技术虚拟论文范文

技术虚拟论文范文（精选12篇）

技术虚拟论文 第1篇

从20世纪90年代开始,美国国防部为了更好、更快、更省地采购和部署满足21世纪军事需求的武器系统,进行了一系列卓有成效的防务采办改革,提出了基于仿真的采办(Simulation Based Acquisition,SBA)的概念[1,2,3,4,5,6]。基于仿真的采办的核心思想是通过采用建模与仿真技术,以并行、迭代、柔性的思想指导武器系统的开发与采办,实现武器系统全生命周期各阶段的协同工作,是对传统采办在过程、支持环境和采办文化上的变革与创新[6]。经过多年的实践与发展,基于仿真的采办得到美国军方和工业界的充分肯定,他们认为,基于仿真的采办可为切实缩短武器装备的研制周期、减少资源消耗、降低采办风险、提高装备质量。

虚拟样机(Virtual Prototype,VP)是基于仿真的采办中的一个重要概念,是建模与仿真技术在其中的一个最重要的应用形式。它利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试、评估和人员训练,成为缩短产品开发周期,降低成本,改进产品设计质量,提高面向客户与市场需求能力的重要手段。

随着高新技术成果大量地应用于武器装备,武器装备变得越来越复杂。传统的串行采办过程,论证方、用户方、研制方和评估方分离的采办制度将很难适应未来武器装备的发展需求。因此,可以借鉴美军基于仿真的采办的成功经验,以并行、迭代、柔性的思想指导武器装备的开发与采办,用虚拟样机代替物理样机参与武器装备的预研、方案论证、工程研制、定型试验等过程阶段的试验与评估,并将试验与评估的结果直接反馈于武器装备的设计与研制,通过并行、迭代、柔性的方式不断地改进和完善武器装备的设计,更好地适应与满足未来不断变化的军事作战需求,降低武器装备的开发风险和开发成本,缩短研制周期,提高产品质量。

1虚拟样机技术

根据美国国防部建模与仿真办公室(Defense Modeling and Simulation Office,DMSO)的定义,武器装备的虚拟样机是指在需求分析、方案论证、系统设计、演示验证等阶段使用的、代替武器装备实物样机的数字模拟产品。虚拟样机将建模与仿真技术扩展到新产品研制开发的全过程。它以计算机支持的协同工作为技术基础,通过支持协同工作、CAD、CAM、建模与仿真、产品分析、计算可视化、虚拟现实的计算机工具,将各个集成化产品小组(Integrated Product Team,IPT)的设计与分析人员联系在一起,共同完成新产品的概念探讨、运作分析、初步设计、详细设计、可制造性分析、性能评估、生产计划和生产管理等工作。

利用虚拟样机代替物理样机,可缩短开发周期,降低开发和测试成本,改进设计质量。利用虚拟样机,可使产品的设计者、使用者和评估者在产品研制的早期,在虚拟环境中,直观形象地对虚拟样机进行优化设计、性能测试、制造和使用仿真,对启迪设计创新、减少设计错误有着重要意义。

1.1虚拟样机技术的特点

1.1.1虚拟样机在产品的全生命周期中是不断进化的

李伯虎院士等学者认为,利用虚拟样机技术开发虚拟样机的过程,实质上是一种产品全生命周期基于模型的不断提炼与完善的过程[7,8]。不仅如此,作者还认为,在产品的全生命周期内,随着论证方、研制方、使用方和评估方对产品认识的不断加深,虚拟样机的开发是一个不断进化、不断完善的过程。虚拟样机经过不断地迭代,逐步完善,逐渐逼近最终的实际物理样机,最后研制方根据最终的虚拟样机生产制造出满足设计目标的物理样机。

在进行系统论证时,由于对产品的认识还不深入,论证方仅仅能够勾勒出产品的大概轮廓,提出产品的主要战技指标要求,对于虚拟样机的许多细节,暂时还无法进行确定。当进行系统设计时,随着对产品设计的全面展开,虚拟样机的细节逐步丰满,产品的组成、工作流程、内外部接口等内容不断丰富,虚拟样机得到了初步地进化与完善。在后续的虚拟制造、虚拟试验、虚拟使用等环节,制造方、试验方和使用方会发现产品在论证与设计中的许多问题与缺陷,不断地提出产品的改进意见。这些都反馈到产品的论证方与设计方,对虚拟样机的设计进行修改完善,实现虚拟样机的不断进化,最后形成最终的虚拟样机产品,如图1所示。

1.1.2虚拟样机成为论证方、用户方、研制方和评估方之间直观的交流语言

以往,产品的论证方、用户方、研制方和评估方之间的交流主要通过各种文书实现,包括研制任务书、设计方案、设计图样、试验报告和使用说明书等文件。一方面,这些文件数量庞大,读完并理解需要耗费较长时间;另一方面,这些文书不直观,各方对文书的理解存在偏差,很难使各方对产品形成统一完整的认识。这些不利于各方之间的交流沟通,也直接影响到武器装备的作战使用。

利用虚拟样机,就很容易使各方对产品的认识具体化,形象化。论证方向研制方说明研制目标和要求时,可以将其论证的虚拟样机运行于仿真作战环境中,直观形象地展现武器装备的作战环境、作战目标、作战过程、使用要求、战技指标等,使双方沟通更通畅,更容易达到一致的认识;当用户培训操作手时,就可以直接利用虚拟样机,这样不仅能够比较容易地发现武器装备的设计问题和缺陷,而且武器装备的技术特点、使用特点也会直观立现,也使得部队能够在战时更好地运用武器装备,使用武器装备。

1.1.3虚拟样机利于增量式开发的实现

增量式开发是指,已经识别了武器装备的预期能力,对于其终能力的需求是明确的。最终能力需求是可以通过多次增量开发得到满足,但武器装备的每次增量开发取决于当前的技术成熟度。这是为了平衡技术成熟度和研发风险、费用以及用户能力需求紧迫性之间的关系。这样就允许核心作战能力可以快速投入战场来满足作战需求。这种策略可以随着技术的逐步成熟,将作战能力以连续增量的方式投入战场。增量式开发可以加快技术进步到战斗生成之间的转化,缩短武器装备的采办周期,形成“研制一批、生成一批、装备一批”的武器装备持续发展局面,使得关键技术进步可以快速形成战斗力。

虚拟样机的并行、迭代、柔性的开发过程与增量式的开发过程非常吻合,使增量式开发的过程较容易实现。另一方面,虚拟样机的模型复用技术也可以与增量式开发相结合,在增量式的开发过程中大量地使用模型复用技术,进一步加快开发过程,缩短开发周期,快速技术进步向战斗力的转换。

1.2虚拟样机技术的应用

目前虚拟样机技术已经显示出其强大的生命力,广泛的应用于航空、航天、车辆、机械等领域。波音777就是一个采用虚拟样机技术的典范,它首次采用虚拟样机技术实现了包含300万个零件的波音777飞机全过程无图纸设计。在11个月的时间里,设计小组利用虚拟样机完成了751个飞行小时的机翼测试,730个地面小时的飞行性能测试,1088个飞行小时的推进器性能测试,770个飞行小时的飞行稳定性测试,830个地面小时的飞行开发,1280个飞行小时用于ETOP,913个地面小时用于系统验证,共8384个测试小时,他们耗费了最短的时间进行了历史上最长时间的测试,减少了94%的费用和93%的设计更改。

随着仿真技术的发展,虚拟样机技术与武器系统的结合也越来越紧密。例如美国麦道公司采用虚拟样机技术研究F/A-18战斗机的发动机装配问题,可以在30分钟内确定发动机是否能够完全适应飞机及维修设备的需要;美国研制第4代战斗机F22的过程中,虚拟样机试验与评估以及风洞试验的经费比是6:4;美国“响尾蛇”空空导弹的三个型号,由于采用了虚拟样机技术,靶试的实弹数由129发减少到35发;在“爱国者”、“罗兰特”和“尾刺”地空导弹的研制过程中,节省研制经费10%~40%,缩短研制周期30%~40%,这三个地空导弹的靶试情况如表1所示。

李伯虎院士等人是在国内较早开展虚拟样机研究的技术团队之一。他们基于国家863/CIMS航天并行工程项目,开展了复杂系统的虚拟样机技术研究、应用与初步实践,并开发了具有自主知识产权的虚拟样机支撑平台,并将虚拟样机技术成功地应用于航天飞行器的设计与制造。[7,8,9]

另外,虚拟样机技术在国内已成功地应用于导弹[10,11]、火炮[12,13]、轻武器[13,14]等武器系统的设计与制造领域,也成功应用于机器人[16,17]、数控机床[18]、拖拉机[19]等装备的设计与制造领域,甚至也应用于过山车[20]和乒乓球发球机[21]等娱乐设备的设计与制造领域。

2虚拟样机试验

2.1虚拟样机试验可以使传统的串行采办过程并行化

由图2可知,传统的采办过程是一种串行的采办过程,装备试验与评价活动并未贯穿装备的整个采办寿命周期,主要处于工程研制阶段之后,生产部署之前。传统的装备试验与评价活动基本上是以单件装备型号产品为试验对象,试验目的基本上是为了检验装备型号产品的各个单项性能指标是否达到了初始设计要求。利用虚拟样机试验就可以将传统的串行采办过程转变为如图3所示的并行的采办过程。

2.2虚拟样机可以弥补试验时物理样机数量上的不足

一般来说,装备在进行定型试验之前,生产的数量都极少,不能满足今后体系效能试验的数量要求。由于经费、生产能力等方面的原因,研制方又不可能生产出符合体系效能试验数量要求的装备。因此,在体系效能试验之前,对虚拟样机进行验模与评估,确保虚拟样机能够代替物理样机参加试验;试验时,利用虚拟样机代替部分物理样机,构建体系效能试验环境,驱动试验运行;试验后,对虚拟样机和物理样机的表现进行综合分析,评估装备的体系对抗效能。

2.3可以将LVC仿真资源进行综合集成构建逼真的虚拟样机试验环境

仿真资源通常可分为真实(Live)、虚拟(Virtual)和构造(Constructive)3种。真实仿真资源是指在部分虚拟的环境中由真实的人操作真实的装备;虚拟仿真资源是指在虚拟环境中由真实的人操作虚拟的装备;构造仿真资源是指在虚拟环境中由虚拟的人操作虚拟的装备。在装备的论证、研制、试验和使用过程中,产生了大量的LVC仿真资源,这些资源面向不同的仿真应用,满足了不同的仿真需求。在进行虚拟样机试验时应很好地继承LVC仿真资源,面向实战,进行综合集成,构建逼真的虚拟样机仿真试验环境。

3结束语

虚拟陀螺技术研究 第2篇

虚拟陀螺技术研究

提出了一种基于阵列数据融合的虚拟陀螺技术来提高微机械陀螺的精度.其将多个同类型的陀螺组合形成阵列.采用Allan方差方法提取微机械陀螺的`速率随机游走、角度随机游走等噪声,并利用阵列陀螺间同类噪声的相关性建立卡尔曼滤波器的系统噪声方差阵及量测噪声方差阵,设计实现了静态和动态两种最优滤波器对陀螺的输出进行最优估计.实验结果显示:三个偏置稳定性为35 deg/hr的微陀螺经静态、动态滤波后,所形成的虚拟陀螺偏置稳定性分别降至0.15 deg/hr和20deg/hr,表明该虚拟陀螺技术可有效提高微机械陀螺的精度.

作 者：张鹏 常洪龙 苑伟政 胡敏 ZHANG Peng CHANG Hong-long YUAN Wei-zheng HU Min 作者单位：西北工业大学微/纳米系统实验室,西安,710072刊 名：传感技术学报 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS年，卷(期)：19(5)分类号：V2关键词：微机械陀螺 随机漂移Allan方差 卡尔曼滤波

技术虚拟论文 第3篇

关键词：虚拟现实；实验教学系统；构建

中图分类号：TP37 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 03-0000-01

Constructing of Network Virtual Experiment Teaching System on Virtual Reality Technology

Li Xiuluan

(Marine Department of 91,040 Troops North China Sea Navy,Qingdao 266231,Chian)

Abstract:The current problems in the experiment teaching were analyzed,and presented the major advantages for the applicatin of network virtual experiment teaching system.The paper conducted a study to construct network virtual experiment teaching system based on virtual reality technology,and specifically analyzed the functional models and the system framework,etc.

