計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主講：楊文暉計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第1頁感知、光、顏色和數(shù)學投影虛幻世界虛擬環(huán)境數(shù)學基礎(chǔ)關(guān)照—光亮度方程顏色以及人對光反應圖形真實和實時計算機圖形繪畫隱喻局部光照和光線跟蹤攝影機普通化場景結(jié)構(gòu)、攝影機模型實現(xiàn)裁剪多邊形、、可見性確定多邊形渲染、圖像空間渲染和紋理生成計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第2頁什么是“計算機圖形學”？相關(guān)建模、光照、虛擬世界動態(tài)特征以及人們在集中活動方式理論。起源于IvanSutherland發(fā)表論文，論文描述了一個稱為Sketchpad畫板系統(tǒng)。該畫板系統(tǒng)允許用戶使用“光筆”交互在屏幕上畫圖計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第3頁“計算機圖形學”結(jié)果是什么？產(chǎn)生一個“投影虛幻世界”，也叫“虛擬環(huán)境”、“虛擬現(xiàn)實”是一個將三維空間中對象表示投影到二維顯示器上所形成表現(xiàn)。“網(wǎng)絡虛擬環(huán)境”？多領(lǐng)域技術(shù)集成，這些技術(shù)包含不一樣地域間異質(zhì)網(wǎng)絡互聯(lián)技術(shù)，支持視覺、聽覺、觸覺/力覺反饋技術(shù)以及對應各種交互設(shè)備。計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第4頁“虛擬環(huán)境”有三個主要組成部分？內(nèi)容內(nèi)容由“對象”組成，組成整個環(huán)境每一個對象都有一個“描述”和一個“狀態(tài)”對象特殊子集叫做“參加者”幾何幾何包含維度、度量和環(huán)境范圍或邊界動態(tài)特征由對象之間相互規(guī)則組成，比如碰撞檢測計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第5頁虛擬環(huán)境系統(tǒng)示意圖計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第6頁關(guān)于“場景數(shù)據(jù)庫”內(nèi)容包含對全部對象總描述信息和那些必須對整個場景給出任何其它信息存放一定在維持共享虛擬環(huán)境計算機網(wǎng)上某處存放更新一定要以某種方式及時反應到分布環(huán)境全部節(jié)點上。計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第7頁“CAVE”虛擬環(huán)境“CAVE”含義？CAVE是自動虛擬環(huán)境縮寫理想CAVE？擁有六面墻壁當做投影屏幕房間參加者—立體眼鏡、頭部跟蹤器計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第8頁CAVE例圖計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第9頁關(guān)于VE“真實感”和“實時性”產(chǎn)生并維持虛擬“真實感”感覺條件？環(huán)境被顯示出來參加者被實時跟蹤場景表現(xiàn)充分計算機圖形學中“真實感”含義？幾何真實感光照真實感行為真實感計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第10頁幾何真實感什么是“幾何真實感”？與要描述真實世界中對象含有十分相同幾何外形一個圖形對象。三維幾何圖形由什么組成？是由平面多邊形（普通是三角形）來結(jié)構(gòu)。對象表面區(qū)域越是完全，所需要三角面片數(shù)目就會越多?！皫缀握鎸嵏小睂嶋H用處？虛擬原型設(shè)計建立真正物理實體之前虛擬結(jié)構(gòu)過程檢測對象在特定位置時候產(chǎn)生影響等計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第11頁人臉掃描儀—點云---3D---渲染人臉激光掃描產(chǎn)生3D點云，64028個頂點，掃描過程10秒點組成三角形，形成了126108個三角形表面進行明暗處理，生成3D人臉計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第12頁光照真實感光照真實感計算復雜嗎？是一個極端復雜計算，是計算機圖形學中計算最精深方面光照計算分為兩種？局部光照假設(shè)每個對象是場景中除了光源之外唯一對象全局光照對環(huán)境中光分布正確計算，對象間反射也要考慮計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第13頁局部光照和全局光照渲染場景圖計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第14頁行為真實感情感共鳴講話恐怖癥病人治療卡通人物—米老鼠計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第15頁漫畫、印象主義和圖標表現(xiàn)漫畫見圖印象主義梵高畫圖標表示孩子筆下任務計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第16頁真實感和實時之間沖突計算機圖形學中“真實感”三個部分（幾何、光照、行為），結(jié)構(gòu)難度是怎樣？幾何視覺真實感-----行為真實感------光照真實感難度依次遞增“計算機圖形學”中沖突是什么？真實感與實時計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第17頁實時含義幀與幀頻一幅圖像每秒實際顯示出來圖像數(shù)目實時漫游在計算和渲染下一幀圖像時，會產(chǎn)生一個時間延遲，或者顯示滯后實時對象交互虛擬世界中位置在場景數(shù)據(jù)庫中得到更新延遲和滯后使VE中選擇和操作對象過程變得困難共享虛擬環(huán)境中交互網(wǎng)絡上數(shù)據(jù)傳輸所需要延遲是系統(tǒng)無法防止每個位置以60HZ運行，500ms延遲也會破壞正常交互計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第18頁關(guān)于折衷實時需求對計算機系統(tǒng)哪些方面提出極高要求？