虛擬實(shí)境設(shè)計(jì)課件

虛擬實(shí)境設(shè)計(jì)AShortIntroductionbyK.-P.Beier

虛擬實(shí)境設(shè)計(jì)AShortIntroductionby1Terminology

Theterm'VirtualReality'(VR)wasinitiallycoinedbyJaronLanier,founderofVPLResearch("VisualProgrammingLanguage")(1989).Otherrelatedtermsinclude'ArtificialReality'(MyronKrueger,1970s),'Cyberspace'(WilliamGibson,1984),and,morerecently,'VirtualWorlds'and'VirtualEnvironments'(1990s).

Today,'VirtualReality'isusedinavarietyofwaysandofteninaconfusingandmisleadingmanner.Originally,thetermreferredto'ImmersiveVirtualReality.'InimmersiveVR,theuserbecomesfullyimmersedinanartificial,three-dimensionalworldthatiscompletelygeneratedbyacomputer.Terminology

Theterm'Virtual2Head-MountedDisplay(HMD)

Thehead-mounteddisplay(HMD)wasthefirstdeviceprovidingitswearerwithanimmersiveexperience.EvansandSutherlanddemonstratedahead-mountedstereodisplayalreadyin1965.Ittookmorethen20yearsbeforeVPLResearchintroducedacommerciallyavailableHMD,thefamous"EyePhone"system(1989).Head-MountedDisplay(HMD)3AtypicalHMDhousestwominiaturedisplayscreensandanopticalsystemthatchannelstheimagesfromthescreenstotheeyes,thereby,presentingastereoviewofavirtualworld.Amotiontrackercontinuouslymeasuresthepositionandorientationoftheuser'sheadandallowstheimagegeneratingcomputertoadjustthescenerepresentationtothecurrentview.Asaresult,theviewercanlookaroundandwalkthroughthesurroundingvirtualenvironment.AtypicalHMDhousestwominia4Toovercometheoftenuncomfortableintrusivenessofahead-mounteddisplay,alternativeconcepts(e.g.,BOOMandCAVE)forimmersiveviewingofvirtualenvironmentsweredeveloped.

BOOM

TheBOOM(BinocularOmni-OrientationMonitor)fromFakespaceisahead-coupledstereoscopicdisplaydevice.Screensandopticalsystemarehousedinaboxthatisattachedtoamulti-linkarm.Theuserlooksintotheboxthroughtwoholes,seesthevirtualworld,andcanguidetheboxtoanypositionwithintheoperationalvolumeofthedevice.Headtrackingisaccomplishedviasensorsinthelinksofthearmthatholdsthebox.Toovercometheoftenuncomfor5CAVE

TheCAVE(CaveAutomaticVirtualEnvironment)wasdevelopedattheUniversityofIllinoisatChicagoandprovidestheillusionofimmersionbyprojectingstereoimagesonthewallsandfloorofaroom-sizedcube.SeveralpersonswearinglightweightstereoglassescanenterandwalkfreelyinsidetheCAVE.Aheadtrackingsystemcontinuouslyadjustthestereoprojectiontothecurrentpositionoftheleadingviewer.CAVE

TheCAVE(CaveAutomatic6InputDevicesandotherSensualTechnologies

Avarietyofinputdeviceslikedatagloves,joysticks,and3DMouseallowtheusertonavigatethroughavirtualenvironmentandtointeractwithvirtualobjects.3Dsound,tactileandforcefeedback

devices,voicerecognitionandothertechnologiesarebeingemployedtoenrichtheimmersiveexperienceandtocreatemore"sensualized"interfaces.InputDevicesandotherSensua7CharacteristicsofImmersiveVR

Theuniquecharacteristicsofimmersivevirtualrealitycanbesummarizedasfollows:Head-referencedviewingprovidesanaturalinterfaceforthenavigationinthree-dimensionalspaceandallowsforlook-around,walk-around,andfly-throughcapabilitiesinvirtualenvironments.Stereoscopicviewingenhancestheperceptionofdepthandthesenseofspace.Thevirtualworldispresentedinfullscaleandrelatesproperlytothehumansize.CharacteristicsofImmersiveV82.

CharacteristicsofImmersiveVR continueRealisticinteractionswithvirtualobjectsviadatagloveandsimilardevicesallowformanipulation,operation,andcontrolofvirtualworlds.Theconvincingillusionofbeingfullyimmersedinanartificialworldcanbeenhancedbyauditory,haptic,andothernon-visualtechnologies.2.CharacteristicsofImmersiv9NetworkedapplicationsallowforsharedvirtualenvironmentsSharedVirtualEnvironments

Intheexampleillustrated,threenetworkedusersatdifferentlocations(anywhereintheworld)meetinthesamevirtualworldbyusingaBOOMdevice,aCAVEsystem,andaHead-MountedDisplay,respectively.Allusersseethesamevirtualenvironmentfromtheirrespectivepointsofview.Eachuserispresentedasavirtualhuman(avatar)totheotherparticipants.Theuserscanseeeachother,communicatedwitheachother,andinteractwiththevirtualworldasateam.Networkedapplicationsallowf10虛擬實(shí)境設(shè)計(jì)11Non-immersiveVR

Today,theterm'VirtualReality'isalsousedforapplicationsthatarenotfullyimmersive.Theboundariesarebecomingblurred,butallvariationsofVRwillbeimportantinthefuture.Thisincludesmouse-controllednavigationthroughathree-dimensionalenvironmentonagraphicsmonitor,stereoviewingfromthemonitorviastereoglasses,stereoprojectionsystems,andothers.Apple'sQuickTimeVR,forexample,usesphotographsforthemodelingofthree-dimensionalworldsandprovidespseudolook-aroundandwalk-troughcapabilitiesonagraphicsmonitor.Non-immersiveVR12VRML