Keywords:Virtual reality;Experiment teaching system;Construction

传统的实验教学模式常常以教师为中心，学生要按照教师的布置来完成实验操作。实验中缺少交互的情况广泛存在，使学生常处于被动状态，对于学生主动性学习和创造能力的培养不利。虚拟实验的概念是随着计算机和网络技术的发展而发展起来的，能够使实验者像在真实环境中一样完成预定的实验项目。本文重点结合虚拟现实技术和网络技术来设计一个网络虚拟实验教学系统，并给出系统模型和功能的设计。

一、网络虚拟实验教学系统开发的需求分析

随着素质教育的逐步推进，教育领域对于实验教学的要求也越来越高。传统的实验教学受到实验器材、场地以及其它环境条件的限制，存在许多问题，主要包括以下几个方面：第一，实验中演示性和验证性内容多，实验步骤和方法固定，过程单调，学生在实验中往往忽视对实验现象和实验过程的观察和思考，不利于学生主动性、创造性思维的培养。第二，实验运行效率低、成本高的问题严重。传统实验器材购置和运行成本高，功能有限，支持的实验内容少，容易造成实验设备闲置和实验室空间浪费。第三，实验手段落后，教学效果有限。随着教育改革的不断深入，对教学实验设备的要求也越来越高，但实验设备的更新却很难同步进行，实验手段落后的问题大量存在。

随着计算机技术和网络技术的发展，虚拟实验教学发展很快。网络虚拟实验教学系统是一个基于网络环境的实验教学系统，系统中大量采用数据库、网络、虚拟现实、计算机仿真等技术，能够为学习者提供虚拟的实验环境。与传统实验相比，网络虚拟实验教学系统突破了实验设备硬件的限制，可以根据不同的实验内容调用不同的虚拟实验单元，并将其组合成不同的实验，能够节省实验资源，学生可以通过自主或者在教师指导下方便的进行实验项目的选择，能够有力的提高学生学习的主动性和激发学生的学习兴趣。

二、基于虚拟现实技术的网络虚拟实验教学系统的构建

从教学和管理的角度看，网络虚拟实验教学系统主要包括三类用户：系统管理员、教师和学生。从逻辑结构上看，网络虚拟实验教学系统可分为教师平台、学生平台和系统管理员平台。这三类用户均运行于基于Web的浏览器/服务器（B/S）模式的系统平台之上，网络虚拟实验教学系统的模型结构如图1所示。

系统各个组成部分的主要功能如下：

学生平台：学生在系统中占据中心地位。学生可以经过授权进入虚拟实验教学系统，进行实验项目的选择和实验的相关操作。包括学习实验教学课件、掌握实验原理、观看实验演示过程、了解实验仪器和设备等。之后，学生即可通过设定的实验项目来选择实验仪器和设备，进行仿真实验操作，并对实验结果和实验数据进行分析。实验过程中，学生可以通过系统提交实验报告，随时提出问题并与教师交互学习。教师平台：教师主要是对实验教学的资源进行制作和管理，包括制作实验教学课件，更新和补充实验资料，对虚拟实验对象的数据库进行管理和维护，生成实验项目，监控实验过程，评价实验结果，解答疑难问题等。管理员平台：负责对系统用户进行管理，进行系统安全策略管理和管理与系统配置。虚拟实验仿真系统：虚拟实验仿真系统作为整个系统的控制中心和最关键的构件，用来将各种实验资源、仪器、实验条件、结果和策略等组合在一起呈现给用户，学生通过虚拟实验仿真系统生成的实验对象和仪器进行实验。虚拟实验仪器设备及对象库：用来存放虚拟实验设备和仪器。实验条件和结果库：用来贮存实验条件和实验结果。

三、结束语

实验教学是配合理论教学的关键教学环节，是实践教学的重要组成部分，对于培养学生分析和解决问题的能力以及学生的实践能力都具有重要作用。文中结合虚拟现实技术，对网络虚拟实验教学系统的基本构建进行研究，给出了网络虚拟实验教学系统的模型结构，致力构建实践性强、仿真性好的虚拟实验教学系统。

参考文献：

[1]王国权等.虚拟试验技术[M].电子工业出版社,2004,05

[2]徐紅,刘羽,王林.网络虚拟实验室建设的研究[J].实验科学与技术,2007,5(4):132-134,147

基于虚拟现实技术的虚拟角色设计 第4篇

虚拟仿真产品设计工作中,虚拟角色参与的实现是一个重要的组成部分。传统的虚拟仿真产品设计只重视外观和功能,所使用的建模工具主要以3DS Max、Maya等为主。通过这些工具建立有角色参与的虚拟场景,所需的人力和时间较大,且开发效率较低。在适人化设计倍受重视的今天,虚拟仿真产品设计(特别是大型产品,如模拟城市、楼盘展示、大型飞行器、复杂电磁空间、船只以及武器系统等),为增强设计产品的临境性、安全性、可用性、适人性,除考虑功能外,更需重视角色与虚拟场景的有效融合与交互构造。

2 基于VRML的虚拟场景构建

基于VRML的虚拟场景中以节点为基本组件,每个节点分别有其各自不同的作用,而且具有重复使用性,使虚拟场景及对象的构建更加快速、简捷。节点被组织在场景图和动作路径两种数据结构,场景图则以树状结构(如图1所示)组织各个节点的层次关系。当父节点进行旋转、位移或尺寸缩放时,父节点所有的动作会作用至其下所有的子节点上。各个节点的层次关系有助于简化群组的动作设定,并有效地明确各节点的关系。

虽然描述三维场景的树状结构能够表示虚拟场景组织节点的层次关系,但无法描述节点间的执行顺序和逻辑关系,以及节点间数据传输的定义。因此,在VRML中可以通过以事件(EVENT)为基础的流程图作为路径(ROUTE)来解决该问题。动作路径设定动作和交互节点间的执行顺序和逻辑关系。节点的输入事件和输出事件利用路径来连接节点,在路径中通过事件传递数据。当前一个节点发出信号后,通过逻辑判断来决定是否改变下一个节点内各个域的值和状态,并借此判定是否触发下一个节点的动作设定,进而安排不同动作的执行顺序及逻辑关系,构建交互的三维虚拟场景。

3 虚拟场景中虚拟角色的构建

为快速、有效地生成虚拟空间中的虚拟角色造型,可以通过个性化虚拟角色模型的自动生成方法实现。该方法首先定义一个虚拟角色造型模板,再参考实体进行自动匹配机制,得到虚拟角色的原型模型,最后利用可视化的编程方法输出。

3.1 建立虚拟角色模型

虚拟角色模型由两部分组成,即躯干模型和材质模板。躯干模型以树形结构定义虚拟角色的整体形状(包括头部、四肢等)和姿势;材质模板定义虚拟角色的细化和渲染(包括肤色、服装和表情等)。

其中F表示男性特征的虚拟角色的躯干模型,表示躯干中各个肢体器官的连接点,F'为材质模板修饰后的虚拟角色三维仿真造型输出。

3.2 自动匹配机制

由图2可知,虚拟角色模型的树形描述中,各肢体器官造型之间均有连接点Fi。这些连接点是虚拟角色姿势、动作变换的空间位置估算来源。在设计中以两个几何造型A、B的重叠区域的中心作为连接点。动作匹配过程中连接点作用如图2所示。

构造虚拟角色各肢体器官的造型由一系列规则几何体、点集和面集构成。遍历虚拟角色模型中的所有连接点,对应其在虚拟场景空间中的轨迹范围(Xmin,Xmax)、(ymin,ymax)和(Zmin,Zmax),确定“最大包围区域”,建立该区域的域值列表,完成虚拟角色造型、运动的合理性匹配。

3.3 可视化输出

首先,选取需要编辑的连接点,把虚拟角色模型的三维空间点匹配到二维坐标系上的点,即需要建立两个坐标系的关联,关联的描述方程为:

公式(3-1)中,(x,y)为连接点Fi在三维空间中投影到XY平面上的坐标值,(x',y')为连接点Fi在屏幕中的坐标值,Bx为匹配区域的宽度,By为匹配区域的高度,为三维空间的可视区域宽度。

读取三维造型文件的过程就是处理VRML节点的过程,要处理的节点信息包括DEF Transform、Shape、Appearance、Material、Geometry、IndexedFaceSet、Color、Coordinate、Normal、coordIndex等。三维造型的读入采用面向对象思想将每个实体对象化,使得在后面三维造型进一步处理时更加方便,所有对象生成显示列表,使其具有很强的扩展性,供后面的显示模块调用。虚拟造型运行效果如图3所示。

4 结语

本文以吉林省教育厅“十一五”社会科学研究项目为依托,给出了一种有虚拟角色参与的虚拟场景构建的方法和针对设计产品进行有效测试评估的理论。提出的方法和理论解决了实现有角色参与的复杂三维虚拟空间的生成问题,从而实现对任意设计模型的快速、有效地研发,为虚拟空间的场景构建打下基础。

参考文献

[1]W.D.Li et al.A3D Simplification Algorithm for Distributed Visualization[J].Computers in Industry,582007:211-226.

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[5]J.A.BELLIAN,et al.Digital Outcrop Models:Applications Of Terrestrial Scanning Lidar Technology In Stratigraphic Model-ing[J].Journal Of Sedimentary Research,2005,75(2):166-176.

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[8]Dieter Müller et al.Mixed Reality Learning Spaces for Collab-orative Experimentation:A Challenge for Engineering Educa-tion and Training[J].iJOE,2007,3(4):15-19.

虚拟演播室技术总结 第5篇

虚拟演播室是由传统的色键技术发展而来。它可以把现场视频与计算机影像实时地无缝地合成在一起，是对传统的电视演播室技术的一次重大变革。本文讨论了虚拟演播室系统的原理，技术途径以及当前所面临的问题。

在现代社会中，随着电视成为最广泛的大众传播媒介和娱乐工具，电视观众对于电视的欣赏口味正在不断提高，而且，对于电视制作及电视技术也提出了更高的要求。为满足这种电视制作的要求，电视技术迅速的向数字化、多媒体方向发展，虚拟演播室技术已成为近年来的新热点。实际上，虚拟技术早已在军事、科研、气象、建筑等领域广泛应用，而进入电视、电影制作领域还只是近几年的事情。如电影《侏罗纪公园》、《阿甘正传》，在其后期制作中，将实拍的人物与电脑绘制的虚拟景物有机地结合起来，给观众以全新的视觉享受。但这种需要大量时间进行后期合成的方式无法满足现代电视生产周期短、时效性强的需求，因此虚拟演播室技术应运而生。

虚拟演播室技术一经问世，便被电视制作领域认可和接受。在韩国总统选举和美国总统选举的电视转播中，电视观众已看到采用了RT-SET虚拟演播室所带来的耳目一新的转播效果。现在，全球已有数十家电视台及制作公司采用了虚拟演播室。这一技术使电视导演可以摆脱时间、空间及道具制作方面的限制，在广泛的想象空间中进行自由创作。虚拟演播室是建立在高速图形计算机和视频色键基础上发展起来的演播室技术。在虚拟演播室系统中，现场视频可以实时地与计算机产生的三维图形完美无缺地集成在一起，构成一个现实中不存在的，但是在电视画面上却又起到演播室作用的那种假想的新的环境和气氛，并可极为灵活地根据用户需求进行定制。一台工作站可与多台摄像机连接，摄像机可在虚拟演播室中随意移动，它突破了传统布景、道具、灯光、场地等演播室制作工艺的限制，虚拟模型可使用户在布景、拆景及贮存道具方面节省大量开支。同时，用户还可以通过建立三维模型得到真实道具所不能达到的特殊效果。技术制作人员可以利用鼠标器来激活或改变场景中的任何事物。虚拟演播室无需很大，可是却为制作人员提供了无限的自由创造空间。无疑，虚拟演播室可以极大地提高电视台对节目的创作和制作能力，对开拓电视节目空间，降低节目制作费用有着十分重要的意义。因此，受到了影视界，特别是电视节目制作人员的青睐。

二、虚拟演播室技术

虚拟演播室除了传统演播室所具有的装置外，还必须有能获取摄像机运动参数的摄像机运动跟踪系统以及能实时生成与前景图像保持正确透视关系的背景图像。最后，来自摄像机的前景和生成的背景在色键合成器中合成并输出。摄像机运动参数的获取