計算設(shè)備顯示網(wǎng)絡性能計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第19頁存在和沉醉感看電影電影調(diào)動了人感覺，不過身體反應還是受限制看一張房間中間有深度8公尺深坑圖會有眩暈感覺計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第20頁什么是存在？從虛擬環(huán)境到真實世界相同性程度，是個意識狀態(tài)參加者所做與在現(xiàn)實世界中所做相同行為越大，存在程度就越高是對人反應存在必要條件是傳感數(shù)據(jù)和本體感受應該匹配（移動手臂，看見虛擬手臂在動）計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第21頁什么是沉醉感？存在并同時與來自那個環(huán)境傳感數(shù)據(jù)質(zhì)和量相關(guān)是對系統(tǒng)描述是關(guān)于傳感器數(shù)據(jù)顯示（傳感數(shù)據(jù)視覺、聽覺、觸覺等）跟蹤系統(tǒng)（精度依賴于幾何表示精度、采樣頻率、數(shù)據(jù)傳送和解釋速度）計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第22頁虛擬環(huán)境怎樣工作現(xiàn)實是虛擬？周圍是個時空連續(xù)系統(tǒng)，組成高分辨率視覺流視網(wǎng)膜是圖像被投影地方視網(wǎng)膜包含光敏感單元，將光能轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過視神經(jīng)傳輸?shù)酱竽X視覺皮質(zhì)視覺是個采樣過程對環(huán)境整體認識以及心理濾波器視覺系統(tǒng)經(jīng)過掃描路徑序列來采樣環(huán)境，重復相同區(qū)域，以確認我們內(nèi)部心理模型，和構(gòu)想看見內(nèi)容計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第23頁關(guān)于路徑掃描圖計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第24頁計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第25頁計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第26頁關(guān)于掃描路徑掃描路徑——交替快速掃描和定影序列掃描路徑本身是受到我們內(nèi)在心理模型驅(qū)使，而不是受外部世界驅(qū)使。我們從外部世界中所看見事物，如掃描路徑所指示，不只是受外部世界“物質(zhì)”所左右，而是受到我們內(nèi)在認知模型控制。計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第27頁計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第28頁認知模型影響計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第29頁尺寸不變性伸縮什么是尺寸不變性伸縮？用高層認知信息替換傳感數(shù)據(jù)作用？使物體看起來較之真實傳感信息形成在視網(wǎng)膜上圖像尺寸發(fā)生了改變。計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第30頁雙目視差、調(diào)整、收斂雙目視差左右眼間圖像差異朝所處環(huán)境任意地方看，交替用兩眼看，圖像水平地從左到右然后從右到左地往返切換調(diào)整調(diào)整透鏡讓場景中店對準焦點過程透鏡受睫狀肌控制收斂眼睛向內(nèi)旋轉(zhuǎn)方便讓附近對象進入焦點；或者向外旋轉(zhuǎn)，使視線趨于平行，方便讓遠處對象進入焦點。計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第31頁視域間隙視網(wǎng)膜上與視神經(jīng)相連區(qū)域是相正確計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第32頁線性透視、深度線索視網(wǎng)膜上圖像尺寸反比于對象離觀察者距離計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第33頁線性透視、深度線索計算機學中投影中心O計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第34頁線性透視錯覺計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第35頁Ponzo錯覺Muller-Lyer錯覺計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第36頁紋理梯度梵高畫紋理梯度抽象實例計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第37頁陰影和明暗處理陰影不但能傳達相關(guān)對象形狀信息，還能傳遞在場景里深度關(guān)系信息，大大提升對深度感知對象陰影是對象另外一個視圖—由光源產(chǎn)生視圖陰影提供了每個對象與周圍表面間空間關(guān)系直接信息見陰影深度線索圖計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第38頁遮擋與光照遮擋當一個對象部分地遮擋其它對象時候，它提醒人們該對象比較靠近觀察者見圖Kanizsa三角形錯覺光照光能量衰減與距離平方成百分比遠處對象與近處對象相比，顏色比較淡，比較含糊。計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實環(huán)境第39頁時間和空間不變性是外界差異在刺激我們視覺，假如我們完全固定視線，很快之后我們會什么也看不見，就像連續(xù)背景噪聲滴答聲被忽略。每一次眨眼就是一次視覺中止，通常我們不注意眨眼事實，認為我們視覺是連續(xù)而不間斷。視覺系