中國礦業(yè)大學地學可視化考試重點地學可視化復習

1、科學計算可視化：通過研制計算機工具、技術和系統(tǒng)，把實驗或數(shù)值計算獲得的大量抽象數(shù)據(jù)轉換為人的視覺可以直接感受的計算機圖形圖像，從而可進行數(shù)據(jù)探索和分析，是幫助科學家理解信息的計算方法。地學可視化：是將科學計算可視化應用于地球科學觀察，對地學實驗數(shù)據(jù)以及模型計算數(shù)據(jù)進行圖形表達、顯示和分析，以便于探索地學規(guī)律。虛擬現(xiàn)實：一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境。以計算機技術為核心的由現(xiàn)代高科技技術生成的逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。虛擬地理環(huán)境：為用戶提供一個虛擬空間和世界，讓用戶以化身

2、虛擬地進入該空間和世界，并“身臨其境”地分析現(xiàn)實地理環(huán)境中的現(xiàn)象和過程。數(shù)字地球：數(shù)字地球是以計算機技術、多媒體技術和大規(guī)模存儲技術為基礎，以寬帶網(wǎng)絡為紐帶運用海量地球信息對地球進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，并利用它作為工具來支持和改善人類活動和生活質量。數(shù)字城市：指利用數(shù)字城市理論，運用地理信息系統(tǒng)、遙感、遙測、網(wǎng)絡、多媒體及虛擬仿真等關鍵技術，深入開發(fā)與應用空間信息資源，對城市基礎設施、功能機制進行自動采集、動態(tài)監(jiān)測、管理和輔助決策的技術系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實的特點：(1)沉浸感(Immersion)用戶可以沉浸于計算機生成的虛擬環(huán)境中，所看、所聽、所聞(嗅卜所觸完全與真實環(huán)境感

3、受一樣。三維、立體、多通道。(2)交互性(Interaction)可采取現(xiàn)實生活中習以為常的方式來操縱虛擬環(huán)境中的物體。對于用戶的交互虛擬環(huán)境會做出的響應；(3)構想(Imagination)用戶沉浸在“真實的”虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境進行了各種交互作用，從而可以深化概念，萌發(fā)新意，產(chǎn)生認識上的飛躍虛擬現(xiàn)實的硬件：(1)三維定位跟蹤設備。用于跟蹤用戶當前位置和方位的傳感器，佩戴于用戶身體的某些部位可對相應部位進行跟蹤。6自由度(6-DOF),位置和方向各3自由度。(2)手持式交互設備(3)數(shù)據(jù)手套。附有傳感器，分布在手掌和手指的關節(jié)處，以獲取用戶手形的準確信息。傳感器捕獲的數(shù)據(jù)被轉換成關節(jié)角度數(shù)

4、據(jù)，用于控制虛擬手的運動(4)三維鼠標(5)運動捕捉設備(6)觸覺和力反饋設備(7)輸出設備-大屏幕(8)輸出設備-3D顯示器(9)輸出設備-數(shù)字頭盔虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類：按照交互及浸入程度不同，可分為：(1)桌面式VR系統(tǒng)(DesktopVR采用計算機屏幕作為立體顯示載體，輔以一定的聲音輸出設備、三維交互設備和立體眼鏡等。缺點：受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾而不能獲得完全的沉浸感。優(yōu)點：便宜。(2)沉浸式VR系統(tǒng)(ImmersiveVR利用HMD等設備把用戶的視覺、聽覺對外界封閉起來優(yōu)點：用戶完全投入到虛擬環(huán)境中，能提供好的沉浸感缺點：阻斷了人與人間的交流利用大規(guī)模投影顯示設備讓用戶完全融入虛擬環(huán)境。計

5、算機系統(tǒng)產(chǎn)生立體圖像，經(jīng)投影儀分別投射到對應的屏幕上。用戶戴著立體眼鏡站于CAVE的內部。立體眼鏡上附有6-DOF跟蹤設備對用戶頭部運動進行實時跟蹤(3)增強式VR系統(tǒng)(AugmentedVR將計算機生成的圖形與用戶在真實物理世界獲取的視覺信息組合在一起，又被稱為疊加式或補充現(xiàn)實式VR系統(tǒng)。終極目標：用戶感覺不到現(xiàn)實世界中的真實物體與用于增強視覺信息的虛擬物體之間的差別(4)分布式VR系統(tǒng)(DistributedVR指基于網(wǎng)絡構建的虛擬環(huán)境，將位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡相連接并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達到一個更高的境界。主要被應用于遠程虛擬會議、虛擬醫(yī)學會診、多人網(wǎng)