摄像机的运动参数包括镜头运动参数（变焦zoom；聚焦focus；光圈zris），机头运动参数（摇移pan；俯仰tilt），及空间位置参数（地面位置X、Y和高度Z）等。这些参数的获取对虚拟演播室系统来说是至关重要的，它可直接影响到虚拟背景的生成。目前有两种方式可获得摄像机的这些运动参数，即机械跟踪方式和图像分析识别方式。

1）机械跟踪方式

这种摄像机跟踪系统采集摄像机的位置及透视数据，它通常被安装在三角架或基座之上。为测量摄像机的镜头运动参数，需要在摄像机镜头上安装附加装置。这个装置中包含有传感器和有关电子装置，称为镜头运动参数编码器。这是一种精确的旋转编码器。镜头编码器通过托架与镜头上变焦环和聚焦环的齿轮紧密咬合。当变焦环或聚焦环发生位置变化时，编码器能够检测出上、下、左、右摆动的细微角度并将其编码输出。信息数据通常通过一些串行接口类型如RS-232或RS-422传送给计算机。

摄像机的地面位置X、Y及高度Z也可用类似的编码器方式测量，即用相应的传感器检测摄像机的升降和云台脚的转动，并对其参数值进行编码。X、Y及Z

跟踪器允许传感摄像机上、下、左、右全方位的信息，可以装在滑轨或升降架上。不过，用这种方式测得的X、Y参数精度较低；另有一种测量X、Y参数的方法是读条码法。这种方法要求在云台上安装一个专用广角摄像机，同时在演播室一面墙的底边安装有条形码板，通过广角摄像机扫描条形码可测量出摄像云台在演播室中的绝对位置。这种方式精度较高，但缺点是必须保证条形码处于广角摄像机的视野范围之内，否则就无法确定位置。有些系统可同时使用两种方式确定X、Y位置，即当广角摄像机能拍摄到条形码时，采用读条形码法，而当广角摄像机无法拍摄到条形码时（例如中间有遮挡物），则自动转到对云台脚轮转动的编码方式。利用机械跟踪方式有许多优点，主要有：

(1)测量摄像机参数可以达到非常精确，旋转角度可以达到0.001°，移动距离可以达到0.01毫米的精确度，工作稳定，数据处理时间短。

2单颜色蓝背景，无需用户绘制背景墙，很容易照亮蓝色背景而不用担心照亮网格。摄像机运动不受限制，因此允许摄像机有更好的拍摄角度；演员更容易接受虚拟场景。演员在蓝色舞台范围内可以任意速度自由活动，不受限制；自由使用真实的蓝色支持道具，不用担心遮挡网格。

(3)跟踪数据没有延时。可以60Hz速率进行摇移、俯仰及变焦，无需额外的工作站处理跟踪信息。

(4)在合成拍摄过程中可以很容易处理阴影，无需进行额外的修补不足之处。

同时机械跟踪系统也有许多缺点，由于这种方式必须在摄像机镜头及云台上安装专用编码器，使得演播室中可使用的摄像机的种类及数量受到限制，一般只限于ENG/EFP型，并且每台摄像机必须有一个跟踪器；其次，不能使用手持式摄像机，因为摄像机的机械跟踪系统部分过于庞大、笨重，增加了摄影师灵活使用的难度；再次，机械跟踪需要对摄像机的镜头进行精确的测量，校正困难；最后就是定位，在拍摄之前，需要一个非常耗时的过程来获取摄像机的初始位置和方向。

2）图像分析识别方式

机械跟踪方式是直接对摄像机的各种运动参数进行测量，而图像分析识别方式与之截然不同，是利用图像分析识别技术在拍摄期间同步控制并检测摄象机的各项运动参数，包括位置参数（X、Y、Z），水平转动参数，垂直转动参数和变焦参数，所有这些参数都被转化成位置参数，这就使得摄像师能够在拍摄过程中随意移动摄象机，而且也不需要特殊的摄像机。目前已在使用的一种在蓝箱正面有用浅蓝色组成的网格图案，而且正面是倾斜放置的。这种精确的网格图案以两种不同的蓝色形状绘制于篮背景上，蓝背景整体采用与传统演播室相同的蓝色，因此仍可利用色键合成技术。摄像机拍摄这种图案后，与计算机跟踪软件及硬件预先确定的模型进行对比，以确定物体与虚拟场景的透视关系及距离。所以，当启动摄像机后，系统会对蓝背景网格进行定位追踪，利用图像分析的方法检测出其亮度的变化，通过计算机计算出每一幅图像中由于摄象机运动而引起的水平位移、垂直位移及镜头变焦参数的变化。这些参数被送入图形工作站中，控制着用计算机制作出的虚拟场景中的摄像机的运动，这样，在虚拟的摄像机中看到的场景中的物体的位置及透视关系与实际拍摄的摄像机完全一致。这种图像识别技术解决了用传感器的摄像机系统所造成的限制及校准要求，便于摄影师能运用各种摄像机以不同的角度进行拍摄。数字视频中包含有大量的数据流，需进行数亿次的图形计算，从而导致了图形工作站产生的图像滞后于现场摄象机拍摄画面7～15个图像帧的延迟。为了解决这个问题，虚拟演播室使用视频和音频延迟硬件以达到摄象机图像和图形工作站制作的背景图像间的同步。传输中的延迟量取决于摄像机的跟踪方法和图形工作站的处理能力。

采用图像分析法有很多优点，最主要的是：

(1)不需要对摄像机进行改造，无需镜头校准。

(2)可直接使用演播室原有的摄像机，甚至是便携式摄像机。

(3)同一个跟踪器可同时用于一个以上的摄象机。

(4)摄像机可以不用轨道进行运动。

但这种方式也存在很多不足之处。

(1)由于这种方式要对图像进行分析、计算，所以数据处理时间长，加大了视频延时量。

(2)用这种方式获得的摄像机运动参数的精度比机械传感器的精度低。

(3)当参考点不在当前视野时，跟踪系统有可能失去方向，必须准确知道参考点的坐标，使摄象机移动时维持住正确的相对位置。在蓝室内标记参考点也不是一件容易的事情，这种精确的蓝色图案必须被绘制在蓝背景之上，它必须有别于蓝底，这种蓝色网格图案在制作色键过程的阴影很难处理，同时合成后又应该是不可见的。摄像机拍摄不能垂直于蓝色网格图案，必须偏离30度角以上，否则不能准确定位。另外，这种蓝色网格图案很难保持良好的键的质量。

(4)当摄像机散焦或者摄取画面中图像信息量过少时，系统无法正常工作。为了保持精确的跟踪，摄像机的焦点必须始终保证在网格上，真实的演员有时会显得模糊。

图像分析识别方式和机械跟踪方式是虚拟演播室常用的两种获得摄象机运动参数的方法，各有千秋。背景的生成1）虚拟场景的制作

在虚拟节目准备中的一个重要任务就是建立三维场景。虚拟演播室的背景图像可以是来自录像机或摄像机的活动视频，也可以是静止图像等，但使用最多的是由计算机创作的二维或三维图形CG（Computer Graphics），即虚拟场景。这些场景用三维软件及材质完成。艺术导演可以用开放的平台及软件例如softimage、Wavefront、Alias或Multigen建立三维场景，并把它们直接送进系统，也可以在三维数据库中选用，同时还可使用标准动画软件工具对三维模型进行修改处理。

2）实时生成背景

实时生成背景是指在摄像机运动参数控制下，背景生成装置对制作好的背景信号进行处理，实时生成与前景有正确透视关系的背景图像。所谓实时，是指生成速度可达到50场/秒。系统的用户界面由安装工具及现场制作工具组成1）安装工具用于确定各种虚拟场景的部件、模型、材质、视频物体、动画等。另外，用户可以预设许多表单，每一个表单都包括一系列的操作指令，用以在节目拍摄过程中进行演示。这些操作可包括摄像机的切换、三维场景的改变、触发一个动画等。这些表单存储在内存中，每一个都可用鼠标按钮一触即发。事实上，这些表单组成节目制作的序列表。安装工具完成的结果是一个数据库，包括所有模型及序列信息。

2）现场工具可以合成来自安装工具的信号及来自现场摄像机的信号。用户通过用户界面控制节目流程，这个用户界面允许他们选择所期望的任一时刻的特技及操作。另外，预定的序列表可以图形化，并且用户可以选择任一预先确定的表单来完成自动运行的一系列操作。所有上述的步骤都可轻易地实时完成。蓝室设计和光照

1）蓝室设计

由于虚拟演播室系统允许摄像机运动，蓝室设计变得非常重要。虚拟演播室的摄像室一般是由一面或多面蓝墙和蓝色的地板组成的“蓝室”，对蓝色舞台没有实际的物理尺寸限制，真实蓝背景的大小可以决定有多少演员在虚拟场景中活动。如果制作是相当静态的并只有极少的演员在活动，那真实舞台就可以极小；如果制作需要在一个大的虚拟范围中有许多演员活动，那真实的背景就应该非常大。演员背后的更大的蓝色墙壁允许多种类型的摄象机进行尽可能的摇移。建立蓝色的边墙是另外一个得到更大视野范围的办法，可以因此得到最大的视角。有一件事需注意，正面临近的墙的角度应大于90度，这将更容易打灯光，并且墙壁之间也不会互相反射。而且，当摄像机取远景时，不仅需要播音员身后是蓝色，地板也要求是蓝色的。地板应该足够大得包括阴影，否则落在真实背景之外的阴影将被剪除。有时这会为制作带来一些麻烦。如果在真实布景中有折角，打光会非常困难，同时需要在键控器上进行额外的调整来均匀明暗差异，这将使保留阴影变得更困难。圆滑的角落可以帮助减少灯光的明暗差异。

2）灯光

对虚拟演播室来说灯光是最困难可又是最重要的问题之一。在一些制作中，需要一些经验丰富的灯光导演来处理虚拟演播室的灯光问题是必不可少的。

在通常情况下，蓝色舞台需要被照得非常均匀。在虚拟演播室中通常用冷光。大多数经常使用的冷光类型是KINO FLO及VIDESSENCE。如果没有冷光，有时可以用蜡纸盖住标准演播室的灯光来代替。建议亮度是120瓦左右。应有灯光测量来保证灯光的均匀。灯光越均匀，用户就越少需要在键控器上完成“修饰”。最少的修饰可更为容易保留阴影。

灯光应经常保持足够高的角度来使阴影落在地面上而不是背景墙上。在大多数情况下，阴影应该避免落在真实墙壁上，除非虚拟墙与真实墙的轮廓相似。这样可以允许用户制作虚拟演播室比真实演播室深得多的特技。地面上的阴影使观众看到真实的效果，真实物体与虚拟地面天衣无缝的联接了起来。如果真实背景太小，真实阴影被突然剪掉会产生负面效果，小模型技术（例如在边缘多边形上利用透明度）可以帮助使阴影的边缘平滑，有时这种方法可以解决上述问题。

我们也极力推荐地面的辅助光。如果没有来自下面的灯光，只能靠蓝背景对灯光的反射来照亮前景物体的下面部分。这将降低键的质量，并且蓝色反射将会影响键的效果，同时还要注意下列一些问题：

(1)由于地板与墙相对于光源有不同的方向，因而会有不同的光强，沿边界的部分将表现的最为明显，前景的被摄物光强和色调应与背景协调。所以把墙与地板间设计成一个弧度，比起直角来，能减弱光线上的差异，以获得更理想的效果。另外过多的蓝光反射在物体上。这种蓝溢出在合成时能去掉，却损失了侧光和背光。

(2)影子问题。演员及真实道具在蓝室中投下的影子也要随演员及道具一起进入虚拟空间。为了更好地提取阴影，灯光的设置应使阴影处的蓝色电平与背景蓝幕布的蓝色电平有较大的区别。影子的方向也要和虚拟空间中的光源方向一致。

(3)为表现虚拟背景中反光地板上的影子效果，可在蓝室地板上铺设蓝色透明塑料。虚拟演播室中的影子效果一般只限于地板，但如果要求演员或真实道具的影子投射到虚拟空间的墙壁上，就要在蓝室中相应于墙壁的位置上放一个大的蓝色物体以产生这种阴影效果；如果要求影子投射到虚拟空间的不规则物体上，实际很难在蓝室中用灯光模拟出逼真的影子效果。另外，在蓝室中可以放置蓝色的物体，再用虚拟物体覆盖它们，并要做到，允许虚拟物体支撑或碰撞实际的物体。

