虛擬現(xiàn)實與三維技術(shù)45

虛擬現(xiàn)實與三維技術(shù)的學(xué)習(xí)匯報內(nèi)容提綱綱虛擬現(xiàn)實簡介1三維立體顯示技術(shù)2三維空間的數(shù)據(jù)模型3三維空間的拓撲關(guān)系4三維建模系統(tǒng)及方法5三維在GIS上的應(yīng)用及趨勢6虛擬現(xiàn)實實簡介世界上首首個具有有虛擬現(xiàn)現(xiàn)實思想想的裝置置是由Mor-tonHeilig在1962年研制成成功的，，它是一一種被稱稱之為Sensorma的具有多多種感官官刺激的的全景式式立體電電影設(shè)備備。1965年，IvanSutherland博士發(fā)表表“TheUl-timateDisplay”一文，提提出了一一種全新新的圖形形顯示技技術(shù)。1989年，美國國VPL公司的創(chuàng)創(chuàng)建人之之一JaronLanier提出VirtualReality的說法。。虛擬現(xiàn)實實簡介虛擬現(xiàn)實實（VirtualReality，VR），（又又稱作靈靈境，幻幻真）就就是采用用計算機機技術(shù)生生成一個個逼真的的視覺、、聽覺、、觸覺、、嗅覺及及味覺等等虛擬的的感觀世世界，用用戶可以以直接用用人的技技能和智智慧對這這個生成成的虛擬擬實體進進行考察察和操作作。虛擬現(xiàn)實實簡介多感知性沉浸性交互性構(gòu)想性真實性虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實實簡介虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)組成虛擬境界生成設(shè)備交互設(shè)備感知設(shè)備跟蹤設(shè)備 虛擬現(xiàn)實實簡介簡易型沉浸型共享型虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)三維立體體顯示技技術(shù)三維立體體顯示技技術(shù)三維立體體顯示技技術(shù)眼鏡和頭頭盔顯示示技術(shù)自動分光光立體顯顯示技術(shù)術(shù)體三維立立體技術(shù)術(shù)研究動向向眼鏡和頭頭盔顯示示技術(shù)分色技術(shù)術(shù)分色技術(shù)術(shù)是利用用人類能能感知紅紅藍綠三三原色的的機理，，使進入入左右眼眼的光譜譜不同，，從而產(chǎn)產(chǎn)生雙眼眼視差來來產(chǎn)生立立體感的的眼。主主要使用用3D眼鏡實現(xiàn)現(xiàn)對圖像像的分色色。目前主要要應(yīng)用于于3D影院，這這種制造造相對簡簡單，在在一些DVD等影像制制品中也也附帶這這種眼鏡鏡，在任任何色彩彩顯示器器上都可可以播放放。分光技術(shù)術(shù)分光技術(shù)術(shù)是用偏偏光濾鏡鏡或偏光光片濾除除特定角角度偏振振光以外外的所有有光，讓讓0度的光只只進入右右眼，90度的光只只進入左左眼。這這種眼鏡鏡是由兩兩片液晶晶片組成成，也用用于3D影院中，，但是長長時間佩佩戴眼鏡鏡會有酸酸脹感，，頭也會會暈。眼鏡和頭頭盔顯示示技術(shù)分時技術(shù)術(shù)利用雙眼眼視覺的的繼時顯顯示特性性，將兩兩套畫面面在不同同時間播播放，將將兩套畫畫面以極極快的速速度切換換，在人人的視覺覺暫留特特性的作作用下合合成連續(xù)續(xù)的畫面面，這種種眼鏡目目前也稱稱為液晶晶快門眼眼鏡。頭盔顯示示器頭盔顯示示其安裝裝有兩個個小型顯顯示器在在人的眼眼前，分分別為左左右眼提提供具有有雙目視視差的不不同圖像像。同時時遮擋住住外部的的光線和和視野，，會有很很強的沉沉浸感。。眼鏡和頭頭盔顯示示技術(shù)分色眼鏡鏡分分光眼眼鏡自動分光光立體顯顯示技術(shù)術(shù)近年來，，不需要要佩戴眼眼鏡也能能看3D立體效果果的自動動分光立立體顯示示器已經(jīng)經(jīng)進入了了市場。。這里介介紹兩種種前置分分光器件件的方式式：柱透鏡法法視差屏障障法自動分光光立體顯顯示技術(shù)術(shù)自動分光光立體顯顯示技術(shù)術(shù)體三維立立體技術(shù)術(shù)這是一種種真正能能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)動態(tài)效效果的3D技術(shù)！