MostexcitingistheongoingdevelopmentofVRML(VirtualRealityModelingLanguage)ontheWorldWideWeb.InadditiontoHTML(HyperTextMarkupLanguage),thathasbecomeastandardauthoringtoolforthecreationofhomepages,VRMLprovidesthree-dimensionalworldswithintegratedhyperlinksontheWeb.Homepagesbecomehomespaces.TheviewingofVRMLmodelsviaaVRMLplug-inforWebbrowsersisusuallydoneonagraphicsmonitorundermouse-controland,therefore,notfullyimmersive.However,thesyntaxanddatastructureofVRMLprovideanexcellenttoolforthemodelingofthree-dimensionalworldsthatarefunctionalandinteractiveandthatcan,ultimately,betransferredintofullyimmersiveviewingsystems.ThecurrentversionVRML2.0hasbecomeaninternationalISO/IECstandardunderthenameVRML97.VRML

Mostexcitingistheong13RenderingofEscher'sPenroseStaircase(modeledbyDigantaSaha):

VRML continueRenderingofEscher'sPenrose14VR-relatedTechnologies

OtherVR-relatedtechnologiescombinevirtualandrealenvironments.

MotiontrackersareemployedtomonitorthemovementsofdancersorathletesforsubsequentstudiesinimmersiveVR.Thetechnologiesof'AugmentedReality'allowfortheviewingofrealenvironmentswithsuperimposedvirtualobjects.Telepresencesystems(e.g.,telemedicine,telerobotics)immerseaviewerinarealworldthatiscapturedbyvideocamerasatadistantlocationandallowfortheremotemanipulationofrealobjectsviarobotarmsandmanipulators.

VR-relatedTechnologies15Applications

Asthetechnologiesofvirtualrealityevolve,theapplicationsofVRbecomeliterallyunlimited.ItisassumedthatVRwillreshapetheinterfacebetweenpeopleandinformationtechnologybyofferingnewwaysforthecommunicationofinformation,thevisualizationofprocesses,andthecreativeexpressionofideas.

Applications

Asthetechnolog16Notethatavirtualenvironmentcanrepresentanythree-dimensionalworldthatiseitherrealorabstract.Thisincludesrealsystemslikebuildings,landscapes,underwatershipwrecks,spacecrafts,archaeologicalexcavationsites,humananatomy,sculptures,crimescenereconstructions,solarsystems,andsoon.Ofspecialinterestisthevisualandsensualrepresentationofabstractsystemslikemagneticfields,turbulentflowstructures,molecularmodels,mathematicalsystems,auditoriumacoustics,stockmarketbehavior,populationdensities,informationflows,andanyotherconceivablesystemincludingartisticandcreativeworkofabstractnature.Thesevirtualworldscanbeanimated,interactive,shared,andcanexposebehaviorandfunctionality.Notethatavirtualenvironmen17UsefulapplicationsofVRincludetraininginavarietyofareas(military,medical,equipmentoperation,etc.),education,designevaluation(virtualprototyping),architecturalwalk-through,humanfactorsandergonomicstudies,simulationofassemblysequencesandmaintenance

tasks,assistanceforthehandicapped,studyandtreatmentofphobias(e.g.,fearofheight),entertainment,and???

Applications continueUsefulapplicationsofVRincl18(一)產(chǎn)品特色：3DWebmaster是Superscape公司經(jīng)過十年設(shè)計(jì)虛擬實(shí)境產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)而產(chǎn)生的一個(gè)用來設(shè)計(jì)互動(dòng)3D網(wǎng)站的軟體工具。無論是商業(yè)應(yīng)用方面、娛樂。這軟體能夠讓你能夠創(chuàng)造一個(gè)富有互動(dòng)、快速而有效率的即時(shí)3D世界?？焖佟⒎奖愕难u作多量的3D物件快速的下載速度(World容量大都在50─100KB)快速的瀏覽速度(使用Viscape)3DWebmaster簡介(一)產(chǎn)品特色：3DWebmaster簡介19(二)標(biāo)準(zhǔn)：3DWebmaster順從許多的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以它能夠在你的其它軟體工作順暢。友善的使用者視窗介面。使用SVR或WRML97儲(chǔ)存3DWORLD。使用最共用的檔案格式─SRV、VCA、SRL、BMP、PCX、GIF、JPEG、TIFF、Targa、WAV。強(qiáng)大的Java介面完全整合在HTML。發(fā)展兩種格式的3D網(wǎng)頁和JavaApplet或者是JavaScript。(二)標(biāo)準(zhǔn)：20(三)容易編輯：整合編輯環(huán)境讓你完全控制你的3D網(wǎng)頁。模板-3DWebmaster已經(jīng)準(zhǔn)傋好一些樣品讓你的World更容易的開始製作。物件庫-從物件庫裡選擇物件，聲音或架構(gòu)，並且將它拖曳到你的World內(nèi)。你所製作的物件可以加入物件庫以便可以重覆使用。加入連結(jié)─藉由簡單的對話框就能讓你在物件加上超連結(jié)的功能，讓參觀者能容易瀏覽你的網(wǎng)站。物件-800個(gè)虛擬圖片、500個(gè)即可使用的架構(gòu)、600個(gè)行為指令?？梢远啻蔚倪€原物件動(dòng)作。插入碰撞-讓W(xué)orld的物件放在適當(dāng)?shù)奈恢?。即時(shí)操作物件-使用滑鼠即時(shí)移動(dòng)、提高及旋轉(zhuǎn)物件。(三)容易編輯：模板-3DWebmaster已經(jīng)準(zhǔn)傋好一21(四)更吸引人的：進(jìn)階的即時(shí)宣告利用透明、霧及陰影就可以立刻製作出漂亮的3D環(huán)境。

