【说明】<br /> 虚拟现实系统是图形图像领域的高新技术，利用计算机模拟产生一个三维..

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第3题

知识点：图形观察事物虚拟现实

【说明】
虚拟现实系统是图形图像领域的高新技术，利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。

问题：3.1 (3分)
在虚拟现实系统中，虚拟世界生成设备应包括哪些主要功能?

问题：3.2 (3分)
在虚拟现实系统中，对触觉反馈设备和力学反馈设备的要求是什么?

问题：3.3 (5分)
头戴式显示器是虚拟现实系统中普遍采用的一种立体显示设备。请问:头戴式显示器是如何让佩戴者看到具有立体视觉的虚拟事物的?

问题：3.4 (6分)
虚拟现实的本质是客观世界的仿直或折射。虚拟现实中的模型是客观世界物体或对象的代表，应具有自主性，并服从一定的客观规律。
(1)虚拟环境的建模是虚拟现实系统建立的基础。请列举出四个虚拟环境视觉建模种类。
(2)在虚拟环境中，把手中的苹果向上抛出，苹果应当向上做减速运动，再向下做自由落体运动，跌落到地面后，碎裂或滚动，并发出声响。
请问:对上述过程进行的建模属于哪一种虚拟环境视觉建模技术?

问题：3.5 (3分)
在虚拟现实系统中，虚拟场景往往包含大量的多边形，并且要求进行实时的三维绘制。为了提高虚拟现实的逼真度，加强真实性，绘制时常采用哪三种方法?


知识点讲解
· 图形 · 观察 · 事物 · 虚拟现实

图形

表示与存储

图形是指能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象，它包括人眼观察到的自然景物、拍摄到的图片、绘图工具得到的工程图、用数学方法描述的图像等。图形是客观对象的一种抽象表示，它带有形状和颜色信息。构成图形的要素有几何要素（刻画对象轮廓形状的点、线、面、体等）和非几何要素（刻画对象表面属性或材质的颜色、灰度等）。图形可用形状参数和属性参数表示，即参数表示法；也可用带有灰度或色彩的点阵图表示，简称像素图、图像（数字图像），即点阵表示法。

图形是计算机图形学（Computer Graphics, CG）研究的对象。ISO给计算机图形学的定义为：研究用计算机进行数据和图形之间相互转换的方法和技术。还有定义为：计算机图形学是运用计算机描述、输入、表示、存储、处理（检索／变换／图形运算）、显示、输出图形的一门学科。计算机图形技术主要研究如何在计算机中表示图形，以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理和算法，其核心是将客观世界对象以图形的形式在计算机内表示出来，主要包括模型生成和图形显示，如下图所示。模型生成是获取、存储和管理客观世界物体的计算机模型，以在计算机上建立客观世界的模拟环境。图形显示是生成、处理和操纵客观世界物体模型的可视化结果，以在输出设备上呈现客观世界物体的图像。

计算机图形生成模型

计算机图形技术所涉及的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、风格化绘制、科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。

图形的文件格式

① TIF。

TIF格式是平面设计中最常用的一种图形格式，因为其属于跨平台的格式，而且支持CMYK色，所以经常被用于印刷输出的场合。此外还有一个特色就是其支持LZW压缩，即不失真压缩，也就是说不管如何压缩，图档的品质都还能保持原来的水准。

②TGA。

TGA图形格式的最大特点就是可以制作出不规则形状的图档，一般图档都为四方形，若需要圆形、菱形甚至镂空的图档时，TGA格式可能就会派上用场了。TGA格式同样支持压缩，也属于不失真压缩。

③ PSD。

PSD格式是Photoshop专用的图形文件格式，该格式包含图形中的色层、遮罩、色频、选取区等Photoshop可以处理的属性，这样全方位的存储如果运用得当，几乎可以将创作的过程完整地记录，以便日后的修改。

④UFO。

UFO格式是另一个著名制图软件Ulead Photoimapct的专用图形格式，其是致力于追赶Adobe的有力科技，同样也发展出了与PSD格式类似的图档格式，能够完整记录所有处理过的属性，不过在记录原理上却有些不同，UFO以物件代替图层，这一点并无大碍，因为Photoimapct与Photoshop本身就有很多的不同之处。