它它是利用用可見光光的產(chǎn)生生、吸收收或散射射來激勵勵透明體體內(nèi)的物物質(zhì)，從從而形成成類似于于空間像像素的體體素，眾眾多體素素聚集在在一起，，就形成成了三維維空間的的三維圖圖像。研究動向向美國Actualitysystems公司在2003年美國HIMSS2003上介紹了了立體圖圖像顯示示系統(tǒng)““perspecta3Dsystem””2004年，日本本日立公公司生產(chǎn)產(chǎn)出可以以實時生生成三維維圖像的的3D顯示設(shè)備備transport，在360度的任何何角度都都能看到到它顯示示的立體體圖像。。夏普公司司從2003年開始已已經(jīng)賣了了上百萬萬部帶立立體顯示示屏的手手機2006年，philips公司推出出了20英寸和42英寸可2D/3D轉(zhuǎn)換的LCD自動立體體顯示器器。三維空間間的數(shù)據(jù)據(jù)模型三維空間間的數(shù)據(jù)據(jù)模型三維空間間數(shù)據(jù)模模型三維空間間數(shù)據(jù)模模型的研研究現(xiàn)狀狀Bak和Mill提出一個個典型的的地學(xué)資資源管理理系統(tǒng)(GRMS)。RongxingLi提出了一一個基于于多種表表示的三三維GIS系統(tǒng)。Molenaar提出了一一個形式式化三維維數(shù)據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)(FormalDataStrcture(FDS)),定義了一一個三維維矢量數(shù)數(shù)據(jù)模型型和三維維拓撲關(guān)關(guān)系。龔健雅提提出了一一個以礦礦山應(yīng)用用為背景景的矢量量與柵格格集成面面向?qū)ο笙蟮娜S維數(shù)據(jù)模模型,并進一步步將面向向?qū)ο蟮牡臄?shù)據(jù)模模型擴充充到時間間維。Victor和PiloutMetal提出了一一個基于于點四面面體格網(wǎng)網(wǎng)(Tetra--hedraNetwork(TEN))的三維矢矢量數(shù)據(jù)據(jù)模型。。李青元從從礦山與與地質(zhì)領(lǐng)領(lǐng)域的應(yīng)應(yīng)用出發(fā)發(fā),提出了三三維矢量量結(jié)構(gòu)GIS的結(jié)點、、邊、環(huán)環(huán)、曲面面片、體體之間的的五組拓拓撲關(guān)系系。李清泉、、李德仁仁針對城城市、海海洋等領(lǐng)領(lǐng)域的應(yīng)應(yīng)用,發(fā)展了三三種不同同的空間間模型的的集成方方法,一種是用用于城市市三維構(gòu)構(gòu)?；谟诓灰?guī)則則三角網(wǎng)網(wǎng)(TIN)的集成模模型,第二種是是用于地地質(zhì)、海海洋等領(lǐng)領(lǐng)域,基于八叉叉樹和四四面體格格網(wǎng)的混混合模型型,第三種是是具有一一般性矢矢量柵格格集成的的三維空空間數(shù)據(jù)據(jù)模型。。三維空間間數(shù)據(jù)模模型單一三維維數(shù)據(jù)模模型三維空間間數(shù)據(jù)模模型格網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)是DEM中常用的的一種結(jié)結(jié)構(gòu)，地地形表面面被劃分分成規(guī)則則的格網(wǎng)網(wǎng)，每個個格網(wǎng)點點上有一一個高程程值相對對應(yīng)，其其基本元元素是一一個點，，主要用用于DEM中等高線線的2.5D表示。三維空間間數(shù)據(jù)模模型形狀結(jié)構(gòu)構(gòu)通過對對象表面面點的斜斜率來描描述，基基本元素素是表面面上各單單元所對對應(yīng)的法法線向量量。主要要用于表表面的3D重建。三維空間間數(shù)據(jù)模模型面片結(jié)構(gòu)構(gòu)是用不不同形狀狀的面片片近似表表示一個個對象的表表面。面面片的形形狀有正正方形、、規(guī)則三三角形、、不規(guī)則則三角形形（TIN）和泰森森多邊形形等。