平面、圓柱體、球體及即時(shí)操作。

使用滑鼠就可以立刻將架構(gòu)加入到你的物件，然後再做旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等動(dòng)作。

(四)更吸引人的：22(五)更多的彩色光源使用即時(shí)光源計(jì)算和更多更多的彩色光源讓你的3D網(wǎng)站更融入生活。選擇z－buffering即時(shí)物件光源計(jì)算

(五)更多的彩色光源23

(六)更快而且更有效率在Viscape平臺(tái)上，3DWebmaster的程式執(zhí)行非常的快速，檔案被編繹成二進(jìn)位檔變得更小而且包含在World中使用的全部聲音、物件。使用更快的3D網(wǎng)頁瀏覽器瀏覽。檔案變?。蟛糠莸?D網(wǎng)頁都少於200kb包含聲音及物件。

技術(shù)轉(zhuǎn)變－可使用更高階3D加速卡、處理器。

(六)更快而且更有效率24(七)更有力的3Dwebmaster不只是更容易使用，快速而且有效率，它使用其他功能而變得更有力。拖曳聲音到物件的聲音設(shè)定上，並指定聲音大小，而且指定在發(fā)生何種事件時(shí)開始播放聲音，之後按下ok就完成了。完全的偵測物件是否跟觀點(diǎn)碰撞。透過對話框控制動(dòng)態(tài)物件。

詳細(xì)的合成物件可使用簡單功能找替自動(dòng)物件，並且速度更快。

可以定義及編輯道具－讓使用者能夠方便的重覆使用虛擬圖片。(七)更有力的完全的偵測物件是否跟觀點(diǎn)碰撞。透過對話框控25SuperscapeControlLanguage或稱SCL，是一種像C的程式語言控制你的WORLD。假如你會(huì)一點(diǎn)C語言，就可以很輕鬆的對SCL上手。SCL可以加任何物件在

WORLD而且控制每樣?xùn)|西的位置，加上霧在WORLD中，你可以有重覆的東西在飛行，超連結(jié)到HTM文件。當(dāng)你使用你需要的函數(shù)創(chuàng)造一個(gè)物件時(shí)，你可以儲(chǔ)存起來重覆的使用這個(gè)物件。

SuperscapeControlLanguage或稱S26這個(gè)產(chǎn)品是專門為一些需要將虛擬實(shí)境放在網(wǎng)頁上的開發(fā)工具，不管是專業(yè)的應(yīng)用或是個(gè)人，都可以輕鬆的利用其強(qiáng)大的功能開發(fā)。價(jià)格方面，也比SuperscapeVRT

便宜一半，功能上，幾乎所有

Web所需的都有了。虛擬世界可鎖碼並壓縮以.svr的格式儲(chǔ)存，可偶保護(hù)智慧財(cái)產(chǎn)權(quán)並大幅增加網(wǎng)路Download速度，平均來說，大部分的作器大小為50-200KB之間，還可以輸出成

VRML2.0的檔案。簡單來說，這是個(gè)操作簡單、功能強(qiáng)大、而且有效開發(fā)工具?？稍赪indows95、16MBRAM、無3D繪圖卡環(huán)境下使用、並自動(dòng)測3D繪圖模式(Direct3DHAL、MMX、RGB、WinG、DirectDraw)，配合軟硬體組態(tài)調(diào)整最佳繪圖模式與執(zhí)行效率，同時(shí)非必要不使用Z-buffer繪圖；也可再搭配

Direct3D加速卡。達(dá)到最佳視覺使效果。

這個(gè)產(chǎn)品是專門為一些需要將虛擬實(shí)境放在網(wǎng)頁上的開發(fā)工具，不管273DWebmaster包括了三個(gè)主要的部分：是建構(gòu)世界的極佳建構(gòu)環(huán)境，是瀏覽工具，可以在建構(gòu)時(shí)即時(shí)測試以及使用Viscapeplug-in配合NetscapeNavigator或InternetExplorer的ActiveX控制，當(dāng)然也可輸出成VRML2.0的標(biāo)準(zhǔn)。

物件庫(Warehouse)，包括了各式的物件、材、模型、及環(huán)境，可以拖、拉、放到世界中，物體可以輕鬆移位、縮放、旋轉(zhuǎn)與修改屬性、並有多重復(fù)原(Undo)的功能。這些物件包含了300個(gè)3D模型、500種材、200種音效、以及600種行為指令。3DWebmaster包括了三個(gè)主要的部分：283DWebmaster構(gòu)成的虛擬實(shí)境:點(diǎn)是虛擬世界中最基本的元素，在

Superscape的虛擬實(shí)境中，點(diǎn)可以透過兩種數(shù)學(xué)方式描述，換言之，我們可以在

Superscape的環(huán)境中建立兩種『不同的』點(diǎn)。其中之一是藉由直接定義三度空間的座標(biāo)位置而來，例如：(4,5,6)，這樣的點(diǎn)在

Superscape被稱為相對點(diǎn)

(RelativePoint)。

另外一種點(diǎn)是藉由此比例關(guān)係(或分?jǐn)?shù)關(guān)係)，取得兩個(gè)相對點(diǎn)構(gòu)成數(shù)線之特定位置而來，這種點(diǎn)的定義為：描述兩個(gè)相對點(diǎn)的分?jǐn)?shù)關(guān)係，在Superscape被稱為幾何點(diǎn)

(GeometricPoint)。除了相對與幾何的分別外，點(diǎn)還可以分為動(dòng)態(tài)點(diǎn)與靜態(tài)點(diǎn)兩種，一般在未特別設(shè)定之前，所有的點(diǎn)皆預(yù)設(shè)為靜態(tài)的；而動(dòng)態(tài)的點(diǎn)是用來讓虛擬世界的物件具備運(yùn)動(dòng)的能力。