6、絡游戲、虛擬戰(zhàn)爭演習等領域。三維數(shù)據(jù)模型分類：3D空間構模法分類面模型仕石ciaInode1)體模型(voluretriemodel)混合模型(nizedmodel.規(guī)則體元車規(guī)則體元不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)轉構實體幾何(CSC)匹雷體格網(wǎng)(TEN)合格網(wǎng)(Grid)體素(Vowelj金字塔(Fjraidd)riN-Odreem者或Hybrid模型邊界表示模型(ET為)八叉樹Octree)二棱柱(I?)VfireFrane-Block混合線椎(Wir郎了三贓)或相連切片(LirikedSlLc聞針體(Need地質細胞(Geocellular)Octree-TEN混合新面(Section)規(guī)則決體

7、(RegularElock)非颯塊體(IiregularBlock)斷直-三角網(wǎng)嘏合(Section-TINiiied)實體(Solid)3DYoronoiffl多層DEMs廠義三棱柱(CIP)TIN模型：用連續(xù)但不重疊的不規(guī)則三角網(wǎng)，來描述三維物體的表面;Grid模型：采用規(guī)則的網(wǎng)格來描述三維物體表面。等高線模型：采用等值線來描述三維物體表面邊界表示模型（B-Re0:一個實體可以通過它的面的集合來表示，而每一個面又可以用邊來描述，邊通過點表示，點通過三個坐標值來定義。四面味（AMD）C/%AABCBCDACDABCia悶宿.?線框模型（WireFrame:把目標空間輪廓上兩兩相鄰的采樣點或特

8、征點用直線連接起來，形成一系列多邊形，然后把這些多邊形面拼接起來形成一個多邊形網(wǎng)格來模擬三維物體的表面斷面模型：傳統(tǒng)地質制圖方法的計算機實現(xiàn)，即通過平面圖或剖面圖來描述礦床，以記錄地質信息。構造實體幾何模型（CSG）預定義一些形狀規(guī)則的基本體元，由體元之間的幾何變換和正則布爾操作（并、交、差），組合成復雜形體。體素模型（VoxeD：2Dgrid模型的擴展，以一組規(guī)則的3D體素來剖分所要模擬的空間。TEN模型：用互不相交的直線將3D空間中無重復的散亂點集兩兩連接形成三角面片，再由互不穿越的三角面片構成四面體格網(wǎng)TIN-CSG昆合模型：TIN描述地形，CSGB述建筑物，適于城市應用。生成真實感圖形

9、的步驟：1 .構造三維場景的幾何描述。（造型）2 .投影轉換為二維透視圖。（投影）3 .確定可見面。（消隱）4 .計算可見面的顏色。（光照）顏色模型：(1)面向硬件的顏色模型:RGB模型(加色)CMY模型(Cyan青、Magenta品紅、Yellow黃)(減色)(2)面向用戶的顏色模型HSV模型H(Hue艷彩，S(Saturation的和度，V(Value明度光照模型：當光照射到物體表面時，光線可能被吸收、反射和透射。被物體吸收的部分轉化為熱，反射、透射的光進入人的視覺系統(tǒng)，使我們能看見物體。為模擬這一現(xiàn)象，需要建立一些數(shù)學模型來替代復雜的物理模型，這些模型就稱為明暗效應模型或者光照(明)模型

10、。光照模型分類：(1)局部光照模型：假定物體是不透明的，只考慮光源的直接照射，而將光在物體之間的傳播效果籠統(tǒng)地模擬為環(huán)境光。(2)整體光照模型：可以處理物體之間光照的相互作用的模型稱為整體光照模型局部光照模型：局部光照模型模擬物體表面的對光的反射作用。物體被定義為不透明物體，只考慮物體對直接光的反射，物體間的光反射作用采用環(huán)境光來表示。光源被定義為點光源，反射分為鏡面反射(SpecularReflection和漫反射(DiffuseReflection)典型代表：Phong光照模型整體光照模型：從視點觀察到的物體A表面的亮度來源于三方面的貢獻：(1)光源直接照射到A的表面，然后被反射到人眼中的

