三维真实感图形虚拟演示系统设计与实现
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资料介绍：
设计过程
要设计一个良好的场景和优秀的交互方式，现在虚拟现实场景十分繁多，各种交互
方式也五花八门，我们要选择特定的场景，场景要保证两点：一是其新鲜性，让人耳目
一新，否则会让人有过于老套的感觉；另外就是其真实度，这是本次课题的着重关注点；在选取选定的场景后，我们要定义各交互方式，在从现有可得到的交互方式案例中提取和创新，以保证开发出来的交互方式可以最大程度的提高人机交互的效率。
场景的规模是必须考虑的，因为设计的时间和人员有限，必须限制场景规模，没有时间和人力去开发过大的场景规模，但是如果场景规模过小，演示系统就无法给人带来非常强烈的真实感冲击，而且过小规模的场景也会限制交互方式的设计和开发；所以定义适当的场景规模，对于课题的成败十分重要。
通过对计算机图形学和三维人机交互方式等相关书籍和文献的阅读和学习，了解和掌握建立真实图形显示系统的过程和三维虚拟场景中人机交互的方式。
三维图形及动画场景的显示，就是把所建立的三维空间模型，经过计算机的复杂处理，最终在计算机二维屏幕上显示的过程，并且在显示的过程要保证其真实感。一般，设计三维图形软件要经过以下步骤： think58
(1)图元建立三维模型。
(2)设置观看物体的窗口和观看点（视点）。
(3)设定各物体的属性（如色彩、光照、纹理映射等）
(4)如果要物体动起来，还要进行图形变换（如几何变换、视窗变换和投影变换等）。
(5)三维图形的二维化。
流程如下：
(1) 建立三维模型
建立三维模型，就是在三维坐标系中画三维场景。利用画点（Point）、画线（Line）、画多边形(Polygon)等函数可以建立复杂的空间模型。在表示三维空间时，一般用齐次坐标（Homogeneous Coordinate）。在实际应用时一般把一系列顶点（Vertex ）组织起来以构成物体或图元。
(2) 置窗口和视口
图形显示的区域称为显示窗口。流程顺序为：定义一个窗口一般由以下步骤完成：设置窗口模式，设置窗口位置、大小，初始化窗口，窗口颜色设置
清理窗口是指把窗口清成某种颜色。
要观看场景，也需要一个窗口，即视口。通俗地讲，视口变大，场景被放大；视口变小，场景被缩小。
(3) 设置光照
要使物体具有真实感，就要对物体进行光照处理。在计算机图形学中，物体的真实感应考虑两种因素：光源和物体材质。
三维真实感图形虚拟技术的应用领域
伴随着三维真实感图形虚拟技术的不断成熟，其在现实中的应用也获得了巨大成功，所应用的领域也不断拓广，主要集中在以下几个领域[3]：
(1) 可视化
科学技术的迅猛发展，数据量的与日俱增使得人们对数据的分析和处理变得越来越困难，人们难以从数据海洋中得到最有用的数据，找到数据的变化规律，提取数据最本质的特征。但是，如果能将这些数据用图形形式表示出来，常常会使问题迎刃而解。1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing，简称为VISC）”。第二年，美国计算机成像专业委员会向NSF提交了“科学计算可视化的研究报告”后，VISC就迅速发展起来了。
目前科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中。尤其在医学领域，可视化有着广阔的发展前途。机械人和医学专家配合做远程手术是目前医学上很热门的课题，而这些技术的实现的基础则是可视化。可视化技术将医用CT扫描的数据转化为三维图像，并通过一定的技术生成在人体内漫游的图像，使得医生能够看到并准确地判别病人的体内的患处，然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功地完成手术。从目前的研究状况来看，这项技术还远未成熟，离实用还有一定的距离。主要原因是生成人体内漫游图像的三维体绘制技术还没有达到实时的程度，而且现在大多数体绘制技术是基于平行投影的，而漫游则需要真实感更强的透视投影技术，然而体绘制的透视投影技术到还没有很好地解决。另外在漫游当中还要根据CT图像区分出不同的体内组织，这项技术叫Segmentation。目前的Segmentation主要是靠人机交互来完成，远未达到自动实时的地步。 内容来自think58 [版权所有：http://think58.com]
(2) 图形实时绘制与自然景物仿真