1.相對點(diǎn)與幾何點(diǎn)3DWebmaster構(gòu)成的虛擬實(shí)境:點(diǎn)是虛擬世界中最基293DWebmaster的軟體特別之處 continue

在具備一些點(diǎn)集合後，我們可以利用它們作為平面多邊形的頂點(diǎn)，描述二維空間中的各種形狀，進(jìn)而利用這些多邊形面建立虛擬物件的形體。

2.面─Facets(小平面)3DWebmaster的軟體特別之處 continu303.形體─Shapes

3DWebmaster的軟體特別之處 continue

Superscape的設(shè)計(jì)環(huán)境利用二維空間面，描繪立體物件的外貌，並將這些資料視為形體型別的定義，儲(chǔ)存在個(gè)別的形體檔案之中。 在形體的建立過程中，Superscape提供強(qiáng)而有力的圖形界面編輯工具，可供使者視覺化地快速建立虛擬物件的名稱，形體編器利用關(guān)連區(qū)塊(BoundingBox)提供三維的虛擬空間，你可以在其中透過設(shè)立點(diǎn)和編面等步驟建立形體，當(dāng)初步完成外觀的設(shè)計(jì)之後，還可以進(jìn)一步藉由設(shè)立動(dòng)態(tài)點(diǎn)來製作動(dòng)態(tài)的形體。

3.形體─Shapes3DWebmaster的軟體特314.物件─Object

3DWebmaster的軟體特別之處 continue

虛擬世界中的虛擬物件不僅需要以立體的方式呈現(xiàn)出原本的形態(tài)外，更重要的是每一個(gè)物件都必須具有原本世界中的特質(zhì)─這是說它必須根據(jù)真實(shí)世界中的『本份』，與使用者達(dá)成互動(dòng)式的溝通：如同虛擬世界中的電腦，當(dāng)使者按下電源後就必須有出現(xiàn)螢?zāi)唬M(jìn)一步時(shí)，當(dāng)使者者在鍵盤上打字時(shí)螢?zāi)灰矐?yīng)該出現(xiàn)使用者所打的字。因此虛擬物件比一般的物件多了一種與使用者達(dá)成互動(dòng)的行為責(zé)任。

4.物件─Object3DWebmaster的軟體特323DWebmaster的軟體特別之處 continue

在Superscape的發(fā)展環(huán)境中，虛擬物件的構(gòu)成除了形體之外，單就視覺呈現(xiàn)部份而言，至少還需包含一些特定的『標(biāo)準(zhǔn)屬性』，這些標(biāo)準(zhǔn)屬性是正確呈現(xiàn)物件形體不可或缺的必備要素，例如：形體的名稱、大小、位置和比例。

5.屬性─Attribute

3DWebmaster的軟體特別之處 continu33 其次，若我們要建立動(dòng)態(tài)的物件時(shí)，還必須仔細(xì)設(shè)定動(dòng)作的特性，像是：自發(fā)性的運(yùn)動(dòng)與物件的交互運(yùn)動(dòng)，或是與使用者交互的作用等事件驅(qū)動(dòng)與回應(yīng)的流程，都必須提供相關(guān)的資料，作為虛擬物件的部份描述。

因此，當(dāng)我們運(yùn)用Superscape時(shí)，必須清楚地瞭解虛擬物件完整的描述，並不存在於單純的形體定義之中，或是其他獨(dú)立的檔案；而是在世界描述檔中虛擬物件才具備了的完整資料。

3DWebmaster的軟體特別之處 continue

6.動(dòng)態(tài)─Dynamics

其次，若我們要建立動(dòng)態(tài)的物件時(shí)，還必須仔細(xì)設(shè)定動(dòng)作的特性，343DWebmaster的軟體特別之處 continue

虛擬世界是一個(gè)互動(dòng)式的模擬環(huán)境，由一個(gè)個(gè)的虛擬物件所組成，而物件除了形體之外的行為，卻依附於特定的虛擬世界，將個(gè)別形體逐一安排佈置於虛擬環(huán)境之後，還需詳加描述物件行為的能力，例如：物件動(dòng)作和聲音的控制等，再加上一些客觀的要素，諸加：光源、背景和控制臺(tái)等的調(diào)和襯托，栩栩如生的電腦幻境才能真正讓使用者『身歷其境』。 同時(shí)虛擬世界亦包含一個(gè)大型的資料庫，資料庫中存有每一個(gè)虛擬物件的基本屬性、動(dòng)作、聲音、行為等等的資料，以及虛擬世界的原始設(shè)定：如背景、控制臺(tái)、視窗等等。7.世界─

World3DWebmaster的軟體特別之處 continu353D電腦繪圖--虛擬世界

3D電腦繪圖--虛擬世界363D電腦繪圖--虛擬世界相信多數(shù)人都看過“朱儸紀(jì)公園”中張牙舞爪的恐龍或者是“玩具總動(dòng)員”中會(huì)說話的玩具和“蟲蟲危機(jī)”中可愛的昆蟲等等，這些栩栩如生，讓人分不出真假的東西就是由三度空間電腦繪圖(3DComputerGraphics)所創(chuàng)造出來的，而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的精進(jìn)，原本只能在昂貴的高階電腦工作站才能執(zhí)行的3D電腦繪圖，已經(jīng)普及到一般的個(gè)人電腦上，現(xiàn)在幾乎九成以上的電腦都配備有基本的3D繪圖功能，電視遊樂器更配備有超強(qiáng)的3D繪圖晶片，3D電腦繪圖已是十分普及?，F(xiàn)在3D電腦繪圖已深入到各個(gè)層面，尤其在影音娛樂多媒體方面，甚至應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上的斷層掃瞄及科學(xué)研究上，虛擬實(shí)境更是未來的夢想，以下為3D電腦繪圖基本概念的簡介。一、前言3D電腦繪圖--虛擬世界相信多數(shù)人都看過“朱儸紀(jì)公園”中張牙37二、3D電腦繪圖簡介 3D電腦繪圖的宗旨就是為了模擬出真實(shí)世界的物體，如何讓產(chǎn)生出來的圖片更逼真更快速是努力的重點(diǎn)，那為什麼三度空間的物體可以顯現(xiàn)在二度空間平面的螢?zāi)簧夏?？這就是利用許多複雜的演算法或模型來模擬真實(shí)物體在三度空間中的狀況，最後投射在二維平面的螢?zāi)簧稀?/p>