虚拟演播室系统虽然不局限于蓝色，但蓝色有几个优点：一是蓝色能更好地保护人体的皮肤颜色；其次，物体周围的蓝色弱色调没有绿边弱色调显眼；三是演员们在蓝色环境中工作要比绿或红色环境中愉快。

三、几种虚拟演播室系统简介采用机械跟踪方式的虚拟演播室系统

主要有RT-SET公司的LarusTM和OtusTM两种型号

1）RT-SETTM公司的Larus虚拟演播室系统适用于节目现场直播。它是在现场直播时能够将现场视频和三维虚拟场景进行实时合成的强有力的系统。三维图形能在图形制作中不断地更新，并根据演播室摄像机运动的位置显示出正确的透视图，LarusTM虚拟演播室系统包括了一系列完整的制作工具，能确保连续不断播出的质量。操作者能轻松地在制作过程中创建或修改场景、特技和动画。它可使用任何当今通用的软件包来建立数据库；该系统的另一个特点是具有用灯光提示演员走位的功能。

2）RT-SET公司的OtusTM虚拟演播室系统是一种先进的现场视频到母带制作的虚拟技术。OtusTM通过RT-SET的先进技术，将标准播出和视频制作演播室转变成为一种经济的应用方式――即现场视频到母带的应用方式。OtusTM具备有数据库透视变化、不受限制的摄像机移动、可连接无数台摄像机等先进的功能。

RT-SET的虚拟演播室系统有以下特点：

1）摄像机的运动不受任何约束和限制，可以X、Y运动、俯仰运动。沿X轴旋转，提升，聚焦和变焦，而在聚焦和变焦时图像处在正确的透视位置；对演播室的尺寸和形状毫无限制。利用“演播室绘图工具”可高效地虚拟物体放置在实际演播室界线内，可以与市场上任何轨迹传感跟踪器相连接，可实时操作活动视频信号在虚拟物体上的投影。

2）RT-SET所有的系统配置都基于相同的源码，一个系统可方便地升级至更高级的系统或进行单纯的软件升级，并可根据演播室已有设备、所需设备及系统的使用要求等情况重组配置。任一摄像机都可被安装在一个具备摇移／俯仰等控制台上或一个运动控制平台上。这些配置可被分为三个类型：

(1)顶级配置包括RT-SET软件及电路的最高、最新版本、全面的运动控制系统、不限数量的演播室摄像机、一台带两个CPU（或更多）的SGI Onyx2、以及两个（或更多）Sirius视频板的工作站。这个配置的特点包括在摄像机或三维场景之间渐隐或切换、动画、相互作用的视频、特技及其它。系统可实时操作。

(2)高级配置与顶级有着相似特点，但是可以节省设备的数量。它可以使用一个带Sirius板的单CPU Onyx，运动控制不再必须包括在内。另外，摄像机的运动及数量可以明显少于那些在顶级配置中的要求。此系统也可实时进行操作。

(3)经济型配置的最大不同之处在于它不以实时进行操作；它被设计成后期应用的系统。此配置使用价格低廉的电路及低档计算机平台，并只允许最多三个摄像机。同时也可以在这三种配置之间进行组合。SGI在拍摄过程中不断跟踪、接受摄像机位置信息，同时工作站中的图形处理器实时处理三维场景，为摄像机提供一个新视角的三维画面，处理的结果通过SGI视频板以视频格式输出。虚拟演播室系统的视频及键输出到传统的演播室切换台及类似的设备中，同时提供一个视频同步信号。在高级配置以上，允许现场视频通过SGI Sirius送进虚拟演播室。这个视频可做为背景或三维场景的一部分在虚拟演播室内重放，同时还可制作花样繁多的特技效果。输入的视频可以是任何一种视频格式。系统可以很容易地与演播室已有的设备进行合成。采用图像分析识别方式的虚拟演播室系统主要有

1)ORAD公司（以色列）的Cyberset系统

该虚拟演播室系统依靠DVP处理器及一台Ony×2个人工作站为基础，再配以蓝色背景网格及专用软件，从而将被摄者与电脑制作的三维图像融为一体。该虚拟演播室系统能够与任何类型和任何数量摄像机配合使用，甚至能与任何数量的演播室，包括与异地演播室配合使用。摄像机的镜头可采用任何型号普通镜头，并且不必进行特别的调校。该虚拟演播室能与多种软件配合使用。并且能够在播出中进行布景、物体、灯光及特殊效果的修改。该虚拟演播室系统在带有一堵“网格编码墙”的演播室中工作，这种编码模式由两种不同亮度的蓝色交叉排成网格组成。当启动摄像机后，系统会对蓝背景网格进行定位追踪，进行精密计算，自动实时分析并调整虚拟背景，使它的视角与摄像机的视角完美配合。

2)RT-SET的Ibis虚拟演潘室系统

RT-SET的Ibis是一种低价位的、易于维护的虚拟演潘室系统。它采用先进的2D即插即用式系统，只需最简单的安装。系统平台是以SGI O2制图工作站为基础，以50Hz／60Hz速率进行操作，Ibis系统的所有硬件和软件将来都可升级至RT-SET的Larus系统，而不会有损失和浪费。此系统不需要特殊培训，甚至在制作中也无需专业的操作人员。它不需要复杂的3D模型工具，并且可以从任何标准的图形软件节目（例如Photoshop,Photopaint等）中接受高分辨率的图形。即便非常大的图像也可在系统中被方便地合成及使用，并同时保持广播级质量。

在使用Ibis进行制作的过程中，摄像机的运动不受限制，即在使用色键的同时，摄像机也可进行摇移、俯仰、快速变焦及聚焦运动。RT-SET的Ibis虚拟演潘室系统与传统色键比较有许多不同之处。由于它的独特性、极高分辨率的背景能力及逼真的边缘效果，Ibis具有灵活、逼真特点的2D虚拟设置系统。对于象新闻和体育比赛这类节目来说，它尤为适用。

通过结合先进的技术并降低成本，RT-SET的Ibis可把标准的蓝背景演播室转换成动态虚拟演播室。IBIS这种经济的、简单易用的基本的虚拟演播室为摄像师、制片人及导演提供了一种增强功能的最佳选择。

Ibis的主要特性

(1)无限制的摄像机运动，包括摇移、俯仰、快速聚焦及变焦；自动景深支持，提供真实复合图像；背景图像可比在屏幕上显示的图像大得多，可为4,096×4,096像素，可用虚拟背景扩大并覆盖实景中的非蓝背景，并且不会丢失逼真的背景图像，这可支持很大范围的摇移、俯仰及快速聚焦运动；可以方便地与RT-SET的Larus（3D直播虚拟演播室系统）进行连接。此优点极适合转播车和小型演播室。

(2)带划像和DVE特点的现场视频源的窗口可以任何尺寸被放置在设定中的任一位置。它可被划像或淡人淡出，并可被放在素材之前或之后；系统接受高分辨率的图像，前景和背景图象可以与一个Alpha键控器连接以便使物体放在素材之前或之后。

(3)直观的并可自己进行扩展的界面，可在一个窗口内连接所有功能；插入式界面可连接内部设备和制图SFX；在虚拟设定中可选DVE界面用于多视频窗口。

四、几点考虑

虚拟演播室技术正处于发展阶段，仍存在很多问题。例如，虚拟背景的逼真性还不能令人满意。其原因除了软件功能存在缺陷外，硬件的速度问题也是一个制约的因素。另外，对于摄像机运动参数的获取，不论采用何种方式，都存在局限性，有待于改进。除了技术上的问题之外，虚拟演播室对节目制作人员也提出了新的要求。它的创作也更加复杂，不再是一两个人就能充分使用好的系统，它需要导演、创意者、美术设计、二维建模者、三维建模者，演员及虚拟系统的操作者等人员的通力配合。能否真正发挥虚拟演播室的功能，创作出高质量的特技效果，还在于制作者的想象力和他们之间的配合。

尽管如此，虚拟演播室的优势是显而易见的，它可制作出实际不存在的或难以制作的场景，并可以在瞬间改变场景，因此可创作出更丰富、更吸引人的节目。另外，由于场景的制作、修改、保存等都在计算机上进行，因此可降低节目制作费用，节省空间，提高演播室的利用率等等。虚拟演播室虽然具有诸多的优越性，但它的普及和推广仍有一定的难度。

虚拟机价格昂贵，设备一次性投资很大。比较先进的机型要近百万美元，即使是入门机每套也要十几万美元，各地电视机构只能根据自己的经济实力量力而行。但从长远来看，这种技术不但能节约大量制作布景的投资，而且还能省掉布景和道具的存储空间和外景场地。

虚拟人运动控制技术研究 第6篇

摘要:论述虚拟人运动模型的建立和虚拟人运动控制技术。

关键词:虚拟人 运动控制 关键帧 运动捕捉

中图分类号:G307文献标识码:A文章编号:1673-8209(2009)5-0265-02

虚拟人是人在计算机生成空间中几何特性与行为特性的逼真表示。虚拟人的运动生成及控制主要研究虚拟人在计算机生成空间中的动态特性,它应符合人体运动的基本规律,并能提供简单直观的控制方式。

1 虚拟人运动模型的建立

人体有二百多个关节,如果对人体进行关节化的建模生成三维人体模型,并提供所有关节的位置量和旋转角,产生模型的驱动数据进行仿真是一项艰巨的任务。为了有效的应用动力学方法进行虚拟人仿真,几何建模时应考虑三维人体的运动特性和动力学特性。将人体各部位体抽象为简单的刚性几何实体,即它们具有质量和转动惯量,这样可以避免人体各部位任意表面形状的复杂计算。描述人体的模型主要涉及人体的头、躯干、四肢等部位。人体模型各肢体之间存在运动连带关系,将关节看成点,将关节之间的骨骼看成是链,就可以按运动关系将各肢体连接起来。三维虚拟人体模型是由相应的部位体和关节组合而成的链状层次结构 ,其运动是由整体的平移、旋转以及各关节的旋转产生的。用树结构来表达人体模型的关节层次化结构如图1:

2 虚拟人运动控制

2.1 基于关键桢技术的运动控制

在应用关键帧技术产生虚拟人的运动时,应注意所插值的参数,否则会产生不恰当的运动。由于关键帧插值不考虑人体的物理属性以及参数之间的相互关系,因此插值得到的运动不一定是合理的,通常需要动画师对运动进行仔细的调整。尽管如此,由于关键帧技术的使用简便,因此仍然是最常用的动画生成方法。

从原理上说关键帧插值问题可归结为参数插值问题,传统的插值方法都可应用到关键帧方法中。但关键帧插值又与纯数学的插值不同,它有其特殊性。一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的,但从运动学或动画设计角度来看可能是错误的或者不合适的。用户必须能够控制运动的运动特性,即通过调整插值函数来控制速度的变动。为了很好地解决插值过程中的时间控制问题,用双插值的方法来控制运动参数。其中之一为位置样条,它是位置对关键帧的函数,另一条为运动样条,它是关键帧对时间的函数。

关键帧的位置插值可以由样条驱动插值和速度曲线插值实现。样条驱动动画是指先设计好物体的运动轨迹,然后指定物体沿该轨迹运动。通常,物体的运动轨迹为三次样条曲线,并且由用户交互给出。在利用速度曲线实现关键帧插值中,物体的运动可由速度曲线来控制。对于给定的时间,先由速度曲线得到弧长,然后由弧长计算出轨迹曲线上的点,最终实现位置插值。

关键帧插值系统中要解决的另一个问题是物体朝向的插值问题。物体的朝向一般可由Euler角来表示,因此朝向的插值问题可简单地转化为3个Euler角的插值问题。但Euler角又有它的局限性,因为旋转矩阵是不可交换的。Euler角的旋转一定要按某个特定的次序进行,等量的Euler角变化不一定引起等量的旋转变化导致了旋转的不均匀性。Shoemake为了解决因采用Euler角表示引起的麻烦,最早把四元数引入了动画中并提出了用单位四元数空间上的Bezier样条来插值四元数。

2 运动捕捉技术

运动捕捉方法是指通过传感设备记录人体在三维空间中的运动轨迹,并将其转化为抽象运动数据,然后根据这些数据驱动虚拟人运动的方法。为了达到虚拟人运动与控制的目的,通常还需要对运动捕捉数据进行编辑与合成。同时,运动编辑与合成还可以提高运动捕捉数据的可重用性、建立超乎实际的运动、突出次要运动以及生成新的复杂运动等。运动捕捉方法最大的优点在于虚拟人的运动基本上是真实人运动的复制品,因而效果非常逼真。但同时这种方法也存在运动捕捉设备昂贵、附加在表演人员身上的传感设备限制了人体的自由运动等缺陷。