三維空間間數(shù)據(jù)模模型邊界表示示是一個個分級表表示方法法，空間間的任一一對象可可以分解解為4類元素的的組合，，即點、、線、面面和體。。每一類類元素由由幾何數(shù)數(shù)據(jù)、分分類標志志以及與與其他類類元素的的相互關(guān)關(guān)系（拓拓撲關(guān)系系）來描描述。三維空間間數(shù)據(jù)模模型3D柵格是一一個緊密密排列充充滿3D空間的陣陣列,其元素值值是0或1,1表示對象象占有,0表示空。。三維空間間數(shù)據(jù)模模型八叉樹結(jié)結(jié)構(gòu)是2D四叉樹結(jié)結(jié)構(gòu)在空空間的擴擴展,用層次式式的3D空間子區(qū)區(qū)域劃分分來代替替大小相相等,規(guī)則排列列的3D柵格。三維空間間數(shù)據(jù)模模型結(jié)構(gòu)實體體幾何法法是用預(yù)預(yù)先定義義好的具具有一定定形狀的的基本體體素的組組合來表表示對象象，體素素之間的的關(guān)系包包括幾何何變換和和布爾操操作。三維空間間數(shù)據(jù)模模型不規(guī)則四四面體結(jié)結(jié)構(gòu)（TEN）是不規(guī)規(guī)則三角角形結(jié)構(gòu)構(gòu)(TIN)向3D的擴展,以四面體體作為最最基本體體素來描描述對象象.這種結(jié)構(gòu)構(gòu)是以連連接但不不重疊的的不規(guī)則則四面體體構(gòu)成格格網(wǎng).三維空間間數(shù)據(jù)模模型混合(含模型集集成)三維數(shù)據(jù)據(jù)模型三維空間間的拓撲撲關(guān)系三維空間間的拓撲撲關(guān)系三維空間間的拓撲撲關(guān)系在三維空空間中,根據(jù)空間間對象的的自由度度，可分分為4種空間對對象，即即點狀對對象、線線狀對象象、面狀狀對象和和體狀對對象。分分別定義義成零維維對象、、一維對對象、二二維對象象、三維維對象。。根據(jù)點點集拓撲撲學(xué)理論論,三維拓撲撲空間中中的對象象的形式式化定義義和關(guān)系系均基于于點集的的方法。。若將三維維空間對對象A的邊界記記為,內(nèi)部記為為,則存在關(guān)關(guān)系式=A-。

設(shè)有兩個個空間對對象A和B,其邊界與與內(nèi)部的的交集分分別用4個集合表表示:S2=。。。其其中Si(i=1234)的取值范范圍為Ф…dim((Si)。三維空間間的拓撲撲關(guān)系設(shè)三元組組(A，R，B)表示三維維空間對對象A和B間存在著著關(guān)系R我們稱此此三元組組為一個個事實(fact)事實可以以通過布布爾運算算交(∩)或并(∪)進行組合合。三維維空間拓拓撲關(guān)系系最小集集的形式式化定義義如下：：三維建模模系統(tǒng)及及方法三維建模模系統(tǒng)及及方法三維模型型重建系系統(tǒng)一個完整整的三維維模型重重建系統(tǒng)統(tǒng)包括一一下五個個模塊：：三維模型型重建系系統(tǒng)目前的研研究內(nèi)容容大都集集中在距距離圖像像的分割割與距離離圖像的的配準兩兩個方面面。1、距距離圖像像的分割割：①基于邊界界檢測的的分割②基于表表面擬合合的分割割③邊界檢檢測和表表面擬合合相結(jié)合合的分割割每種方法法都有優(yōu)優(yōu)缺點:①邊界檢測測方法傾傾向于定定位區(qū)域域的邊界界,通常速度度較快。。但是,這種算法法不可避避免地造造成邊的的不連續(xù)續(xù),容易得到到一些零零碎的邊邊,不能保證證邊界的的封閉性性,所以必須須進行有有效的邊邊連接技技術(shù),同時對圖圖像中的的噪聲比比較敏感感。②表表面擬合合方法通通常得到到封閉但但扭曲、、不光滑滑的邊界界。同時時,基于區(qū)域域的方法法在合并并分離時時要求好好的準則則,在聚類時時要求適適當?shù)拈撻撝?。最最后的分分割結(jié)果果與種子子點或種種子區(qū)域域的選取取有關(guān),并且容易易造成過過分割或或欠分割割的現(xiàn)象象?；谟诒砻鏀M擬合的分分割通常常采用迭迭代過程程,所以很耗耗時,速度較慢慢。三維模型型重建系系統(tǒng)2、距離離圖像的的配準①基于傳傳感器精精確定位位的算法法②基于特特征匹配配的算法法基于直接接定位的的匹配融融合算法法:由于里程程儀/陀螺儀/GPS/INS等定位傳傳感器的的固有誤誤差,直接利用用它們進進行定位位,所得結(jié)果果的精度度較差。。