11、光產(chǎn)生的。(2)光源或其它物體的光經(jīng)A物體折射到人眼中的光產(chǎn)生的。(3)物體B的表面將光反射到物體A的表面，再經(jīng)物體A的表面反射到人眼中產(chǎn)生的。局部光照模型僅考慮了(1)phong光照模型：由物體表面上一點P反射到視點的光強I為環(huán)境光的反射/強Ie、理想漫反射光強Id、和鏡面反射光Is的總和。I=IeIdIs=IaKaIpKdLNKsVRn環(huán)境光：在空間中近似均勻分布，即在任何位置、任何方向上強度一樣，記為Ia環(huán)境光反射系數(shù)Ka：在分布均勻的環(huán)境光照射下，不同物體表面所呈現(xiàn)的亮度未必相同，因為它們的環(huán)境光反射系數(shù)不同點光源的亮層漫反射的亮度漫反射系數(shù)入射角漫反射光的強度只與人射角有關Is為鏡面

12、反射光強Ip點光源的亮度Ks是與物體有關的鏡面反射系數(shù)。n為鏡面反射指數(shù)phong存在的問題：顯示出的物體(如塑料)沒有質感環(huán)境光是常量，沒有考慮物體之間相互的反射光鏡面反射的顏色是光源顏色，與物體的材料無關鏡面反射的計算在入射角很大時會產(chǎn)生失真什么是OpenGLOpenGL是一個功能強大白開放圖形庫(OpenGraphicsLibrary,是圖形與硬件的接口，包含250個函數(shù)，用戶使用這些函數(shù)來建立模型機進行三維交互。什么是三維圖形借口3DAPI3DAPI:ApplicationProgrammingInterface是許多程序的大集合。一個3DAPI能讓編程人員所設計的3D軟件只要調用其A

13、PI內的程序，讓API自動和硬件的驅動程序溝通，啟動3D芯片內強大的3D圖形處理功能，從而大幅度地提高了3D程序的設計效率。常見的3DAPISGI公司的OpenGLMicrosoft公司的Direct3D、Apple公司的Quick-Draw3H3Dfx公司的Glide、Autodesk公司的HeidiOpenGL的庫：核心庫glgl.hopengl32.libopengl32.dll115描述、平移、旋轉、縮放、光照、紋理、材質、像素、位圖、文字處理等實用庫gluglu.hglu32.libglu32.dll43主要功能包括繪制二次曲面、NURBStt線曲面、復雜多邊形以及紋理、矩陣管理等，

14、是由OpenGL基本庫函數(shù)來編寫的輔助庫auxglaux.hglaux.libglaux.dll31一些基本的窗口管理函數(shù)、事件處理函數(shù)和一些簡單模型的制作函數(shù)等，例如，定義窗口的大小、處埋鍵盤時間、鼠標擊鍵事件、繪制多面體等等。工具庫glutglut.hglut32.libglut.dll30可以創(chuàng)建一個或多個OpenGL窗口，響應、處理用戶的交互操作、簡單的彈出式菜單以及一些內置的繪圖和字體處理功能。專用庫wgl16主要用于連接OpenGL和Window的應用，用來管理顯示列表，字體位圖和繪圖描述表系統(tǒng)擴展的函數(shù)庫glx針對X-windowsOpenGL是怎么實現(xiàn)三維圖形繪制的？世界坐標系

15、中的三維物體三維幾何變換投影三維剪裁視口變換屏幕坐標系中的圖形顯示。幾何變換過程：1 .模型/造型變換：它確定模型的位置和方向，對模型進行旋轉、平移和縮放。用到三個子函數(shù)：glTranslate*(x,y,z)、glRotate*(x,y,z)、glScale*(x,y,z)。每個函數(shù)都會產(chǎn)生一個矩陣,并右乘當前矩陣。2 .視圖變換：它類似將照相機指向物體，即確定視點(觀察點)的位置和觀察方向。一般用的函數(shù)為glu封裝的函數(shù)：voidgluLookAt(GLdoubleeyex,GLdoubleeyey,GLdoubleeyez,W察點GLdoublecentrex,GLdoublecentr