从技术的角度来说,运动捕捉的实质就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。典型的运动捕捉设备一般由以下几个部分组成:

(1)传感器:被固定在运动物体特定的部位,向系统提供运动的位置信息。

(2)信号捕捉设备:负责捕捉和识别传感器信号。

(3)数据传输设备:负责将运动数据从信号捕捉设备快速准确地传送到计算机系统。

(4)处理设备:负责处理系统捕捉到的原始信号,计算传感器的运动轨迹,对数据进行修正、处理,并与三维角色模型相结合。

基于运动捕捉的虚拟人控制大致可以分为以下几类:

(1)运动捕捉数据直接驱动

运动捕捉数据直接驱动就是将运动捕捉数据的空间坐标或者关节角赋给虚拟人模型,让模型根据原始数据运动。但是由于运动捕捉错误数据的存在,再加上表演者和模型的骨干匹配问题等,这种方法往往会产生很大的误差,致使人体运动变形。

(2)与关键桢综合

利用纹理和综合的方法,让动画师先设置少数的关键帧,根据运动捕捉数据来帮助制作动画。这样做的原因是由于在人和动物的运动中,关节之间有很多关联。这种关联在重复动作中更为明显。

(3)动力学匹配

动力学匹配是用有人性特点的动力仿真和跟踪控制器来跟随运动数据,因为在被捕捉的演员和虚拟人之间有很多的动力学匹配。人的运动数据被转成连接的角度且被用来作为轨迹控制器的期望值。控制器计算转动力矩,是基于系统状态和期望得到的连接角度的误差。得到的转动力矩应用于动力学模型,同时通过运动方程,就可以计算新的系统状态。

用动力学控制虚拟人的运动体现了人体运动的真实性,但运动规律性太强。在基于动力学的模拟中,也要考虑两个问题:正向动力学问题和逆向动力学问题: 正向动力学问题是根据引起运动的力和力矩来计算末端效应器的轨迹。逆动力学问题更有用,用户通过指定末端关节的位置,计算机自动计算出各中间关节的位置,即关节角是自动确定的,可以确定产生系统中规定运动的力和力矩。

3 基于物理的仿真技术

与关键帧技术不同,基于物理的仿真技术是利用动力学、生物力学等物理定律产生运动的。我们通常采用有关节的基于动力学的模型来实现动态仿真,即构建角色的动力学模型,通过仿真计算它们的运动。这就意味着物体的运动受物理规律的支配,以便创作自然逼真的动画。基于物理的仿真技术优越于其它运动控制技术的优点主要表现在:首先,利用基于物理的仿真技术可以生成用关键帧技术无法实现的完全符合物理特性的理想的运动,基于物理的仿真技术在体育训练方面的应用最为广泛;其次,在与用户的交互方面,基于物理的仿真技术能实现比关键帧或是运动捕获技术更精确的交互。

4 结语

虚拟人的运动控制需要解决的主要问题是:各种方法的组合以及现存运动的参数化。以上方法在运用时都存在利弊,体现在自动生成和手工控制之间。因此,将这几种技术融合使用,充分发挥每种技术的优势,就成为了目前一个很好的解决方法。

参考文献

[1] 吴家铸,党岗,刘华峰,程志全,阳明.视景仿真技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[2] 徐孟,孙守迁,潘云鹤.虚拟人运动控制技术的研究[J].系统仿真学报,2003年.

技术虚拟论文 第7篇

虚拟现实 (VR) 技术是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术, 它是一种可以创建和体验虚拟世界 (Virtual World) 的计算机系统, 其基础和核心就是如何创建和体验具有真实感的虚拟场景, 并能很好地进行人机交互, 从而建立和谐的人机环境。虚拟现实技术自诞生以来, 就在航空航天、军事、核工业以及其它行业中发挥着不可替代的作用。

近年来, 随着数字矿山概念的提出, 虚拟矿山漫游系统成为了数字矿山建设中的关键环节。利用虚拟现实技术创建出逼真的三维矿山环境, 人们就可以更加深刻地了解实际矿业工作环境, 并进行风险预测和矿山事故的分析与再现, 对矿工进行生产培训及安全培训等。虚拟现实技术的研究开发无疑对提高煤矿安全生产、矿工安全保护意识和系统优化设计等具有重要的实用价值。英国诺丁汉大学AIMS研究所已经开发了很多与采矿工业安全培训相关的VR系统, 但是, 这些系统一般价格昂贵, 且在缺乏其核心技术的前提下, 使用者很难根据自身的具体需求进行二次开发。

为此, 笔者以虚拟现实技术为基础设计了一种虚拟矿山系统, 用于矿工生产培训及安全培训, 并且提出了自定义脚本的新方法, 使场景编辑透明化, 为用户提供了更加方便友好的操作方法, 从而使得虚拟矿山系统具备更加广泛的应用前景。

1 系统总体结构

虚拟矿山系统就是以虚拟现实技术为基础, 用来模拟矿山内部真实环境, 以事故重现、员工生产及安全培训为目的系统。比如, 一名受训矿工在使用该系统时, 可首先选择事故种类, 这时系统进入相应的虚拟灾害场景中, 矿工可以在场景中漫游的同时, 根据自身的知识判断灾害隐患所在、发生危险的概率以及危险的严重程度, 最后确定采取何种措施、选择逃生路线或是等待救援。

本着虚拟矿山系统的定义要求及预期目标, 笔者决定基于虚拟现实技术的虚拟矿山系统的总体结构设计采用模块化设计, 系统主要由模型导入模块、脚本读取与分析模块、场景渲染模块及用户控制接口模块组成, 模块之间可以交互, 如图1所示。

模型导入模块的主要功能是将模型导入模型池, 并对模型池进行管理。该模块接收“场景渲染”的控制信息。

脚本读取与分析模块的主要功能是读取脚本文件, 分析其中的信息, 并将分析结果传递给使用该模块的其它模块。考虑到当前的一些脚本语言较为复杂, 所以, 笔者决定采用自定义的脚本, 从而实现场景编辑的透明化。自定义的脚本格式与C语言相仿, 并且命令个数较少、语义清晰、简单易用。

场景渲染模块的主要功能是生成虚拟场景并将其正常显示。该模块需要使用脚本读取与分析模块传递脚本信息, 然后根据脚本中的相关信息, 利用模型导入模块完成信息中指定模型的导入, 最终渲染并显示虚拟场景。另外, 该模块还要接受用户控制接口模块的请求, 对场景或者显示设置作出相应的调整, 并更新显示整个场景。

用户控制接口模块的主要功能是提供系统的对外接口, 供二次开发使用。

2 系统流程设计思想

本文采用目前较为流行的DirectX为主要工具, 基于VC++的开发环境来建立虚拟矿山系统。DirectX是微软公司在Windows平台下为二维和三维的快速动画推出的一整套开发系统, 对于大多数基于Windows操作系统的用户来说, DirectX技术是一种明智的选择[1]。

在虚拟场景中, 生成三维图形和图象的逼真度和速度是决定虚拟场景“真实”与否的2个关键指标, 在虚拟现实系统中, 自然的动态特性要求每秒生成和显示30帧以上的虚拟场景, 至少不能少于10帧, 否则将产生严重的不连续和跳动, 参与者可能会产生疲劳、烦躁甚至恶心的感觉[2]。由此可见, 虚拟场景对三维图形和图象生成的逼真度和速度2项指标提出了很高的要求。

考虑到虚拟矿山的场景复杂性高, 如果所有的模型都使用DirectX来直接建模的话, 首先, 逼真度会较低, 另外, 很难达到实时效果。因此, 决定采用2种方法生成模型:对于部分模型, 利用第三方软件 (例如3DMAX) 生成后导入场景;对于其它模型, 为达到更好的交互效果, 采用DirectX直接建模的方式。

因此, 系统整体的工作流程大致如图2所示。首先, 利用3DMAX建模, 然后利用插件将.max文件导出为.X文件, 这是系统所支持的模型文件格式。根据主应用程序脚本和场景脚本文件中所含信息构造场景, 并且进行渲染, 而后最终显示。

主应用程序脚本和场景脚本采用自己定义的脚本文件, 其格式是简单的文本文件 (TXT) , 用户无需改写源程序, 只需对该文本文件进行编辑就可以构造虚拟场景。主应用程序脚本主要包括了一些程序初始化信息, 每个应用程序只包含1个;场景脚本针对不同的场景具有不同的脚本文件, 根据场景的多少, 系统可包含多个场景脚本文件。有关自定义的脚本文件的具体格式及内容在下节将详细说明。

3 虚拟矿山系统实现的关键技术

3.1 脚本自定义技术

系统实现过程中使用自定义的文本格式脚本文件。该脚本文件由基本的信息项构成, 每个信息项的格式如下:

脚本文件总共包含7条不同的信息项, 各信息项具体名称及意义如表1所示。

利用表1中介绍的7条信息项进行编辑, 用户能够方便地控制场景的显示效果, 根据具体应用构造出理想的虚拟场景。

以下代码段是截取的场景脚本文件的一部分, 通过该段代码可以了解自定义的脚本文件信息项的具体格式。该段代码反应的场景信息内容就是该场景中目前有2个模型“tiny”和“cave”, 并且交待了它们的位置和朝向, 而且摄像机绑定了1号模型“tiny”。

由以上代码段可知, 自定义的脚本文件语法简单, 易于掌握与理解, 用户无需太多的编程基础, 也能根据具体要求构造不同的虚拟环境。

3.2 模型导入技术

本系统将模型分为2大类:静态网格模型和动态的骨骼动画模型, 系统中所有模型的文件格式都是.X文件, 该文件可用于存储各种静、动态的模型。.X文件的获取也较为简单, 即利用微软公司提供的导出插件, 可以很容易地将.max文件导出为.X文件, 而后利用微软公司的DirectX软件开发包中提供的读取网格模型的相关函数读取.X文件。

由于静态模型与骨骼动画模型的导入过程及渲染方法有很大的不同, 因此, 利用C++语言的多态性, 定义一个可代表所有模型的父类CDXModel, 然后从该父类派生出不同类型的模型所对应的不同子类。在管理各个模型时, 使用父类指针操作, 这使得模型的管理方便、统一。

图3为利用DirectX结合3DSMax建模、在静态的巷道场景中导入人的动画效果图, 图3 (a) 为正常行走的人, 其中图3 (b) 为招手的人。

由图3可知, 由第三方软件进行复杂模型的构建、然后导入场景的做法是可行的, 可以加快渲染速度, 提高程序效率。

3.3 光照与纹理技术

光照是增强物体真实感最重要的手段, 要达到对矿井下真实环境的模拟, 必定要引入光照。真实感图形学中, 简单光照明模型未考虑物体相互之间的光照作用, 而在矿井下比较昏暗的光照条件下, 物体之间的光照效果有时是非常重要的。所以, 笔者考虑采用整体光照明模型, 并且利用光线追踪算法来递归计算物体之间的反射、透射光强, 即场景中某点P的光强I计算公式为

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式中:IC为光源直接照射产生的光强, 完全可利用简单光照明模型求出;Ks、Kt分别为物体表面的反射系数与透射系数, 与物体本身材质有关;Is为来自视线方向的反射方向的其它物体反射或折射光强;It为来自视线方向的透射方向的其它物体反射或折射光强。

根据光线跟踪算法的思想, Is、It还要继续按照式 (1) 的方法求得, 因此, 形成光线跟踪树。而递归终止的条件有多种, 为简单起见, 递归终止条件设置为当光线跟踪树的深度超过提前给定的阈值时, 停止跟踪。

同样, 为增强真实感, 纹理映射 (纹理贴图) 应用也非常广泛。

使用的纹理可以是一维的、二维的, 也可以是三维的。但是在该系统中只考虑使用构造虚拟场景中最常用的二维纹理映射。

有无纹理会使虚拟矿井的真实感大相径庭, 如图4所示。

4 结语

本文所设计的虚拟矿山系统, 目前能初步实现矿山内部真实场景的再现, 可以由用户控制虚拟主体在场景内漫游, 并且帧率保持在每秒15帧, 满足虚拟现实系统的漫游帧率及矿工生产培训及安全培训的要求;另外, 由于引入自定义的脚本技术, 使得用户在编辑或者定制场景时, 非常方便, 不需要用户掌握过多的编程技巧, 只需掌握基本的脚本格式即可。而且, 本文运用的光照纹理效果也增加了虚拟场景的真实感, 增强了用户的沉浸感。

但是, 本系统还存在一些问题有待进一步解决, 例如, 由于在根据脚本分析模块装载模型时, 需要将模型池内的模型一次性全部装载用于场景的渲染, 所以在程序刚开始运行时, 加载模型速度较为缓慢, 随着模型复杂程度和数量的增加, 加载时间过长。以后的工作重点将是如何解决模型的装载问题。

参考文献

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[3]戚宜欣, 夏征义, 汪箭, 等.虚拟现实技术在安全工程中的应用[J].中国安全科学学报, 1999, 19 (6) :49~52.