在计算机中重现真实世界场景的过程叫做真实感绘制。真实感绘制的主要任务是要模拟真实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。其中，光照和表面属性是最难模拟的。为了模拟光照，已有各种各样的光照模型。从简单到复杂排列分别是：简单光照模型、局部光照模型和整体光照模型。从绘制方法上看有模拟光的实际传播过程的光线跟踪法，也有模拟能量交换的辐射度方法。除了在计算机中实现逼真物理模型外，真实感绘制技术的另一个研究重点是加速算法，力求能在最短时间内绘制出最真实的场景。例如求交算法的加速、光线跟踪的加速等等，像包围体树、自适应八叉树都是著名的加速算法。实时的真实感绘制已经成为当前真实感绘制的研究热点，而当前真实感图形实时绘制的两个热点问题则是物体网格模型的面片简化和基于图像的绘制（IBR Image Based Rendering）。网格模型的面片简化，就是指对网格面片表示的模型，在一定的误差范围内，删除部分点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度。IBR完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制方法，它直接从一系列已知的图像中生成未知视角的图像。这种方法省去了建立场景的几何模型和光照模型的过程，也不用进行如光线跟踪等极费时的计算。该方法尤其适用于野外极其复杂场景的生成和漫游。 think58.com
另外，真实感绘制已经从最初绘制简单的室内场景发展到现在模拟野外自然景物，比如绘制山、水、云、树、火等等。人们提出了多种方法来绘制这些自然景物，比如绘制火和草的粒子系统（Particle System），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等。也出现了一些自然景物仿真绘制的综合平台，如德国Lintermann和Deussen的绘制植物的平台Xforg，以及清华大学自主开发的自然景物设计平台。
(3) 用户接口
用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性，在DOS时代，计算机的易用性很差，编写一个图形化的界面要费去大量的劳动，过去软件中有60％的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能的。进入80年代后，随着Xwindow标准的面世，苹果公司图形化操作系统的推出，特别是微软公司Windows操作系统的普及，标志着图形学已经全面融入计算机的方方面面。如今在任何一台普通计算机上都可以看到图形学在用户接口方面的应用。操作系统和应用软件中的图形、动画比比皆是，程序直观易用。很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作。
目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。
要设计一个良好的场景和优秀的交互方式，现在虚拟现实场景十分繁多，各种交互
方式也五花八门，我们要选择特定的场景，场景要保证两点：一是其新鲜性，让人耳目
一新，否则会让人有过于老套的感觉；另外就是其真实度，这是本次课题的着重关注点；在选取选定的场景后，我们要定义各交互方式，在从现有可得到的交互方式案例中提取和创新，以保证开发出来的交互方式可以最大程度的提高人机交互的效率。
场景的规模是必须考虑的，因为设计的时间和人员有限，必须限制场景规模，没有时间和人力去开发过大的场景规模，但是如果场景规模过小，演示系统就无法给人带来非常强烈的真实感冲击，而且过小规模的场景也会限制交互方式的设计和开发；所以定义适当的场景规模，对于课题的成败十分重要。
通过对计算机图形学和三维人机交互方式等相关书籍和文献的阅读和学习，了解和掌握建立真实图形显示系统的过程和三维虚拟场景中人机交互的方式。
三维图形及动画场景的显示，就是把所建立的三维空间模型，经过计算机的复杂处理，最终在计算机二维屏幕上显示的过程，并且在显示的过程要保证其真实感。一般，设计三维图形软件要经过以下步骤： think58
[资料来源：http://www.THINK58.com]
(1)图元建立三维模型。
(2)设置观看物体的窗口和观看点（视点）。
(3)设定各物体的属性（如色彩、光照、纹理映射等）
(4)如果要物体动起来，还要进行图形变换（如几何变换、视窗变换和投影变换等）。
(5)三维图形的二维化。
流程如下：
(1) 建立三维模型
建立三维模型，就是在三维坐标系中画三维场景。利用画点（Point）、画线（Line）、画多边形(Polygon)等函数可以建立复杂的空间模型。在表示三维空间时，一般用齐次坐标（Homogeneous Coordinate）。在实际应用时一般把一系列顶点（Vertex ）组织起来以构成物体或图元。
(2) 置窗口和视口
图形显示的区域称为显示窗口。流程顺序为：定义一个窗口一般由以下步骤完成：设置窗口模式，设置窗口位置、大小，初始化窗口，窗口颜色设置
清理窗口是指把窗口清成某种颜色。
要观看场景，也需要一个窗口，即视口。通俗地讲，视口变大，场景被放大；视口变小，场景被缩小。
(3) 设置光照
要使物体具有真实感，就要对物体进行光照处理。在计算机图形学中，物体的真实感应考虑两种因素：光源和物体材质。
三维真实感图形虚拟技术的应用领域
伴随着三维真实感图形虚拟技术的不断成熟，其在现实中的应用也获得了巨大成功，所应用的领域也不断拓广，主要集中在以下几个领域[3]：
