虚拟现实与三维技术45

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1、LOGO虚拟现实与三维技术的学习汇报虚拟现实与三维技术的学习汇报内容提纲内容提纲虚拟现实简介1三维立体显示技术2三维空间的数据模型3三维空间的拓扑关系4三维建模系统及方法5三维在GIS上的应用及趋势6虚拟现实简介v世界上首个具有虚拟现实思想的装置是由世界上首个具有虚拟现实思想的装置是由Mor-Mor-ton Heiligton Heilig在在19621962年研制成功的，它是一种被年研制成功的，它是一种被称之为称之为SensormaSensorma的具有多种感官刺激的全景式的具有多种感官刺激的全景式立体电影设备。立体电影设备。v19651965年，年，Ivan SutherlandIvan

2、Sutherland博士发表博士发表“The Ul-The Ul-timate Display”timate Display”一文，提出了一种全新的图一文，提出了一种全新的图形显示技术。形显示技术。v19891989年，美国年，美国VPL VPL 公司的创建人之一公司的创建人之一Jaron Jaron Lanier Lanier 提出提出Virtual RealityVirtual Reality的说法。的说法。虚拟现实简介虚拟现实（虚拟现实（Virtual Reality，VR），），（又称作灵境，幻真）就是采用计算机技术（又称作灵境，幻真）就是采用计算机技术生成一个逼真的视觉、听觉、触觉、

3、嗅觉及生成一个逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉及味觉等虚拟的感观世界，用户可以直接用人味觉等虚拟的感观世界，用户可以直接用人的技能和智慧对这个生成的虚拟实体进行考的技能和智慧对这个生成的虚拟实体进行考察和操作。察和操作。虚拟现实简介多感知性多感知性沉浸性沉浸性交互性交互性构想性构想性真实性真实性虚拟现实虚拟现实虚拟现实系统虚拟现实系统虚拟现实简介组成虚拟现实简介简易型简易型沉浸型沉浸型共享型共享型 三维立体显示技术v三维立体显示技术三维立体显示技术三维立体显示技术v眼镜和头盔显示技术v自动分光立体显示技术v体三维立体技术v研究动向眼镜和头盔显示技术眼镜和头盔显示技术v分色技术分色技术是利用人类能感

4、知红蓝绿三原色的机理，使进入左右眼的光谱不同，从而产生双眼视差来产生立体感的眼。主要使用3D 眼镜实现对图像的分色。目前主要应用于3D影院，这种制造相对简单，在一些DVD等影像制品中也附带这种眼镜，在任何色彩显示器上都可以播放。v分光技术分光技术是用偏光滤镜或偏光片滤除特定角度偏振光以外的所有光，让0度的光只进入右眼，90度的光只进入左眼。这种眼镜是由两片液晶片组成，也用于3D 影院中，但是长时间佩戴眼镜会有酸胀感，头也会晕。眼镜和头盔显示技术眼镜和头盔显示技术v分时技术利用双眼视觉的继时显示特性，将两套画面在不同时间播放，将两套画面以极快的速度切换，在人的视觉暂留特性的作用下合成连续的画面，

5、这种眼镜目前也称为液晶快门眼镜。v头盔显示器头盔显示其安装有两个小型显示器在人的眼前，分别为左右眼提供具有双目视差的不同图像。同时遮挡住外部的光线和视野，会有很强的沉浸感。眼镜和头盔显示技术眼镜和头盔显示技术分色眼镜 分光眼镜自动分光立体显示技术自动分光立体显示技术近年来，不需要佩戴眼镜也能看3D立体效果的自动分光立体显示器已经进入了市场。这里介绍两种前置分光器件的方式：v柱透镜法v视差屏障法自动分光立体显示技术自动分光立体显示技术自动分光立体显示技术自动分光立体显示技术体三维立体技术体三维立体技术这是一种真正能够实现动态效果的3D技术！它是利用可见光的产生、吸收或散射来激励透明体内的物质，从

6、而形成类似于空间像素的体素，众多体素聚集在一起，就形成了三维空间的三维图像。研究动向研究动向v美国Actuality systems 公司在2003年美国HIMSS 2003上介绍了立体图像显示系统“perspecta 3D system”v2004年，日本日立公司生产出可以实时生成三维图像的3D显示设备transport，在360度的任何角度都能看到它显示的立体图像。v夏普公司从2003年开始已经卖了上百万部带立体显示屏的手机v2006年，philips公司推出了20英寸和42英寸可2D/3D转换的LCD自动立体显示器。三维空间的数据模型v三维空间的数据模型三维空间数据模型三维空间数据模型三