[4]赵建忠, 段康廉.三维建模在虚拟矿山系统中的应用[J].矿业研究与开发, 2005 (1) .

[5]CRAWSHAW S, DENBY B.The Use of VirtualReality to Simulate Room and Pillar Operations[J].Coal International, 1997 (1) :20~22.

技术虚拟论文 第8篇

关键词：虚拟现实,虚拟校园,多媒体教室

随着Internet的飞速发展和三维图形技术的日益成熟, 人们已经不再仅仅满足于目前网页上只使用字符、文本和静止画面的简单技术和二维交互特性, 而是希望将互联网变成一个立体空间。也就是在今后的网页上, 将不再仅仅是普通的二维图片和文字, 而是三维立体的逼真场景, 可以通过一扇门一扇窗, 或者通过触摸, 从而进入另一个页面或者执行不同的程序。甚至可以在虚拟的网络世界中生存, 可以和他人交流, 像在现实世界中一样的。

本设计是利用虚拟现实技术, 将高校的多媒体电教室展现出来。从整体大观来说是属于VRML的室内设计, 多媒体电教室是哈尔滨学院的其中一个子教室, 预计设计多媒体电教室是可嵌入经管学院中。由于属于空间内部虚拟设计, 主要考虑的问题将不是虚拟整个楼层的外观上的宏大气势, 而应该着重于室内表现的细腻与精致, 将室内的物品和各种效果尽可能逼真的再现于计算机屏幕。

1 设计思路

模块化设计思想:把要虚拟的建筑模型分为几个大的模块, 即把类似的部件归为一类, 放在一个wrl文件里进行虚拟设计, 如天花板的风扇, 灯管。风扇可以作为一个部件单独编写代码, 灯管也作为一个单独的部件进行代码编写。然后将风扇和灯管以及天花板作为一部分, 在主文件里内联 (Inline) 天花板这个部分。这样的设计思想的好处是条理清晰, 设计时不容易出错, 维护起来也比较容易, 需要修改也比较方便, 只需要修改相应的文件即可。可移植性也较好, 如果在其他的场景需要使用这部分的造型的话, 只需要添加一个Transform节点, 里面只需要使用Inline的节点并调整旋转和位移即可。这样的设计所做的效果比较逼真, 主文件少, 副文件多, 但由于整个设计中Inline中可能也还需要调用Inline, 计算机的运算量会增大, 会造成浏览的流畅性有一定的下降, 对所用于设计的计算机有一定的要求。而且由于是各部件的分块整合, 整合的吻合程度不及宏观的整体设计, 但可以通过精确的计算来弥补。

总的来说, 整体设计方法适用于对大型的建筑楼层的虚拟, 达到较好的整体优化性和宏观观赏性。模块化设计方法适用于对较小的楼层建筑的虚拟, 模块化设计可以把造型较逼真、细致的表现出来, 细节方面比较好。

在考虑逼真与浏览的效率以及维护的难易等情况后, 预计对此电教室的设计方法是通过模块化设计, 即将各个模块合并起来, 以达到合成一个电教室。

多媒体电教室的预计部件主要包括前后左右的墙壁, 窗口, 天花板, 灯, 风扇, 课桌椅, 讲台, 黑板, 门口, 投影仪, 地板, 光源以及多媒体电教室内的其他部件。由于是主要是室内效果, 故周边环境不予过多考虑。

虚拟多媒体电教室主要方面应该是对电教室内部的细节方面的表现, 主要包括造型的色彩, 细节程度, 物体与物体间的衔接, 造型的材质贴图, 光源问题, 物体表面的漫反射, 镜面反射, 着色, 透明, 旋转, 位移, 放大缩小等。

对虚拟的造型的表现力的描写, 通过对虚拟造型的材质选择, 可以选择贴图方式或者调色。贴图方式比较方便, 而且贴图的来源广泛, 可以从网上或者用数码相机来获得相应的素材, 再经过Photo Shop等图像修改软件的修改, 可以得到所需要的材质。特别是用数码相机所得到的图片, 由于照的相片与原物一致, 所以可以较好的把原物表现出来, 而且通过图像软件的修改, 可以轻易的得到各种不同情况下的素材。而且代码容易, 只需要对材质的漫反射光、反射强度、周边环境的光强度作设定即可。

2 详细设计

根据总体设计中对虚拟多媒体电教室所作的分析, 以及初步讨论得到的解决方法, 基本按照模块化建模思想来构造虚拟空间。即预先设计好需要做的每个部分, 然后在一个总文件中再整合起来。

第一步:预计在整个虚拟场景中应该表现出来的部件。

主要部件包括:天花板, 灯管, 风扇, 投影仪, 课桌椅, 讲台, 墙壁, 门, 窗, 地板, 阶梯, 光源, 声音, 动画。其中光源和声音是作为整体效果在最后才加入, 所设计的各部件中灯管 (包括光源) , 风扇, 门和投影仪设计成为可动或者可操作的部件。

第二步:为所做的各部件加上贴图材质或者调整色彩及各项参数, 使其在虚拟场景中表现出如现实世界中一样的效果。

主要参数为:ambient Intensity, diffuse Color, specular Color, emissive Color, texture, shininess, transparency。分别是设置虚拟造型的环境饱和度, 漫反射色, 镜面色, 发射光色, 材质, 亮度, 透明度。

第三步:初步整合, 将所完成的各部件通过Inline, translation, rotation, scale, scale Orientation。分别是设置内联, 位移转换, 旋转, 放大缩小, 放大缩小方位。

第四步:最终整合, 在初步整合的基础上, 为虚拟场景添加Background, Light, Sound, Navigation Info, Viewpoint, Script。分别是设置背景, 光源, 声音, 导航信息, 视点, 控制脚本。

其中前三步为基础, 第四步是对虚拟场景的高级设置, 通过Navigation Info, Viewpoint, Script, 在触发器的前提下可以使本来静止的场景通过相关参数的修改达到动画的效果, 使其具有一定的可操作性。

3 关键技术

3.1 造型

对于虚拟场景中的物体的形状, 一般都不是规则的, 对那些不规则的造型可以通过不同的方式实现。

方法:把不规则的造型分割, 尽量分割出规则的造型, 然后通过对不同造型的位移转换, 放大缩小等操作, 最终得到需要的形状。但是由于一个不规则造型需要分割出几个甚至十几个形状, 这必将会大大加重计算机的负担。因此一般将造型分割的时候不应该大于四部分。

3.2 动画

动画的关键, 是通过时间节点出发其它节点, 使其它节点的域随时间变化, 进而产生动画效果。

脚本 (Script) :是一套程序作为一个事件级联的一部分执行。脚本可以接受事件, 处理事件中的信息, 还可以产生基于处理结果的输出事件。与脚本相关联的是脚本节点和脚本语言。

路由 (ROUTE) :是产生事件和接收事件的节点之间的连接通道。路由不是节点, 路由说明是为了确立被指定的城的事件之间的路径而认为设定的框架。在VRML文件中路由说明与所在位置无关, 它既可以在源节点之前, 也可以在目标节点之后, 在一个节点中进行说明, 与该节点无任何关系。

3.3 光源与颜色

VRML对现实世界中光源的模拟实质上是一种对光影的计算。VRML世界中的光源不同现实世界中的光源, VRML是通过对物体表面的明暗发那不的计算, 使物体跟环境产生明暗对比, 这样, 物体看起来就像使再发光。

4 最终效果图

(见图1)

5 未来展望

对于个人来说, 更直接的是感觉世界。以视觉为例, 我们看到的一切, 不过是视网膜上的影像。从这一角度出发, 我们应和心理学家、生理学家一起, 认真研究人类的感知问题。虚拟现实有其二重性:对于人的感官来说, 它是真实存在的;对于所构造的物体来说, 它又是不存在的。因此, 能利用这一技术模仿许多高成本的、对人有危险的、或目前尚未出现的真实环境, 人们可对它进行分析研究、仿真操作及改进设计等。

作为长远目标, 作为技术驱动力, 作为新的人机交互方式, 虚拟现实都是值得高度重视的。与此同时, 必须重视虚拟现实的广泛应用。虚拟现实还有很大的发展空间, 机会和挑战并存, 而且虚拟现实和人机交互关系密切, 必须重视人机交互的发展。

参考文献

[1]张金钊, 张金镝, 张金锐.虚拟现实三维立体网络程序设计语言[M].北京:清华大学出版社, 2004.[1]张金钊, 张金镝, 张金锐.虚拟现实三维立体网络程序设计语言[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[2]张金钊, 张金锐, 张金镝.VRML编程实训教程[M].北京:北京交通大学出版社, 2008.[2]张金钊, 张金锐, 张金镝.VRML编程实训教程[M].北京:北京交通大学出版社, 2008.

[3]张金钊, 张金锐, 张金镝.X3D虚拟现实设计[M].北京:电子工业出版社, 2007.[3]张金钊, 张金锐, 张金镝.X3D虚拟现实设计[M].北京:电子工业出版社, 2007.

技术虚拟论文 第9篇

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术又称灵境或临境技术,它依托于计算机科学、数学、力学、声学、光学、机械学、生物学乃至美学和社会科学等多种学科,是在计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、并行处理技术和高性能计算机系统等技术基础上的交叉学科。

虚拟现实系统按不同的依据可分为不同的类型,但究其本质,它是一种先进的计算机用户接口技术。它利用计算机生成一种模拟环境,通过多种传感设备使用户投入到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互,从而最大限度的方便用户的操作,减轻用户的负担,提高整个系统的工作效率[1]。

虚拟现实技术在近几年由于技术上的进步与成熟而迅速发展,其应用领域已由过去的娱乐与模拟训练发展到包含航空航天、铁道、建筑、土木、科学计算可视化、医疗、军事、教育、通信、艺术、体育等广泛领域[2]。本文简要介绍了虚拟现实开发工具Multi Gen Creator和Vega,在此基础上着重探讨了虚拟现实技术在虚拟校园三维仿真中的应用。

2 虚拟现实系统的软件开发工具Multi Gen Creator和Vega

目前,虚拟现实开发工具发展迅速,比较著名的有World⁃Tool Kit、Vega、MR、d VS等。这些软件都支持从更高层次上开发虚拟现实应用,而且为用户屏蔽掉底层硬件上的差异,用户只要分析与实现虚拟现实应用本身,不需考虑不同机型、不同操作系统、不同接口的硬件差异[2]。下面就笔者所使用的美国Multi Gen-Paradigm公司推出的Multi Gen Creator和Vega做一简要介绍。

Multi Gen Creator是一套高逼真度、最佳优化的实时3维建模工具,它能够满足视景仿真、交互式游戏开发、城市仿真等应用领域。Creator是将多边形建模、矢量建模和地形生成集成在一个软件包中的手动建模工具,包括多边形和纹理建模、矢量编辑和建模以及地形地表生成等功能子模块。它主要考虑如何生成逼真的大面积地形、地貌等地理环境模型,以及如何提高模型的实时性。

Vega是最核心的渲染工具,用于实时视景模拟的定义和场景的描述,是虚拟现实和普通视觉应用的开发和运行工具。Vega将先进的模拟功能和易用工具相结合,对于复杂的应用,能够提供快速、方便的建模、编辑和驱动工具。