3D電腦繪圖--虛擬世界 continue二、3D電腦繪圖簡介 3D電腦繪圖的宗旨就是為了模擬出真實(shí)38 如下圖所示，物體位於黃色區(qū)域中的三度空間內(nèi)，人眼透過螢?zāi)籗creen所看到的就是此三度空間透射到二維平面上的狀態(tài)，而許多因素會(huì)影響到最後此影像的真實(shí)度，包含投射的技巧、物體模型的細(xì)緻程度、光源模型的精確度等等，底下就開始為大家簡介簡單的3D繪圖流程（此一流程是最基本的概念，事實(shí)上在3D電腦繪圖的領(lǐng)域中有許許多多不同的方式來產(chǎn)生最後的圖形）。 如下圖所示，物體位於黃色區(qū)域中的三度空間內(nèi)，人眼透過螢?zāi)籗391.建立物體模型(Modeling) 如何描述一個(gè)三度空間中的物體其外觀形狀，此一動(dòng)作就是建模，通常我們會(huì)用點(diǎn)、線、面去近似一個(gè)物體的外觀(如右圖)3D電腦繪圖--虛擬世界 continue1.建立物體模型(Modeling) 如何描述一個(gè)三度空40 建立此物體的模型資料，通常用(X,Y,Z)三度空間的座標(biāo)來表示，這些資料就是供後面繪圖運(yùn)算用的，有了物體外觀(X,Y,Z)的資料，可以利用很簡單的線性代數(shù)運(yùn)算，就可以將這個(gè)物體放大縮小、移動(dòng)和變形等等。 目前建立模型的方式大多靠軟體輔助設(shè)計(jì)如3DSMax、SoftImage、Maya等來完成，此一方法需手工且耗時(shí)，因此也有雷射掃瞄的儀器直接掃瞄真實(shí)物體的外觀。物體模型的精細(xì)度對最後產(chǎn)生出來的圖形的真實(shí)度有很大的影響，也牽涉到資料處理的運(yùn)算量。

3D電腦繪圖--虛擬世界 continue 建立此物體的模型資料，通常用(X,Y,Z)三度空間的座標(biāo)來412.座標(biāo)轉(zhuǎn)換(Transform) 前面提到有了物體的三度空間模型資料，就可以用線性代數(shù)的方法將此物體移動(dòng)、縮放、變形等等，這些動(dòng)作其實(shí)都是座標(biāo)轉(zhuǎn)換，藉由控制物體上每個(gè)點(diǎn)的座標(biāo)變動(dòng)，可以讓物體移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、產(chǎn)生動(dòng)畫，如下圖，在一空間中擺進(jìn)了三個(gè)物體，並調(diào)整它們的位置和角度。3D電腦繪圖--虛擬世界 continue2.座標(biāo)轉(zhuǎn)換(Transform) 前面提到有了物體的423.光亮度計(jì)算(Lighting)-1 當(dāng)一個(gè)三度空間中所有物體的座標(biāo)資訊都處理好後，接下來的就是要計(jì)算每個(gè)物體的顏色了，如何計(jì)算物體的顏色呢？首先必須將此三度空間中的光源做一適當(dāng)?shù)膍odel，就像光源可以分成很多種，如太陽光、電燈泡、探照燈等等，model好光源後，皆下來要做的就是計(jì)算此光源如何和這些物體作用，而最後反射到眼睛的光就是我們所看到此物體的顏色了，此部分就是利用光學(xué)反射、散射、透射等的原理來模擬。3D電腦繪圖--虛擬世界 continue3.光亮度計(jì)算(Lighting)-1 當(dāng)一個(gè)三度433.光亮度計(jì)算(Lighting)-2 物體的顏色若要逼真就必須使用較複雜的運(yùn)算，目前的方法大致可分成幾種：Localillumination、RayTracing(光跡追蹤)和Radiosity(熱幅射法)，Localillumination是較適合於硬體設(shè)計(jì)，但其品質(zhì)是此三種中最差的但運(yùn)算量也是最低的，光跡追蹤對於金屬物質(zhì)的效果最逼真，熱幅射對於室內(nèi)光源的效果較好，但光跡追蹤和熱幅射都需要耗費(fèi)很久的時(shí)間且不適合做硬體加速，一般我們看到電影中逼真的動(dòng)畫都是結(jié)合了光跡追蹤和熱幅射後所得到的最好效果，通常一張畫面都需要一臺(tái)工作站運(yùn)算幾小時(shí)，並不適合即時(shí)的3D應(yīng)用。。3D電腦繪圖--虛擬世界 continue3.光亮度計(jì)算(Lighting)-2 物體的顏色若443.光亮度計(jì)算(Lighting)-3

Localillumination:此方法只針對每個(gè)光源對此點(diǎn)的影響納入計(jì)算，不考慮到其他物體的影響，此方法還可分成兩種GouraudShading和PhongShading。GouraudShading是首先對每個(gè)物體模型的頂點(diǎn)做光亮度的計(jì)算，得到每個(gè)頂點(diǎn)(通常為三角形的頂點(diǎn))的顏色值(如圖左)，然後接著在用內(nèi)插的方式將每個(gè)面內(nèi)部(通常是三角形)的點(diǎn)的顏色給內(nèi)插出來，其結(jié)果就如圖右，此方法的缺點(diǎn)是因?yàn)橛脙?nèi)插的關(guān)係，所以無法模擬出金屬物體高亮度、高反光的地方，但好處是硬體運(yùn)算量較少。3D電腦繪圖--虛擬世界 continue3.光亮度計(jì)算(Lighting)-3 Local453.光亮度計(jì)算(Lighting)-4