7、维空间数据模型的研究现状v Bak和Mill提出一个典型的地学资源管理系统(GRMS)。v Rongxing Li提出了一个基于多种表示的三维GIS系统。v Molenaar提出了一个形式化三维数据结构(FormalData Strcture(FDS),定义了一个三维矢量数据模型和三维拓扑关系。v 龚健雅提出了一个以矿山应用为背景的矢量与栅格集成面向对象的三维数据模型,并进一步将面向对象的数据模型扩充到时间维。v Victor和Pilout Metal提出了一个基于点四面体格网(Tetra-hedra Network(TEN)的三维矢量数据模型。v 李青元从矿山与地质领域的应用出发,提出了三维

8、矢量结构GIS的结点、边、环、曲面片、体之间的五组拓扑关系。v 李清泉、李德仁针对城市、海洋等领域的应用,发展了三种不同的空间模型的集成方法,一种是用于城市三维构模基于不规则三角网(TIN)的集成模型,第二种是用于地质、海洋等领域,基于八叉树和四面体格网的混合模型,第三种是具有一般性矢量栅格集成的三维空间数据模型。三维空间数据模型三维空间数据模型v单一三维数据模型三维空间数据模型三维空间数据模型v格网结构是DEM中常用的一种结构，地形表面被划分成规则的格网，每个格网点上有一个高程值相对应，其基本元素是一个点，主要用于DEM中等高线的2.5D表示。三维空间数据模型三维空间数据模型v形状结构通过对

9、象表面点的斜率来描述，基本元素是表面上各单元所对应的法线向量。主要用于表面的3D重建。三维空间数据模型三维空间数据模型v面片结构是用不同形状的面片近似表示一个对象的表面。面片的形状有正方形、规则三角形、不规则三角形（TIN）和泰森多边形等。三维空间数据模型三维空间数据模型v边界表示是一个分级表示方法，空间的任一对象可以分解为4类元素的组合，即点、线、面和体。每一类元素由几何数据、分类标志以及与其他类元素的相互关系（拓扑关系）来描述。三维空间数据模型三维空间数据模型v3D栅格是一个紧密排列充满3D空间的阵列,其元素值是0或1,1表示对象占有,0表示空。三维空间数据模型三维空间数据模型v八叉树结构

10、是2D四叉树结构在空间的扩展,用层次式的3D空间子区域划分来代替大小相等,规则排列的3D栅格。三维空间数据模型三维空间数据模型v结构实体几何法是用预先定义好的具有一定形状的基本体素的组合来表示对象，体素之间的关系包括几何变换和布尔操作。三维空间数据模型三维空间数据模型v不规则四面体结构（TEN）是不规则三角形结构(TIN)向3D的扩展,以四面体作为最基本体素来描述对象.这种结构是以连接但不重叠的不规则四面体构成格网.三维空间数据模型三维空间数据模型v混合(含模型集成)三维数据模型三维空间的拓扑关系三维空间的拓扑关系v三维空间的拓扑关系三维空间的拓扑关系三维空间的拓扑关系在三维空间中,根据空间对

11、象的自由度，可分为4种空间对象，即点状对象、线状对象、面状对象和体状对象。分别定义成零维对象、一维对象、二维对象、三维对象。根据点集拓扑学理论,三维拓扑空间中的对象的形式化定义和关系均基于点集的方法。若将三维空间对象A的边界记为 ,内部记为 ,则存在关系式 =A-。设有两个空间对象A和B,其边界与内部的交集分别用4个集合表示:S2=。其中Si(i=1 2 3 4)的取值范围为dim(Si)。三维空间的拓扑关系三维空间的拓扑关系设三元组(A，R，B)表示三维空间对象A和B间存在着关系R我们称此三元组为一个事实(fact)事实可以通过布尔运算交()或并()进行组合。三维空间拓扑关系最小集的形式化定

12、义如下：三维建模系统及方法v三维建模系统及方法三维模型重建系统一个完整的三维模型重建系统包括一下五个模块：三维模型重建系统 目前的研究内容大都集中在距离图像的分割与距离图像的配准两个方面。1、距离图像的分割：基于边界检测的分割 基于表面拟合的分割 边界检测和表面拟合相结合的分割每种方法都有优缺点:边界检测方法倾向于定位区域的边界,通常速度较快。但是,这种算法不可避免地造成边的不连续,容易得到一些零碎的边,不能保证边界的封闭性,所以必须进行有效的边连接技术,同时对图像中的噪声比较敏感。表面拟合方法通常得到封闭但扭曲、不光滑的边界。同时,基于区域的方法在合并分离时要求好的准则,在聚类时要求适当的阈