3 虚拟校园的可视化开发与研究

目前,虚拟大学有两种定义,并分别带来不同的研究和实践。一种定义是从信息、网络和多媒体技术的角度出发,虚拟大学被理解为一个以计算机和网络为平台的、远程教学为主的信息载体;另一个定义是从因特网、虚拟现实技术、网上虚拟社区和3S技术的角度出发,虚拟大学被定义为对现实大学三维景观和教学环境的数字化和虚拟化,是基于现实大学的一个三维虚拟环境,用于对现实大学的资源管理、环境规划和学校发展等方面的研究。本文探讨真实表达和模拟江苏师范大学校园景观的虚拟校园环境的设计、开发和初步试验。江苏师范大学位于江苏省徐州市,校园总占地2200亩,由泉山校区、云龙校区、奎园校区和贾汪校区四部分组成。

3.1 3维虚拟地理景观的总体设计

在地理景观系统中,地理对象根据空间分布特性,可分为2类:一类称为地形景观对象,这类对象以场为基础,在空间上连续分布,如地形等;另一类称为地物对象,这类对象以离散实体为特性,以独立的个体而存在,如虚拟校园中的建筑物、树木、路灯等对象。地理对象的3维几何空间数据是三维地理世界建模的基础数据,其大数据量是三维地理对象实时图形处理的瓶颈。所以地理景观对象的建模是虚拟校园开发的一个关键部分。

数据库的层次视图结构对运行系统的实时性影响很大。一般来讲,层次视图的空间结构比线性结构和逻辑结构更有利于图像生成器快速剔除不在视锥体内的几何体。所以按空间结构形式组织的数据库具有最快的剔除速度。空间层次结构效率最高,适合于大中型数据库,故在虚拟校园中采用了这种结构,以减少剔除时间,提高系统运行的实时性。

3.2 利用LOD技术建立复杂对象的多层次细节模型

虚拟校园中有很多空间结构非常复杂的地形地物对象,如典型风格建筑物、复杂的地形对象等。对于这类对象,为了实现快速的图形计算与显示,提高系统的实时性,采用不同层次的几何和属性数据来表达。LOD(Levels of Detail)是细节层次模型的英文简称,其主要思想是用不同多边形个数的多边形网表达地理景观对象的不同层次的几何分辨率,用不同大小的纹理图象表达属性分辨率。对于某一地理对象,根据其在虚拟场景中与视点之间的距离、实时系统所能处理的多边形数、视觉特性等规则,构造一组该对象的不同复杂程度的三维表达。在模型驱动时根据所制定的规则,自动选择相应的显示层次,从而达到实时简化模型,又不影响视觉效果的目的。但当两个细节层次模型切换时,视觉上会有明显的突变。Morphing技术通过在相邻的两个LOD之间生成一个过度区,大大加强了层次模型过渡的平滑性[3],减小了视觉动量的损失。

LOD的层次视图结构应有助于实时系统快速选中需显示的LOD节点。在模型系统开发阶段,为了工作效率和便利,LOD节点采用独立结构或添加式结构。但在这两种结构下,运行系统必须逐个检查每个节点以决定其是否被显示,这样增加了剔除时间。虚拟校园环境中有很多需要详细表达的复杂模型,为提高显示效率和实时性,必须将LOD节点优化成嵌套结构。采用这种结构使实时系统很快选中当前需显示的LOD节点和剔除与当前LOD节点不相关联的LOD节点,因而可以得到良好的剔除和绘制性能。

3.3 3维动态景观的初步实现

在本文的初步试验中,选择江苏师范大学工学院大楼及其周围的场景作为试验区,建立虚拟校园环境模型。

3.3.1 地形对象模型库的生成

江苏师范大学依山建造,整体地势有明显起伏,故校园地形的建模可分为两部分进行。对较平坦部分,将其简化为平面,用纹理映射来增加生动性;对地势起伏较大的部分,以校园地形几何数据为基础,根据实际地形和地貌的情况,利用Multi⁃Gen的地形工具进行建模。首先将高程源数据文件(USGS DEM、NIMA DTED等格式)转换成Multi Gen所特有的DED(Dig⁃ital Elevation Data)格式,然后将.ded文件输入到Creator中,选取生成地形的区域,设置影响地形生成方式的参数,之后生成地形的多边形表示。

3.3.2 地物对象模型库的生成

虚拟校园环境中的地物对象有建筑物、路灯、树、广告牌等。对于箱体式建筑物,可将其看作由顶面和各个铅垂墙面组成,为增加模拟的真实性,在各个面上映射从现实世界中采集到的纹理;而对于树木等从任何角度看都大致相同的物体,可采用两个相互垂直的平面,映射相同的纹理来实现。树木、路灯等对象具有这样的特点,即在虚拟场景中大量存在并且形状大致相同(仅位置和大小存在差异)。若对每一个这样的对象都建立其几何模型,将占用大量的系统资源,使运行系统的实时性降低。对这类对象,可以只建立一个几何模型,然后对其进行实例化处理。如图1所示,左边4棵树是最右那棵树的实例,只有最右那棵树的模型占存储空间。

对于离散的地物对象,应先进行三维处理与表达,然后根据其在现实校园中的地理位置坐标、实际大小、地物朝向和纹理结构等,将其匹配到虚拟地形对象上,建立可构成虚拟校园环境的三维地物对象数据库。

三维虚拟模型数据库建立以后,为提高实时系统的运行性能,还必须对三维模型结构、层次视图结构、纹理数据格式、LODs结构以及光源、自由度(DOFs)等进行优化处理。通过优化能有效提高运行系统的实时性和绘制速度,保证虚拟现实系统的沉浸、交互等特性得到充分体现。

3.3.3 维动态景观的初步实现

Multi Gen Creator Pro中创建的地理对象模型数据在实时系统Vega中驱动,实现三维动态景观。Vega提供了2种方式实现虚拟场景的实时驱动:可视化编程方式和Vega API函数编程方式。需设定的参数主要有虚拟场景中要加入的3D模型文件(Object)、虚拟场景中要显示的目标、在虚拟场景中的观察方式、观察者在虚拟场景中的运动方式以及环境效果、光源和声音效果等。如图2所示是工学院大楼及其周围景观的场景图,可以看到仿真效果很好。

4 结论及进一步的工作

三维虚拟校园环境是分布式虚拟环境在教育和学习方面的应用。本文从地理对象建模、虚拟环境可视化方面,讨论了虚拟校园系统的环境设计,并以江苏师范大学工学院大楼及其周围的场景作为试验区,进行了初步试验。虚拟校园环境是最终建立可用于虚拟教育和学习的虚拟江苏师范大学的第一步,所以下一步的工作除了继续完善三维虚拟校园环境外,还应开展与虚拟学生社区、远程教学,以及虚拟环境系统服务于学生管理等相关课题的研究。

参考文献

[1]曾建超,俞志和.虚拟现实的技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1996:2-8.

[2]张茂军.虚拟现实系统[M].北京:科学出版社,2001:6-9.

[3]吴家铸,党岗,刘华峰,等.视景仿真技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001:77-88.

虚拟现实技术的关键技术研究 第10篇

1、单位比例尺的设置

首先是3ds max与VirtoolsDev4.0的制作单位匹配。当3ds max搭建生成的三维模型*VMO格式文件导入VirtoolsDev4.0虚拟交互设计软件中会产生不可预知的场景与模型的比列失调的错误。一般在3ds max搭建三维模型的时候在软件File菜单栏中的CustomizeUnits Setup单位设置一栏点选System Unit Setup系统单位按钮进行设置, 就可以在3ds max三维软件中进行模型的搭建。

2、3ds max中烘焙技术研究

自然界中的物体表面通常具有特有的表面结构几何特性。我们在建模的过程中如果用面片数量的增加来换取微观细致的表面结构是得不偿失的。3ds max的Rende ring to Textures渲染到纹理的模块功能, 即常说的Texture Baking贴图烘焙技术, 它通过贴图模拟建模的表面纹理几何结构, 是一种有效的、简便的改善三维模型真实性的措施, 能够避免在三维模型搭建中每个细节用过多的面数来表示, 降低模型的复杂度。其目的是为了加强三维模型的真实感, 提高三维模型在虚拟交互系统中画面的实时显示速度。

在环境艺术表现中常见的CompleteM ap和LightingMap烘焙方式是利用贴图来模拟光照和阴影的效果。由于CompleteMap和LightingMap在技术效果层面上更多的是表现光线跟踪、光能传递等高级灯光效果。这两种烘焙方式应用到人物形象模型与服饰铠甲复杂的青铜纹饰上, 第一不利于简化建模的细节面数, 增加交互系统负担;其次模型显得单薄、不厚重而且不具备自然真实感。为了解决这一问题, 使人物形象与铠甲纹饰显得厚重而真实。应采用Normal map法线贴图方式。它的原理是对建模表面的像素点法向进行影响变动, 从而达到低面数模型上增加结构细节与真实感的作用。它不同于通过灰度贴图来得到细节实际凹凸的信息, Bumo Map只是在Z轴方向上产生凹凸效果, 而Normal Map是以红、蓝、绿即RGB三种颜色来模拟X、Y、Z三个轴向上的凹凸效果。法线贴图最大的优势在于将具有高面数细节的模型通过映射烘焙出法线贴图, 贴在低端模型的法线贴图通道上, 使之拥有真实、细致的表面渲染效果。它的应用可以大大降低渲染时长, 并且得到最佳的渲染效果。

3、3DS MAX与virtools软件开发平台下纹理映射技术的正确设置

正确的显示生成贴图, 首先需要在给所搭建的模型添加正确的UVW坐标信息。通过给模型添加UVW Map修改器, 并对其修改设定, 这样纹理材质才能正确导入到Virt ools中。在虚拟交互开发过程中UVW坐标定义了贴图纹理图片上每个点的位置信息, 这些点与3D模型是对应的, 以决定模型表面纹理贴图的位置。编辑UVW的最终目的就是让纹理图片坐标信息与模型UVW坐标信息相匹配, 其结果就是纹理图片在建模的表面上正确地显示。

3ds max具有丰富的材质球和贴图方式, 但Virtools4.0软件中所支持的材质模式和贴图类型不能完全的相互对接兼容, 需要对材质与贴图尺寸的大小进行合理设置。Virtools支持的贴图方式包括:Diffuse Map s、Opacity Maps、Bump Maps、Reflection Maps等, 同时贴图文件格式多采用TGA、P NG、BMP、DDS贴图文件格式, 因其都具备透明通道。而且Virtools4.0软件是以2的幂的像素大小载入贴图的, 在制作材质贴图时大多采用的尺寸为2的次方, 如2、4、81024等。正确的贴图尺寸与格式的设置是纹理映射的基础。

虚拟三维形象建模搭建过程中需要大量的相关素材图片作为纹理材质素材, 然后在photoshop软件中进行裁减, 并对素材的对比度、明暗、透视变形进行调整处理。在Z brush软件中通过将搭建好的三维模型导入进zbrush中, 在Texture中设置所要制作贴图的width和height的规格参数值, 选择pro jection master映射功能键, 点选drop now来进行纹理映射。进入Texture中通过imad g plane模块, 选择要映射的纹理图片, 通过缩放功能以及move调节贴图的纹理节点对应模型结构达到最终效果。对调整的纹理贴图进行Flip uv的坐标调整, 然后在photosh op软件中对纹理进行修缮以达到无缺漏瑕疵, 完成贴图纹理映射设置。

4、交互功能设计研究

由于在Zbrush与Photoshop对贴图材质制作完的文件格式不能直接导入Virtools中, 在进行交互功能制作中首先要借助第三方插件Max Exporter插件把3ds max中搭建的模型、设置的贴图转化成Virtools的对接文件, 通过Export导出功能生成转化为*VMO文件类型。静态的三维模型没有绑定Character与Bipe骨骼, 同时也没有设定Ani mation动画, 所以在Virtools Export导出对话框中选择Exportas Objects选择类型。三维模型正确导出后, 运行Virtools Dev4.0虚拟交互软件, 首先要正确建立素材库, 在软件界面上方的Resources菜单中选择Crea te New Data Resource命令, 创建虚拟三维形象交互系统工程素材库, 并对此素材库文件的存储路径及存储文件类型进行设置, 并对该素材库进行命名, 并在指定路径位置生成素材库文件夹。在素材库文件夹中包含:Characters、Sounds、Materials、Textures、Videos等素材库子文件夹, 相应的素材拷贝进对应文件夹中。同时也可以打开由别人创建的素材库, 通过Resources菜单中选择Op en Data Resource命令。

在VirtoolsDev4.0中成功导入三维模型后, 会发现模型是不具备三维轮廓的黑色图形, 这是因为倒入模型的场景没有设置Light灯光的原因, 所以在模型导入场景后要先设置灯光。

虚拟三维形象的位移、旋转、放大、缩小的交互功能的制作是在VirtoolsDev4.0开发环境中, 进行Create Scrip on>Line01 3D Object命令, 创建模型Script脚本。在Bui lding blocks栏中点选Switch On Key B B模块附加关联到Line01 3D Object的Scri pt脚本。将创建的Switch On Key BB模块与Start开始端连接, 双击点选Switch On K ey BB模块会弹出Edit Parameters:Line01Script/Switch On Key对话框, 在对话框中可设定Key0和Key1的相关控制键, 由于一次只能设置两个控制键设定, 其余交互功能的设置制作使用相同方法, 需要多个控制键接口来实现。

在VirtoolsDev中把开发好的妇好虚拟三维的交互系统通过File菜单/creat Web Page生成为VMO网页格式的文件, 进入三维虚拟系统环境进行浏览操作, 在桌面交互系统计算机平台上运行VMO文件, 要另外安装Virtools Web Player浏览器, 在网络浏览是通过HTML调用VMO文件超连接方式来实现。

5、总结

本文就实现对殷商妇好形象三维虚拟交互系统开发中遇到的一些关键技术做一次探索。多种软件的协同交叉应用是虚拟现实系统开发的特点, 同时也使其出现许多技术问题, 需要在实际制作中发现并解决。

参考文献

[1]火星时代编著.《3ds Max 2011白金手册》.人民邮电出版社出版.