PhongShading是對物體上的每個(gè)點(diǎn)都去計(jì)算它的光亮度值，所以可以模擬出高反光的部分，但由於光亮度需要大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，所以目前的硬體架構(gòu)幾乎都是採用GouraudShading。3D電腦繪圖--虛擬世界 continue3.光亮度計(jì)算(Lighting)-4 Phong464.貼圖(TextureMapping) 在計(jì)算完物體的顏色後整個(gè)影像已呈現(xiàn)出3D的立體效果，但這只有純色的結(jié)果，在真實(shí)世界中物體表面都會(huì)有紋路，甚至細(xì)小高低不平的紋路材質(zhì)(如樹木、皮革等)，我們利用簡單的貼圖就可以模擬出物體表面的這些效果(下圖)，此動(dòng)作牽涉到貼圖的精細(xì)度和材質(zhì)使用的多寡，目前此單元是硬體中最耗費(fèi)記憶體大小和頻寬的單元，所以才會(huì)有貼圖壓縮(TextureCompression)的出現(xiàn)。3D電腦繪圖--虛擬世界 continue4.貼圖(TextureMapping) 在計(jì)算完物47 當(dāng)我們眼睛往三度空間中的某個(gè)位置、角度看過去時(shí)，有些物體因?yàn)樵卺崦鏁?huì)被遮住，所以在最後整張影像成像的時(shí)候必須將這些東西消除，最常用的方法是Z-Buffer，由於這些看不見的點(diǎn)都會(huì)耗費(fèi)不必要的運(yùn)算(如座標(biāo)轉(zhuǎn)換、光亮度、5.隱藏面消除(HiddenSurfaceRemoval)-13D電腦繪圖--虛擬世界 continue貼圖等)，造成整體效能的降低，因此有許多方法被開發(fā)用來儘早在前級時(shí)消除這些看不到的物體。 當(dāng)我們眼睛往三度空間中的某個(gè)位置、角度看過去時(shí)，有些物體因485.隱藏面消除(HiddenSurfaceRemoval)-2 也許有人會(huì)問說，為什麼一開始要把這些看不到的東西送入硬體加速呢？那是因?yàn)橥ǔＮ覀兪菬o法經(jīng)由簡單的計(jì)算就可以得知物體的哪些部分是看不到的，況且3D電腦繪圖的精神就是你可以從任何角度觀看此空間，而產(chǎn)生出來的圖形的解析度也可以任意，所以當(dāng)遇到互動(dòng)式的3D應(yīng)用時(shí)，就很難預(yù)先知道使用者眼睛的位置而將那些看不見的物體消除的。3D電腦繪圖--虛擬世界 continue5.隱藏面消除(HiddenSurfaceRemova495.隱藏面消除(HiddenSurfaceRemoval)-3

Z-Buffer是最簡單有效也是最笨的方法，Z-Buffer就是一塊儲(chǔ)存螢?zāi)簧厦恳稽c(diǎn)深度(Z)值的記憶體，當(dāng)有新的點(diǎn)進(jìn)來時(shí)就去比對此點(diǎn)的深度值是否比之前在Z-Buffer中的靠近眼睛，如果是的話就表示此點(diǎn)會(huì)遮蓋住後面的點(diǎn)，更新Z-Buffer成此一新的值，若不是的話，就表示新的點(diǎn)比目前的點(diǎn)還遠(yuǎn)，所以看不到，就將它捨去掉。目前ATI在Radeon中所發(fā)表的HierarchicalZBuffer也是為了加速消除隱藏面的方法。3D電腦繪圖--虛擬世界 continue5.隱藏面消除(HiddenSurfaceRemova50概念總結(jié)： 到此我們簡單的呈現(xiàn)3D電腦繪圖的概念，事實(shí)上整個(gè)3D電腦繪圖的過程非常繁雜，還有許許多多為了模擬真實(shí)世界所發(fā)展出來的演算法，歸納起來整個(gè)3D繪圖系統(tǒng)可分成幾個(gè)部分：應(yīng)用程式(API)、幾何處理(GeometryProcessing)、繪圖處理(RasterizationProcessing)。上層API的部分，包含Library(如Direct3D、OpenGL)，軟體開發(fā)者依循標(biāo)準(zhǔn)Library程式庫開發(fā)出3D的應(yīng)用軟體出來，透過支援標(biāo)準(zhǔn)程式庫的3D晶片送到硬體加速，硬體加速目前包含幾何處理和繪圖處理，幾何處理包含前級座標(biāo)轉(zhuǎn)換Transform和光亮度計(jì)算Lighting等等，統(tǒng)稱T&L，著重大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，後級繪圖處理包含顏色內(nèi)插、著色、貼圖、消除隱藏面、透明度、霧狀、陰影模擬等等，均依賴像素的運(yùn)算和記憶體存取等。3D電腦繪圖--虛擬世界 continue概念總結(jié)： 到此我們簡單的呈現(xiàn)3D電腦繪圖的概念，事實(shí)上整51進(jìn)階閱讀書目：

3D電腦繪圖--虛擬世界 finish進(jìn)階閱讀書目：3D電腦繪圖--虛擬世界 finish52虛擬實(shí)境設(shè)計(jì)AShortIntroductionbyK.-P.Beier

虛擬實(shí)境設(shè)計(jì)AShortIntroductionby53Terminology

Theterm'VirtualReality'(VR)wasinitiallycoinedbyJaronLanier,founderofVPLResearch("VisualProgrammingLanguage")(1989).Otherrelatedtermsinclude'ArtificialReality'(MyronKrueger,1970s),'Cyberspace'(WilliamGibson,1984),and,morerecently,'VirtualWorlds'and'VirtualEnvironments'(1990s).