⑤RIF。

RIF是著名制图软件Painter的专用图形格式，处理方式和前面两种大同小异，都可以存储相当多的属性资料。另外，Painter可以打开PSD文件，而且经过Painter处理的PSD文件可以在Photoshop中通用，这样就可以使同一文件在Photoshop和Painter中交换使用了。

⑥ CDR。

CDR是著名制图软件CorelDRAW的专用图形格式，由于CorelDRAW是向量软件，所以CDR可以记录的资料可以说是千奇百怪，各物件的属性、位置、分页通通可以存储，以便日后修改。在兼容度上，目前基本没有其他软件可以打开CDR文件，这是向量软件的通病。

⑦EPS。

EPS是印刷时经常用到的格式，向量图可以转换成EPS格式，点阵图也可以转成EPS格式。EPS文件可以同时存储点阵以及向量，故专门用于印前操作，如排版等，所以一般在印刷时都使用EPS文件。

图形处理技术

图形处理技术的范围很广，这里以真实感图形绘制和非真实感图形绘制为例简单介绍图形处理技术。

真实感图形绘制是指借助数学、物理、计算机等学科知识使用计算机生成三维场景中真实逼真的图形、图像的过程。真实感图像绘制主要包括两个方面：表面特性的精确表示和场景中光照效果的物理描述。真实感图形绘制的应用非常广泛，例如计算机动画制作、影视特效仿真、计算机游戏、多媒体教育和虚拟现实等。真实感图形绘制所涉及的技术主要有消隐技术、表面细节绘制技术、纹理贴图技术、高级光照与着色技术等。

非真实感图形绘制是指利用计算机生成不具有照片般真实感而具有手绘风格的图形的技术，其目标不在于表现图形的真实性，而是在于表现图形的艺术特质、模拟艺术作品（甚至包括作品中的缺陷）或作为真实感图形的有效补充。非真实感图形绘制的应用领域也非常广泛，其中一个重要的应用领域就是对绘画进行模拟，主要模拟的画种有油画、水彩画、钢笔画、铅笔画、水墨画和卡通动画。非真实感图形绘制所涉及的技术主要有基于像素的绘制，基于线条、曲线和笔画的绘制，模拟绘画绘制等。

如下图所示，树和天空是采用真实感图形绘制技术绘制出来的，国画是采用非真实感图形绘制技术绘制出来的。

真实感图形绘制和非真实感图形绘制

观察

观察是指直接察看个人在各自的环境中如何执行工作（或任务）和实施流程。当产品使用者难以或不愿清晰说明他们的需求时，就更需要通过观察来了解他们的工作细节。观察，也称为“工作跟踪”，通常由观察者从外部来观看业务专家如何执行工作。也可以由“参与观察者”来观察，他通过实际执行一个流程或程序，来体验该流程或程序是如何实施的，以便挖掘出隐藏的需求。

事物

UML中有4种事物：结构事物、行为事物、分组事物和注释事物。

（1）结构事物（structural thing）。

结构事物是UML模型中的名词。它们通常是模型的静态部分，描述概念或物理元素。UML有7种结构事物：类（class）、接口（interface）、协作（collaboration）、用例（use case）、主动类（active class）、构件（component）和节点（node）。结构事物的图形表示如下图所示。

结构事物的图形表示

类是描述具有相同属性、方法、关系和语义对象的集合，一个类实现一个或多个接口。接口是指类或构件提供特定服务的一组操作的集合，接口描述了类或构件的对外可见的动作。协作定义了交互的操作，使一些角色和其他事物一起工作，提供一些合作的动作。用例是描述一系列的动作，产生有价值的结果。在模型中用例通常用来组织行为事物。用例是通过协作来实现的。主动类的对象有一个或多个进程或线程。构件是物理上或可替换的部分，它实现了一个接口的集合。节点是一个元素，它在运行时存在，代表一个可计算的资源，通常占用一些内存和具有处理能力。一个构件集合一般来说位于一个节点，但有可能从一个节点转到另一个节点。