13、值。最后的分割结果与种子点或种子区域的选取有关,并且容易造成过分割或欠分割的现象。基于表面拟合的分割通常采用迭代过程,所以很耗时,速度较慢。三维模型重建系统2、距离图像的配准基于传感器精确定位的算法基于特征匹配的算法基于直接定位的匹配融合算法:由于里程仪/陀螺仪/GPS/INS等定位传感器的固有误差,直接利用它们进行定位,所得结果的精度较差。所以,为了得到更好的定位结果,通常结合卡尔曼滤波器来对误差进行修正,或者结合激光测距雷达,进行多传感器的信息融合处理。基于特征匹配的匹配融合算法:为了进行匹配融合,它要求连续测量的距离图像必须有一定程度的重叠,以提取共同的特征进行匹配。这种基于匹配的配准算

14、法,通常都是很耗时的。同时,还牵涉到视点/传感器的规划问题。三维模型重建系统几个典型的三维重建系统：v美国CMU大学的AVENUE Project城市环境中的自动场景建模v欧洲的ACTSRESOLV Project进行环境的三维信息获取与建模,用于重构VR模型v美国MIT大学的City Scanning Project在城市环境中自主导航,获取场景的三维数据并进行三维模型重构v加拿大NRC实验室的VIT Group:三维数字化及建模系统v日本东京大学的VLMS:三维空间的数据自动获取与建模三维模型重建系统三维建模方法三维建模方法v 通过三维造型软件建模：v 3DS MAX是1996年Kinet

15、ix公司在以前的3Dstudio基础上重新开发的一种全新的可用于PC机上的三维造型和动画软件,它采用了模块化的开发平台,通过大量的外挂模块和更多的第三模块可以极大地扩展其功能。可以通过特定外挂软件将3DS MAX中的数据模型转换为特定的数据文件。v MAYA是AliaslWaveFont公司的推出三维制作软件,尽管推出只有几年的时间,但凭借它强大的功能、友好的界面和丰富的视觉效果,在恐龙等影片的三维制作等大显身手,成为三维模型制作的又一个顶级软件。同样可以通过特定外挂软件将MAYA中的数据模型转换为特定的数据文件。v AutoCAD、Google Earth和Skyline。三维建模方法三维建

16、模方法v通过三维应用程序接口实现建模：vOpenGLvQD3D(Quick-Draw 3D)vJAVA 3DvMicrosoft 的 Direct 3DvIDL(Interactive Data Language)vVRML(Virtual Reality Modeling Language)vGoogle Earth的APIvArcSence三维建模方法三维建模方法v其他建模方法：1.基于Multigen的数据建模Multigen Creator/Vega产品是世界上领先的实时三维数据库生成系统,它可以用来对战场仿真、娱乐、城市仿真和计算可视化等领域的视景数据库进行产生、编辑和查看2.三维影

17、像方式建模将DEM与航空影像叠加,生成三维影像3.利用GIS属性建模利用现有GIS系统中x、y坐标和作为属性数据的z坐标值,直接生成三维模型4.激光扫描方式建模利用数字相机和激光扫描仪获取的三维数据建模三维在三维在GIS上的应用及趋势上的应用及趋势v三维在GIS上的应用及趋势三维在三维在GIS上的应用上的应用矿山矿山地质地质环境环境海洋海洋数字城市数字城市气象气象应用三维三维GIS的发展趋势的发展趋势随着计算机科学技术的发展和GIS应用的不断深入,在很多领域,如:地质、矿山、环境、海洋、气象、数字城市等,二维地理信息系统已不能满足人们的需求,取而代之的是空间的、立体的三维GIS。进入20世纪9

18、0年代后,三维可视化与虚拟现实技术的迅猛发展使得建立三维GIS成为可能,而“数字地球”对建立三维GIS也提出了更为迫切的要求。三维GIS不仅能表达空间对象间的平面关系和垂向关系,而且也能对其进行三维空间分析和操作,向用户立体展现地理空间现象,给人以更真实的感受。一方面,随着3D GIS的发展,现在已经出现了4D GIS,即在三维的基础上增加了时间维。例如水灾、地震、暴风雨以及山体滑坡等都会使局部地质条件发生快速而巨大的变化。为充分满足需要,这种时间数据获取能力应该与3D模型相结合,地质上对4D的空间空间模型尤为感兴趣。这些问题的彻底解决,则需要在三维GIS技术成熟之后,再发展成为四维GIS。另一方面,随着网络技术的发展,3D GIS不仅局限于单机,而更多的应用于网络,使得更多的用户通过Internet突破空间限制,共享地球空间的各种信息。LOGOLOGO演讲完毕，谢谢观看！