所以,為了得到到更好的的定位結(jié)結(jié)果,通常結(jié)合合卡爾曼曼濾波器器來對誤誤差進行行修正,或者結(jié)合合激光測測距雷達達,進行多傳傳感器的的信息融融合處理理?；谔卣髡髌ヅ涞牡钠ヅ淙谌诤纤惴ǚ?為了進行行匹配融融合,它要求連連續(xù)測量量的距離離圖像必必須有一一定程度度的重疊疊,以提取共共同的特特征進行行匹配。。這種基基于匹配配的配準準算法,通常都是是很耗時時的。同同時,還牽涉到到視點/傳感器的的規(guī)劃問問題。三維模型型重建系系統(tǒng)幾個典型型的三維維重建系系統(tǒng)：美國CMU大學(xué)的AVENUEProject城市環(huán)境境中的自自動場景景建模歐洲的ACTSRESOLVProject進行環(huán)境境的三維維信息獲獲取與建建模,用于重構(gòu)構(gòu)VR模型美國MIT大學(xué)的CityScanningProject在城市環(huán)環(huán)境中自自主導(dǎo)航航,獲取場景景的三維維數(shù)據(jù)并并進行三三維模型型重構(gòu)加拿大NRC實驗室的的VITGroup::三維數(shù)字字化及建建模系統(tǒng)統(tǒng)日本東京京大學(xué)的的VLMS:三維空間間的數(shù)據(jù)據(jù)自動獲獲取與建建模三維模型型重建系系統(tǒng)三維建模模方法通過三維維造型軟軟件建模模：3DSMAX是1996年Kinetix公司在以以前的3Dstudio基礎(chǔ)上重重新開發(fā)發(fā)的一種種全新的的可用于于PC機上的三三維造型型和動畫畫軟件,它采用了了模塊化化的開發(fā)發(fā)平臺,通過大量量的外掛掛模塊和和更多的的第三模模塊可以以極大地地擴展其其功能。?？梢酝ㄍㄟ^特定定外掛軟軟件將3DSMAX中的數(shù)據(jù)據(jù)模型轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為特特定的數(shù)數(shù)據(jù)文件件。MAYA是AliaslWaveFont公司的推推出三維維制作軟軟件,盡管推出出只有幾幾年的時時間,但憑借它它強大的的功能、、友好的的界面和和豐富的的視覺效效果,在《恐龍》等影片的的三維制制作等大大顯身手手,成為三維維模型制制作的又又一個頂頂級軟件件。同樣樣可以通通過特定定外掛軟軟件將MAYA中的數(shù)據(jù)據(jù)模型轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為特特定的數(shù)數(shù)據(jù)文件件。AutoCAD、GoogleEarth和Skyline。三維建模模方法通過三維維應(yīng)用程程序接口口實現(xiàn)建建模：OpenGLQD3D(Quick-Draw3D))JAVA3DMicrosoft的Direct3DIDL((InteractiveDataLanguage))VRML(VirtualRealityModelingLanguage))GoogleEarth的APIArcSence三維建模模方法其他建模模方法：：基于Multigen的數(shù)據(jù)建建模MultigenCreator/Vega產(chǎn)品是世世界上領(lǐng)領(lǐng)先的實實時三維維數(shù)據(jù)庫庫生成系系統(tǒng),它可以用用來對戰(zhàn)戰(zhàn)場仿真真、娛樂樂、城市市仿真和和計算可可視化等等領(lǐng)域的的視景數(shù)數(shù)據(jù)庫進進行產(chǎn)生生、編輯輯和查看看三維影像像方式建建模將將DEM與航空影影像疊加加,生成三維維影像利用GIS屬性建模模利利用現(xiàn)現(xiàn)有GIS系統(tǒng)中x、y坐標和作作為屬性性數(shù)據(jù)的的z坐標值,直接生成成三維模模型激光掃描描方式建建模利利用用數(shù)字相相機和激激光掃描描儀獲取取的三維維數(shù)據(jù)建建模三維在GIS上的應(yīng)用用及趨勢勢三維在GIS上的應(yīng)用用及趨勢勢三維在GIS上的應(yīng)用用礦山地質(zhì)環(huán)境海洋數(shù)字城市氣象應(yīng)用三維GIS的發(fā)展