Today,'VirtualReality'isusedinavarietyofwaysandofteninaconfusingandmisleadingmanner.Originally,thetermreferredto'ImmersiveVirtualReality.'InimmersiveVR,theuserbecomesfullyimmersedinanartificial,three-dimensionalworldthatiscompletelygeneratedbyacomputer.Terminology

Theterm'Virtual54Head-MountedDisplay(HMD)

Thehead-mounteddisplay(HMD)wasthefirstdeviceprovidingitswearerwithanimmersiveexperience.EvansandSutherlanddemonstratedahead-mountedstereodisplayalreadyin1965.Ittookmorethen20yearsbeforeVPLResearchintroducedacommerciallyavailableHMD,thefamous"EyePhone"system(1989).Head-MountedDisplay(HMD)55AtypicalHMDhousestwominiaturedisplayscreensandanopticalsystemthatchannelstheimagesfromthescreenstotheeyes,thereby,presentingastereoviewofavirtualworld.Amotiontrackercontinuouslymeasuresthepositionandorientationoftheuser'sheadandallowstheimagegeneratingcomputertoadjustthescenerepresentationtothecurrentview.Asaresult,theviewercanlookaroundandwalkthroughthesurroundingvirtualenvironment.AtypicalHMDhousestwominia56Toovercometheoftenuncomfortableintrusivenessofahead-mounteddisplay,alternativeconcepts(e.g.,BOOMandCAVE)forimmersiveviewingofvirtualenvironmentsweredeveloped.

BOOM

TheBOOM(BinocularOmni-OrientationMonitor)fromFakespaceisahead-coupledstereoscopicdisplaydevice.Screensandopticalsystemarehousedinaboxthatisattachedtoamulti-linkarm.Theuserlooksintotheboxthroughtwoholes,seesthevirtualworld,andcanguidetheboxtoanypositionwithintheoperationalvolumeofthedevice.Headtrackingisaccomplishedviasensorsinthelinksofthearmthatholdsthebox.Toovercometheoftenuncomfor57CAVE

TheCAVE(CaveAutomaticVirtualEnvironment)wasdevelopedattheUniversityofIllinoisatChicagoandprovidestheillusionofimmersionbyprojectingstereoimagesonthewallsandfloorofaroom-sizedcube.SeveralpersonswearinglightweightstereoglassescanenterandwalkfreelyinsidetheCAVE.Aheadtrackingsystemcontinuouslyadjustthestereoprojectiontothecurrentpositionoftheleadingviewer.CAVE

TheCAVE(CaveAutomatic58InputDevicesandotherSensualTechnologies

Avarietyofinputdeviceslikedatagloves,joysticks,and3DMouseallowtheusertonavigatethroughavirtualenvironmentandtointeractwithvirtualobjects.3Dsound,tactileandforcefeedback

devices,voicerecognitionandothertechnologiesarebeingemployedtoenrichtheimmersiveexperienceandtocreatemore"sensualized"interfaces.InputDevicesandotherSensua59CharacteristicsofImmersiveVR

Theuniquecharacteristicsofimmersivevirtualrealitycanbesummarizedasfollows:Head-referencedviewingprovidesanaturalinterfaceforthenavigationinthree-dimensionalspaceandallowsforlook-around,walk-around,andfly-throughcapabilitiesinvirtualenvironments.Stereoscopicviewingenhancestheperceptionofdepthandthesenseofspace.Thevirtualworldispresentedinfullscaleandrelatesproperlytothehumansize.CharacteristicsofImmersiveV602.

CharacteristicsofImmersiveVR continueRealisticinteractionswithvirtualobjectsviadatagloveandsimilardevicesallowformanipulation,operation,andcontrolofvirtualworlds.Theconvincingillusionofbeingfullyimmersedinanartificialworldcanbeenhancedbyauditory,haptic,andothernon-visualtechnologies.2.CharacteristicsofImmersiv61NetworkedapplicationsallowforsharedvirtualenvironmentsSharedVirtualEnvironments

Intheexampleillustrated,threenetworkedusersatdifferentlocations(anywhereintheworld)meetinthesamevirtualworldbyusingaBOOMdevice,aCAVEsystem,andaHead-MountedDisplay,respectively.Allusersseethesamevirtualenvironmentfromtheirrespectivepointsofview.Eachuserispresentedasavirtualhuman(avatar)totheotherparticipants.Theuserscanseeeachother,communicatedwitheachother,andinteractwiththevirtualworldasateam.Networkedapplicationsallowf62虛擬實(shí)境設(shè)計(jì)63Non-immersiveVR

Today,theterm'VirtualReality'isalsousedforapplicationsthatarenotfullyimmersive.Theboundariesarebecomingblurred,butallvariationsofVRwillbeimportantinthefuture.Thisincludesmouse-controllednavigationthroughathree-dimensionalenvironmentonagraphicsmonitor,stereoviewingfromthemonitorviastereoglasses,stereoprojectionsystems,andothers.Apple'sQuickTimeVR,forexample,usesphotographsforthemodelingofthree-dimensionalworldsandprovidespseudolook-aroundandwalk-troughcapabilitiesonagraphicsmonitor.Non-immersiveVR64VRML

