办法是，根据这一视觉规律，预先为同一个物体建造一组详细程度有差别的几何模型，计算机在生成视景时，根据该物体所在位置离视点距离的大小，调入相应详细程度的模型参与视景的生成，以节约计算时间，增强视景的“实时”效果，其实现方法就是为物体建造一组详细程度不同的模型。

目前的层次细节技术的研究主要集中于如何建立原始网格模型的不同层次细节模型以及如何建立相邻层次的多边形网格模型之间的几何形状过渡。

对于原始网格模型的不同层次细节的模型建立，我们假设场景的模型都是三角形网格（在实际应用中，为了绘制方便，三维场景最后一般都被转化为三角形网格），从网格的几何及拓扑特性出发，存在着三种不同基本简化操作，分别是：

（1）顶点删除操作。

删除网格中的一个顶点，然后对它的相邻三角形形成的空洞作三角剖分，以保持网格的拓扑一致性。

（2）边压缩操作。

把网格上的一条边压缩为一个顶点，与该边相邻的两个三角形退化（面积为零），而它的两个顶点融合为一个新的顶点。

（3）面收缩操作。

把网格上的一个面片收缩为一个顶点，该三角形本身和与其相邻的三个三角形都退化，而它的三个顶点收缩为一个新的顶点。

虚拟场景模型是整个实时漫游系统的基础，模型的好坏直接影响运行的效果和场景的逼真度，过多的模型细节会严重降低基于Web场景图形的绘制效率，因此在建模过程中往往要在模型的细节度和复杂性之间寻求平衡，必要时用纹理代替模型细节。

完全用VRML语言建立复杂的三维模型是相当烦琐的并毫无直观性可言，而3DSMAX强大的三维建模功能刚好可以弥补VRML这方面的不足3DSMAX是一种功能强大的可视化建模工具，只要综合利用3DSMAX中提供的各种建模方法和工具，就可以得到合乎用户需要的模型，一般对于复杂的造型采用它，3DSMAX支持VRML文件格式的输出，通过VRML插件辅助工具，可以直接输出场景，包括几何造型、材质、动画等，大大简化了VRML编程复杂度。

在VCS虚拟校园系统场景的构建中，充分利用了3DSMAX12给用户提供的多种建模方法，分别如下所示：

（1）直接创建几何体对象。

3DSMAX内置了许多基本的几何体模块，比如球体、立方体、圆柱体、三角锥等，用户只要拖动鼠标定义对象的尺寸，或者在命令面板中直

接用键盘输入各种位置、大小信息，3DSMAX就会生成一些基本几何体，在对这些基本几何体进行一系列的编辑，既可以得到所要创建的对象。

（2）使用样条曲线图形。

样条曲线是一种根据数学原理弯曲的特殊类型曲线，它们通常是在三维空间中绘制的二维曲线，3DSMAX通过给二维图形添加厚度（Extrude）、旋转（Lathe）样条曲线来创建三维对象。

（3）使用网格（Mesh）对象。

网格对象是大多数3D文件类型使用的默认模型类型，包括流行的3D格式3DSDXF都是以网格的形式存储的。

3DSMAX可以把一些简单的几何体转换为网格对象，然后通过编辑修改器（Modifier）对网格对象的次对象，如顶点（Vertex），边（Edge）、面（Face）、多边形（Polygon）和体元素（Element）进行编辑，从而得到想要得到的复杂模型。

（4）使用面片（Patch）对象。

面片的使用方法类似于网格，它们的区别仅在于生成图形的数学原理基于Web的VCS虚拟校园系统的构建不同，网格对象用平面方程来包围几何体的表面，面片则是用Bezier曲线来逼近物体表面，它是多边形网格对象的补充。

（5）使用复合（Compound）对象。

它主要是通过对已得到的简单模型进行变形（Morph），离散（Scatter）、包裹（Conform）、连接（Connect）、形体合并（ShapeM