[资料来源：THINK58.com]
(1) 可视化
科学技术的迅猛发展，数据量的与日俱增使得人们对数据的分析和处理变得越来越困难，人们难以从数据海洋中得到最有用的数据，找到数据的变化规律，提取数据最本质的特征。但是，如果能将这些数据用图形形式表示出来，常常会使问题迎刃而解。1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing，简称为VISC）”。第二年，美国计算机成像专业委员会向NSF提交了“科学计算可视化的研究报告”后，VISC就迅速发展起来了。
目前科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中。尤其在医学领域，可视化有着广阔的发展前途。机械人和医学专家配合做远程手术是目前医学上很热门的课题，而这些技术的实现的基础则是可视化。可视化技术将医用CT扫描的数据转化为三维图像，并通过一定的技术生成在人体内漫游的图像，使得医生能够看到并准确地判别病人的体内的患处，然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功地完成手术。从目前的研究状况来看，这项技术还远未成熟，离实用还有一定的距离。主要原因是生成人体内漫游图像的三维体绘制技术还没有达到实时的程度，而且现在大多数体绘制技术是基于平行投影的，而漫游则需要真实感更强的透视投影技术，然而体绘制的透视投影技术到还没有很好地解决。另外在漫游当中还要根据CT图像区分出不同的体内组织，这项技术叫Segmentation。目前的Segmentation主要是靠人机交互来完成，远未达到自动实时的地步。 内容来自think58 [版权所有：http://think58.com]
(2) 图形实时绘制与自然景物仿真
在计算机中重现真实世界场景的过程叫做真实感绘制。真实感绘制的主要任务是要模拟真实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。其中，光照和表面属性是最难模拟的。为了模拟光照，已有各种各样的光照模型。从简单到复杂排列分别是：简单光照模型、局部光照模型和整体光照模型。从绘制方法上看有模拟光的实际传播过程的光线跟踪法，也有模拟能量交换的辐射度方法。除了在计算机中实现逼真物理模型外，真实感绘制技术的另一个研究重点是加速算法，力求能在最短时间内绘制出最真实的场景。例如求交算法的加速、光线跟踪的加速等等，像包围体树、自适应八叉树都是著名的加速算法。实时的真实感绘制已经成为当前真实感绘制的研究热点，而当前真实感图形实时绘制的两个热点问题则是物体网格模型的面片简化和基于图像的绘制（IBR Image Based Rendering）。网格模型的面片简化，就是指对网格面片表示的模型，在一定的误差范围内，删除部分点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度。IBR完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制方法，它直接从一系列已知的图像中生成未知视角的图像。这种方法省去了建立场景的几何模型和光照模型的过程，也不用进行如光线跟踪等极费时的计算。该方法尤其适用于野外极其复杂场景的生成和漫游。 think58.com
[资料来源：www.THINK58.com]
另外，真实感绘制已经从最初绘制简单的室内场景发展到现在模拟野外自然景物，比如绘制山、水、云、树、火等等。人们提出了多种方法来绘制这些自然景物，比如绘制火和草的粒子系统（Particle System），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等。也出现了一些自然景物仿真绘制的综合平台，如德国Lintermann和Deussen的绘制植物的平台Xforg，以及清华大学自主开发的自然景物设计平台。
(3) 用户接口
用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性，在DOS时代，计算机的易用性很差，编写一个图形化的界面要费去大量的劳动，过去软件中有60％的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能的。进入80年代后，随着Xwindow标准的面世，苹果公司图形化操作系统的推出，特别是微软公司Windows操作系统的普及，标志着图形学已经全面融入计算机的方方面面。如今在任何一台普通计算机上都可以看到图形学在用户接口方面的应用。操作系统和应用软件中的图形、动画比比皆是，程序直观易用。很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作。
目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。
[资料来源：THINK58.com]