[2]申蔚, 曾文琪.编著.《虚拟现实技术 (21世纪计算机科学与技术实践型教程) 》.清华大学出版社出版.

[3]火星时代编著.《火星人-3ds Max 2010大风暴》人民邮电出版社出版.

[4] (英) 斯拉特 (Slater, M.) 等著, 程成, 徐玉田译.《计算机图形学与虚拟环境》.机械工业出版社出版.

浅谈虚拟广告技术及其应用 第11篇

引言

随着经济社会的快速发展，企业为了销售自己的产品越来越重视营销活动，而广告又是营销的主要渠道之一，传统的广告模式在发展过程中逐渐出现了一些不适应当前要求的情况，而虚拟广告技术与计算机技术紧密联系在一起，体现出来强大的优势和广阔的应用领域，如果能够利用好虚拟广告技术，充分发挥它的优势，一定能使它成为传统广告的一个重要组成部分，必将成为未来广告行

一，虚拟广告技术的定义

目前关于虚拟广告技术有以下比较流行的解释：

澳大利亚广播公司的定义：虚拟广告是指把通过电脑处理的Logo或者广告图像插入直播的赛事中的行为。

欧洲广播联盟。的定义：虚拟广告是采用电子图像系统通过对电视画面中的赛场广告替换和添加，来修改电视信号的商业行为。

国际足联的定义：虚拟广告是指通过电脑技术对图像进行相应处理，以及为了把广告信息插入通过电视或者网络传输的信号中，而替换图像中不同元素的行为。

结合以上定义，本文提出虚拟广告技术的一种定义：电视台或节目制作单位，利用虚拟布景技术，把某种形式的广告图像插入到比賽场地或文艺节目现场等转播背景中，代替原有广告牌或者添加新广告牌的一种广告形式。

二、虚拟广告技术的优势

虚拟广告技术在应用中具备技术先进、形式灵活和节省成本等很多优势：

1、插入虚拟广告有灵活的选择性

再插入虚拟广告的时候可以灵活的选择那些收视率较高的频道，将节目现场中出现的广告替换为国内企业品牌的的广告内容。

2、节省广告制作成本

制作出来的虚拟广告一般是二维或三维的，与传统的电视广告制作费用相比，能够节省很多的制作成本。

3、节省广告编辑成本

将节目中的虚拟广告进行补充和修改也非常简单，都可以在计算机上进行，不必像传统广告一样重新拍摄，节省了广告修改和补充的成本。

4、可以实现动态广告效果

传统的广告都是静止的，应用虚拟广告技术可以在节目中插入动态广告，包括二维或三维的动态广告，更能吸引观众的注意力。

5、扩展广告摆放的空间

使用虚拟广告技术，摆放广告的位置不再局限于场地的周边，而可以在适当的时候直接放在场地当中，甚至可以将广告摆放在实际中无法放置广告的位置，比如：水面上、沙滩里、冰雪中或者高山上，另外广告尺寸不受任何限制。

6、实现节目资讯与广告相结合

可以在节目中将演员、表演单位、比赛单位或运动员的信息展示出来，并且在信息的旁边插入广告，这样，观众在关注节目资讯同时，也获取了相应的广告信息，一举两得。

7、便于体现广告的地域性

在对不同的地区进行节目转播时，根据播放地区的特点和需求规律，可插入不同内容和品牌的广告，加强广告的针对性，提高广告宣传的效率。

8、增加广告使用的领域

网络游戏在今年发展很快，拥有大量的玩家，但是在游戏中加入传统广告不仅不会起到宣传的效果，还会引起玩家的方案和抵触情绪，而虚拟广告就很适合在网络游戏中使用。

三、虚拟广告技术的应用

虚拟广告具有传统广告无法比拟的优势，正在被更广泛的使用，下面本身重点介绍在比赛场、电视节目和网络游戏中的应用：

1、在比赛场中的应用

比赛的时候再赛场周边、看台上和赛场大屏幕等位置，都可以插入相应的产品广告牌或企业LOGO，这都是虚拟广告的应用。如果把广告牌换成比赛队伍的名称、当时的比分和比赛的时间等信息插入到比赛画面中，这也属于虚拟广告的应用，比如：在足球比赛中，国际足联的规则写明，进行任意球时，对方人墙距离球的距离是10码，也就是9.15米，在转播的时候我们经常可以看见在场地中出现了一个以球为中心的一个圆弧，这个圆弧的半径就是10码。再比如：在某一方进攻越位时，慢镜头回放，观众可以看见一条动态或静态越位线，以表示裁判判罚的依据。还有很多，包括：赛跑比赛时跑道上的国籍标志、游泳比赛时世界纪录的进度、铅球或标枪比赛时当前世界纪录或者第一名成绩的位置等，这些都有助于观众观看比赛，也都用到了虚拟广告技术。

2、在电视节目中的应用

虚拟广告技术在电视节目制作过程中的应用在内容和形式上都是多样化的，可以将真人与动画节目相结合，将视频图像与文字相结合等，在有观众参与的互动电视节目，可以在观众席插入一个虚拟的大屏幕电视画面，播放动态的广告节目；可以在观众席里添加虚拟的产品模型；可以在观众席旁边摆放虚拟的产品展示区。特别地，如果是舞台类的电视节目，可以在舞台地面插入虚拟的产品标识；可以在舞台道具中插入虚拟的企业LOGO；可以在舞台上摆放虚拟的产品模型；可以在舞台上摆放一个虚拟的产品展示平台；可以在舞台的天花板上以悬挂的形式展示虚拟产品模型等等还有很多，这都是虚拟广告的应用。

3、在网络游戏中的应用

网络游戏在近些年发展快速，一方面，积累了数量较大的游戏玩家，并且这个数量还在以较快的速度增加，而这些游戏玩家的粘着度比较高；另一方面，玩家在进行网络游戏时，时间都比较长，游戏本身也有很丰富的内容和画面，为插入虚拟广告提供了灵活的时间和多样的地点，所以在网络游戏中加入虚拟广告有很多优势。

虚拟现实技术面临的技术难题 第12篇

虚拟现实 ( Virtual Reality) 是指利用计算机、手机、平板、头戴等设备, 对相关屏幕进行屏幕左右显示等操作, 投射给眼镜用以“欺骗”大脑, 另外营造出听力、嗅觉等传递给人体感官器官, 使人们在计算机、手机、平板、头戴设备等生成的虚拟环境中, 通过比较自然的方式进行交互。由于近几年计算机技术的飞速发展, 硬件与软件技术储备的成熟, 催生了虚拟现实技术的快速发展, 有望在未来几十年成为主流代替电脑等电子产品。

2虚拟现实技术发展面临的难题

2. 1价格问题

目前大多数虚拟现实设备非常昂贵, 普通消费者非常关心价格, 高昂的售价阻碍了虚拟现实设备的普及。例如业界性能比较好的HTCVive其售价达到了6 888元, 另外还需配备高性能的电脑, 大约需要花费10 000元, 合计价格非常昂贵。而市场研究机构Touchstone Research称60% 的互联网用户对VR设备价格的接受上限为400美元, 认为此类设备价格应维持在200 ~ 400美元的用户占压倒性多数。当然, 市场上也有售价比较低廉的产品, 例如Google的Card Board[1]售价十几元钱就可以拥有, 三星的Gear VR售价不过699元, 但价格低廉的产品与价格高昂的产品在沉浸式体验式相差非常巨大, 价格低廉的设备况且还需要配备1台很好的智能手机才能使用。这些因素都大大制约着虚拟现实的发展。

2. 2性能问题

由于多数虚拟现实设备, 需要借助PC性能支持, 由于虚拟现实设备对帧数、画面清晰度等要求非常高, 所以耗费的电脑资源非常大。著名显卡生产厂商英伟达表示, 今年市场上只有1% 的PC能流畅运行VR游戏。虽然戴尔, 外星人和华硕都推出了专门为Oculus优化的PC, 但这些产品只能算凤毛麟角, 而且其售价都在950美元之上。至于价格一直很高端的苹果, Oculus创始人则直接泼冷水称: “什么时候苹果能造1台真正的好电脑, Oculus就支持Mac。”其实Mac在日常应用中表现挺好, 许多大型应用也都能跑的很顺畅, 因此真正的原因并不出在PC上, 只能说虚拟现实设备对性能的要求太苛刻了。

2. 3普及问题

普及问题是制约虚拟现实发展的一大问题, 虚拟现实产业目前产业链比较薄弱, 另外虚拟现实宣传本身也有一定难度, 它不像其他产品非常直观可以在电视广告、新媒体等渠道展现, 虚拟现实需要用户亲身体验才会知道产品的情况。另外就是人们普遍对虚拟现实概念认知度非常底, 很多人甚至不清楚何为虚拟现实, 它是用来做什么的。即使一直为VR摇旗呐喊的扎克伯格, 也不得不在访谈上承认: “虚拟现实市场增长速度过慢, 我也不知道到底需要多久才能建起真正的生态, 乐观来看需要5年或10年, 但也有可能耗时15 ~ 20年。”如果你觉得扎克伯格过于悲观, 那就大错特错。要知道现在人手1台的智能手机, 可是花了8年时间, 才在美国拿下10% 的市场占有率。

2. 4内容问题

由于虚拟现实技术刚刚起步, 其内容丰富度不是非常高。 现在有很多公司都是各自为营, 例如Oculus设备与HTCvive、 Google Card Board等设备每个都有其单独的开发SDK, 如果开发者选择在其中一个平台进行开发, 那么开发的产品只能应用到其所在的产品上, 其他产品无法使用, 这就迫使开发者同时开发多个平台的产品, 大大增加了开发的周期与难度, 其开发费用与后期维护费用都会显著增加。多个平台也对用户不是很公平, 有些平台的应用与游戏可能其他平台并没有, 这就迫使消费者需要购买多个厂商的虚拟现实设备, 这样对虚拟现实的蓬勃发展非常不利。

2. 5舒适问题

首先就是由于虚拟现实设备需要传输大量数据, 使用目前的无线技术无法做到实时性非常高的显示技术, 所以大多数厂商都使用传统线缆作为其虚拟现实的设备线缆, 而不使用无线方案, 由于线缆非常多, 这大大降低了用户体验。Oculus创始人在Twitter上吐槽道: “各种纠缠的线缆是虚拟现实界绕不开的一个坎, 这一因素决定了移动虚拟现实会比PC虚拟现实早一步成功。”另外佩带头戴式设备往往质量比较大, 虚拟现实设备沉重的坠压感也会降低用户体验。

3总结与展望

正如其他新兴科学技术一样, 虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及到人工智能、 计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。我们必须清醒地认识到, 虽然这个领域的技术潜力巨大, 应用前景广阔, 但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍[2]。但是相信随着技术的不断发展, 这些难题将会迎刃而解, 虚拟现实技术将会迎来其发展的春天。

参考文献

[1]孟美, 马充.沉浸式虚拟现实在医学中的发展与应用[J].通讯世界, 2016 (1) .