MostexcitingistheongoingdevelopmentofVRML(VirtualRealityModelingLanguage)ontheWorldWideWeb.InadditiontoHTML(HyperTextMarkupLanguage),thathasbecomeastandardauthoringtoolforthecreationofhomepages,VRMLprovidesthree-dimensionalworldswithintegratedhyperlinksontheWeb.Homepagesbecomehomespaces.TheviewingofVRMLmodelsviaaVRMLplug-inforWebbrowsersisusuallydoneonagraphicsmonitorundermouse-controland,therefore,notfullyimmersive.However,thesyntaxanddatastructureofVRMLprovideanexcellenttoolforthemodelingofthree-dimensionalworldsthatarefunctionalandinteractiveandthatcan,ultimately,betransferredintofullyimmersiveviewingsystems.ThecurrentversionVRML2.0hasbecomeaninternationalISO/IECstandardunderthenameVRML97.VRML

Mostexcitingistheong65RenderingofEscher'sPenroseStaircase(modeledbyDigantaSaha):

VRML continueRenderingofEscher'sPenrose66VR-relatedTechnologies

OtherVR-relatedtechnologiescombinevirtualandrealenvironments.

MotiontrackersareemployedtomonitorthemovementsofdancersorathletesforsubsequentstudiesinimmersiveVR.Thetechnologiesof'AugmentedReality'allowfortheviewingofrealenvironmentswithsuperimposedvirtualobjects.Telepresencesystems(e.g.,telemedicine,telerobotics)immerseaviewerinarealworldthatiscapturedbyvideocamerasatadistantlocationandallowfortheremotemanipulationofrealobjectsviarobotarmsandmanipulators.

VR-relatedTechnologies67Applications

Asthetechnologiesofvirtualrealityevolve,theapplicationsofVRbecomeliterallyunlimited.ItisassumedthatVRwillreshapetheinterfacebetweenpeopleandinformationtechnologybyofferingnewwaysforthecommunicationofinformation,thevisualizationofprocesses,andthecreativeexpressionofideas.

Applications

Asthetechnolog68Notethatavirtualenvironmentcanrepresentanythree-dimensionalworldthatiseitherrealorabstract.Thisincludesrealsystemslikebuildings,landscapes,underwatershipwrecks,spacecrafts,archaeologicalexcavationsites,humananatomy,sculptures,crimescenereconstructions,solarsystems,andsoon.Ofspecialinterestisthevisualandsensualrepresentationofabstractsystemslikemagneticfields,turbulentflowstructures,molecularmodels,mathematicalsystems,auditoriumacoustics,stockmarketbehavior,populationdensities,informationflows,andanyotherconceivablesystemincludingartisticandcreativeworkofabstractnature.Thesevirtualworldscanbeanimated,interactive,shared,andcanexposebehaviorandfunctionality.Notethatavirtualenvironmen69UsefulapplicationsofVRincludetraininginavarietyofareas(military,medical,equipmentoperation,etc.),education,designevaluation(virtualprototyping),architecturalwalk-through,humanfactorsandergonomicstudies,simulationofassemblysequencesandmaintenance

tasks,assistanceforthehandicapped,studyandtreatmentofphobias(e.g.,fearofheight),entertainment,and???

Applications continueUsefulapplicationsofVRincl70(一)產(chǎn)品特色：3DWebmaster是Superscape公司經(jīng)過十年設(shè)計(jì)虛擬實(shí)境產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)而產(chǎn)生的一個(gè)用來設(shè)計(jì)互動(dòng)3D網(wǎng)站的軟體工具。無論是商業(yè)應(yīng)用方面、娛樂。這軟體能夠讓你能夠創(chuàng)造一個(gè)富有互動(dòng)、快速而有效率的即時(shí)3D世界?？焖佟⒎奖愕难u作多量的3D物件快速的下載速度(World容量大都在50─100KB)快速的瀏覽速度(使用Viscape)3DWebmaster簡介(一)產(chǎn)品特色：3DWebmaster簡介71(二)標(biāo)準(zhǔn)：3DWebmaster順從許多的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以它能夠在你的其它軟體工作順暢。友善的使用者視窗介面。使用SVR或WRML97儲(chǔ)存3DWORLD。使用最共用的檔案格式─SRV、VCA、SRL、BMP、PCX、GIF、JPEG、TIFF、Targa、WAV。強(qiáng)大的Java介面完全整合在HTML。發(fā)展兩種格式的3D網(wǎng)頁和JavaApplet或者是JavaScript。(二)標(biāo)準(zhǔn)：72(三)容易編輯：整合編輯環(huán)境讓你完全控制你的3D網(wǎng)頁。模板-3DWebmaster已經(jīng)準(zhǔn)傋好一些樣品讓你的World更容易的開始製作。物件庫-從物件庫裡選擇物件，聲音或架構(gòu)，並且將它拖曳到你的World內(nèi)。你所製作的物件可以加入物件庫以便可以重覆使用。加入連結(jié)─藉由簡單的對話框就能讓你在物件加上超連結(jié)的功能，讓參觀者能容易瀏覽你的網(wǎng)站。物件-800個(gè)虛擬圖片、500個(gè)即可使用的架構(gòu)、600個(gè)行為指令?？梢远啻蔚倪€原物件動(dòng)作。插入碰撞-讓W(xué)orld的物件放在適當(dāng)?shù)奈恢?。即時(shí)操作物件-使用滑鼠即時(shí)移動(dòng)、提高及旋轉(zhuǎn)物件。(三)容易編輯：模板-3DWebmaster已經(jīng)準(zhǔn)傋好一73(四)更吸引人的：進(jìn)階的即時(shí)宣告利用透明、霧及陰影就可以立刻製作出漂亮的3D環(huán)境。

平面、圓柱體、球體及即時(shí)操作。

使用滑鼠就可以立刻將架構(gòu)加入到你的物件，然後再做旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等動(dòng)作。

(四)更吸引人的：74(五)更多的彩色光源使用即時(shí)光源計(jì)算和更多更多的彩色光源讓你的3D網(wǎng)站更融入生活