16、ey,GLdoublecentrez,-視線方向：從eye指向centreGLdoubleupx,GLdoubleupy,GLdoubleupz視圖體自下而上的方向)3 .投影變換：確定一個取景體積：確定物體投影到屏幕的方式，及是透視投影還是正交投影。確定從圖形上裁剪掉的范圍。4 .視口變換：視口就是窗口中矩形繪圖區(qū)域。用窗口管理器在屏幕上打開一個窗口時，已經(jīng)自動把視口設為整個窗口的大小，可以用glViewport命令設定一個較小的繪圖區(qū)。voidglViewport(GLintx,GLinty,GLintwidth,GLintheight);(x,y)：視區(qū)左下角點width,height:

17、視區(qū)的寬和高紋理映射：也叫做紋理貼圖，把一幅圖像貼到三維物體的表面上，來增強真實感glBeginglEndglColor平行投影glOrtho(GLdoubleleft,GLdoubleright,GLdoublebottom,GLdoubletop,GLdoublenear,GLdoublefar);透視投影1:voidglFrustum(GLdoubleleft,GLdoubleright,GLdoublebottom,GLdoubletop,GLdoublenear,GLdoublefar);透視投影2:voidgluPerspectiveBLdoublefovy,GLdoubleasp

18、ect,GLdoublezNear,GLdoublezFar);視口變換voidglViewport(GLintx,GLinty,GLintwidth,GLintheight);(x,y):視區(qū)左下角點width,height:視區(qū)的寬和高dietortoclgluLookA(IGLdobleeyex,GLdoubleeyey,GLdoubleeyez,GLdoublecenterx,GLdoublecentery,GLdoublecenterz,GLdoubleupx,GLdoubleupy,GLdoubleupz);它選取eyex,eyey,eyeZft定相機的位置，然后centerx,c

19、entery,centerz規(guī)定往哪里看，看的方向用在那里的一個點的坐標表示，upx,upy,upz是觀察者(相機)頭頂朝向，用頭頂指向的方向向量示。平移voidglTranslatefd(TYPEx,TYPEy,TYPEz);旋轉voidglRotatefd(TYPEangle,TYPEx,TYPEy,TYPE(z1度，繞哪個軸)縮放voidglScalefd(TYPEx,TYPEy,TYPEz沿三個軸縮放的比例因子)壓棧voidglPushMatriXvoid)前彈棧voidglPopMatrb(void)后光照glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0);glShadeMo

20、del(GL_SMOOTH);/設置參數(shù)GLfloatlight_position=1.0,1.0,1.0,0.0;/第四個參數(shù)為0,方向性光源，前三個參數(shù)指定方向。若第四個參數(shù)不為0,則為位置光源，前三個參數(shù)指定位置。GLfloatlight_ambient=0.0,0.0,0.0,1.0;/環(huán)境光GLfloatlight_diffuse=1.0,1.0,1.0,1.0;/漫反射GLfloatlight_specular=1.0,1.0,1.0,1.0;/虢面反射GLfloatlmodel_ambient=0.1,0.1,0.1,1.0;/光照模式中用到的參數(shù)用glLightfv設置光源屬性

21、(指定光源，光源屬性，屬性值)glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position)W位置glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,light_ambient淡的環(huán)境強度glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,light_diffuse的散射強度glLightfv(GL_LIGHT0,GL_SPECULAR,light_specul嘛的鏡面強度GLfloatmat_ambient=0.2,0,0,1.0;GLfloatmat_diffuse=0.8,0,0,1.0;GLfloatmat_specular=0.0,

22、0.0,0.0,1.0;用glMaterialfv設置材質屬性，(face即材質屬性應用于哪個面，材質屬性，屬性值)glMaterialfv(GL_FRONT,GL_AMBIENT,mat_ambient);glMaterialfv(GL_FRONT,GL_DIFFUSE,mat_diffuse);glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SPECULAR,mat_specular);glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT,lmodel_ambien步光照模式/(參數(shù)名，參數(shù)值)GL_LIGHT_MODEL_AMBIEN曲個場景的環(huán)境光的RGBA雖度。glEnable(GL_LIGHTING);設置光照開關，相當于電閘glEnable(GL_LIGHT0);股置light0可用，相當于打開燈light0glEnable(GL_DEPTH_TEST);VRML的概念：