（2）行为事物（behavior thing）。

行为事物是UML模型的动态部分。它们是模型中的动词，描述了跨越时间和空间的行为。共有两类主要的行为事物：交互（interaction）和状态机（state machine）。

交互由在特定语境中共同完成一定任务的一组对象之间交换的消息组成。一个对象群体的行为或单个操作的行为可以用一个交互来描述。交互涉及一些其他元素，包括消息、动作序列（由一个消息所引起的行为）和链（对象间的连接）。在图形上，把一个消息表示为一条有向直线，通常在表示消息的线段上标注操作名，如下图（a）所示。

消息与状态表示

状态机描述了一个对象或一个交互在生命期内响应事件所经历的状态序列。单个类或一组类之间协作的行为可以用状态机来描述。一个状态机涉及一些其他元素，包括状态、转换（从一个状态到另一个状态的流）、事件（触发转换的事物）和活动（对一个转换的响应）。在图形上，把状态表示为一个圆角矩形，通常在圆角矩形中含有状态的名称及其子状态，如上图（b）所示。

（3）分组事物（grouping thing）。

分组事物是UML模型的组织部分。它们是一些由模型分解成的“盒子”。在所有的分组事物中，最主要的分组事物是包（package）。包是把元素组织成组的机制，这种机制具有多种用图。结构事物、行为事物甚至其他分组事物都可以放进包内。包与构件（仅在运行时存在）不同，它纯粹是概念上的（即它仅在开发时存在）。包的图形化表示如下图所示。

包

（4）注释事物（annotational thing）。

注释事物是UML模型的解释部分。这些注释事物用来描述、说明和标注模型的任何元素。注解（note）是一种主要的注释事物。注解是一个依附于一个元素或者一组元素之上，对它进行约束或解释的简单符号。注解的图形化表示如下图所示。

注解

虚拟现实

虚拟现实的概念

1）虚拟现实的定义

虚拟现实是一门综合技术，它是指以计算机技术为主，综合利用计算机三维图形技术、模拟技术、传感技术、人机界面技术、显示技术、伺服技术等，来生成一个逼真的三维视觉、触觉及嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自身的功能和一些设备，对所产生的虚拟世界这一客体进行浏览和交互式考察。

2）虚拟现实的特点

虚拟现实有三大特点，即沉浸感、交互性和构想性。由于三者的英文名称均以字母I打头，又被称为3I特性。

（1）沉浸感。沉浸感指的是人沉浸在虚拟环境中，具有和在真实环境中一样的感觉。

（2）交互性。交互性指在虚拟环境中体验者不是被动地感受，而是可以通过自己的动作改变感受的内容。

（3）构想性。构想性指虚拟的环境是人构想出来的，因而可以用以实现一定目标的用途。

VRML概述

按照Web3D协会的定义，VRML（Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实造型语言）是一种用于在Internet上构筑三维多媒体和共享虚拟世界的开放式语言标准。

VRML的基本目标是建立因特网上的交互式多媒体，基本特征有分布式、三维、交互性、多媒体集成和境界逼真性等。

目前因特网上有很多VRML站点，在浏览VRML站点前，要给浏览器安装VRML插件，常见的插件有CosmoPlayer、Cortona等。

VRML的应用

VRML技术的应用极为广泛，目前在娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流，其次是军事与航空应用、医学应用、机器人应用、商业应用，另外在可视化计算、制造业等方面也有相当比例的应用。

1）远程教育

国内外一些高等院校已经利用VRML成功地开发了基于虚拟现实技术的远程教育中心。它虚拟出真实的校园环境，让用户可以进行诸如提问、考试、实时教学和交流等，实现远程教育的各项功能。

2）商业应用

VRML在商业方面主要应用于商品展示，能够让顾客更好地感受感兴趣的商品。

3）网络娱乐

网络娱乐是VRML的一个重要应用领域，它能提供良好的交互功能、更加逼真的虚拟环境，给人们带来美好的娱乐感觉。

目前，VRML正朝着实时通信、大规模用户交互的方向发展。

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	第3题在手机中做本题