虚拟现实VR Virtual Reality)是一种三维的，由计算机制造的模拟环境里，用户可以操纵机器与机器相互影响，并完全沉浸于其中。虚拟是从计算机的“虚拟记忆”这个概念派生出来的虚拟现实向我们提供了一个与我们现实生活极为相似的虚拟世界。

人类的行动在很大程度上依赖于视觉活动，人们对空间和三维形象的反应要比平面的二维的更强烈，通过VR中所产生的三维形象，我们可以更好地看清样品，更好地了解各方面关系及其发展趋势 虚拟现实向人们展示的空间远远超出了静止图象的范围 这样我们可以 实时操纵并影响眼前出现的现实，以任何角度观察物体，从而把我们带进一个形象化世界。

VR技术是指以仿真方式给用户创造一个反映实体对象变化及相互作用的三维世界，并通过头盔显示器、数据手套和辅助传感设备，提供一个观察并与该虚拟世界交互的三维界面，身临其境和交互作用是虚拟现实的主要特点。

真实感三维物体是VR的基础VR的能力在很大程度上依赖于这个三维物体的逼真性，因 此三维物体的生成是VR系统中一个重要成分。要产生一个逼真三维物体构造三维物体模型是非常重要的。因为一个好的模型可以使我们感觉和自然反应都与正常一样达到沉浸的程度，把现实世界问题被描述在一个以计算机为基础的模型中，然后用计算机得到解答，并将其重新描绘到现实世界中。

1 VR技术对3D图形生成的要求

虚拟现实最重要的特性是人可以在随意变化的交互控制下感受到场景的动态特性。换句话说，虚拟现实系统要求随着人的活动（位置、方向的变化）即时生成相应的图形画面。有两种重要指标衡量用户所沉浸虚拟环境的效果和程度。其一是动态特性，其二是交互延迟特性。自然的动态特性要求每秒生成和显示30帧图形画面，至少不能少于10帧，否则将会产生不连续和跳动感。交互延迟是影响用户感觉的另一个重要指标。对于人产生的交互动作，如飞行模拟时飞行位置、方向的控制、系统的图形生成必须能立即作出反应并产生相应的环境和场景。其间的时间延迟不应大于0.1秒，最多不能大于1/4秒，否则在长期的工作中人会产生疲劳、烦躁甚至恶心的感觉，严重地影响现实的效果。以上两种指标均依赖于系统生成图形的速度。对于动态图形效果而言，每帧图形的生成时间局限于30-50毫秒；而对于交互输入及其处理时间外，图形生成速度亦是重要因素。显而易见，图形生成速度是虚拟现实的重要瓶颈。图形生成的速度主要取决于图形处理的软硬件体系结构，特别是硬件加速器的图形处理能力，以及图形生成所采用的各种加速技术，除此之外，还依赖于应用的因素，虚拟场景的复杂程度和图形生成所需的真实感程度。

2 3D图形几何建模

2.1 几何建模的种类

在VR虚拟环境中物体的几何建模与传统的CAD和动画建模有本质的区别。后者以造型为 主，为了提高逼真度必须增加几何造型的复杂度。而VR的3D图形生成需要兼顾实时性与真实感，故采用了降低造型复杂度与增强纹理显示的方法。它包括：规则物体的几何建模、不规则物体的几何建模以及不规则模糊物体的几何建模 

（1）规则物体的几何建模。一个虚拟环境往往包括许多规则物体，如人、建筑物、铁路、桥梁等。这些规则物体的建模理论已比较成熟，只要选用合适的建模工具加以构造即可，现在的研究关键是模型的简化，LOD层次细节及参数库、模型库构造等。

（2）不规则物体的几何建模。虚拟环境中的自然景物，如云彩、山脉、树木等，呈现出较大的随机性和不规则性难以采用传统的几何建模工具描述，一般采用随机的分形建模方法。如Alain Fournier早已于1993年就采用分形布朗运动构造了复杂的地形；以后Rober Marshall运用随机模型组合基本数据元素构造了树林、灌木、山脉等 Georgios Saka 采用时变分形构造了气体的随机湍流；Gavin Miller 采用了递归分形 生成了复杂地形和天空等。但随机分形技术目前还有以下许多值得探讨的问题：分形建模还依赖于复杂的数学模型，必须研究一种简化的模型；研究如何选择合适的自相似集以及分形维数的最小范围；研究快速的分形生成和绘制算法；研究模糊块状效应的消除等。

（3）不规则模糊物体的几何建模。虚拟环境中还存在一些模糊景物，如火光、烟雾、灰、尘、泥浆等。它们也都是组成起初景物的重要部分。由于其表面具有不光滑性、不确定性、不规则性、甚至运动变化性，目前一般采用粒子系统来描述它。目前的研究成果有William Reeves对烟雾、流水、火花和爆炸等景物的生成显示；Ray Smith 和 Jim Biinn 用粒子系统模拟了星系的生成和死亡；Karl Smith 用粒子系统绘制了瀑布；Forcade Tim设计了GIG3DG0 粒子系统来生成爆炸动画。目前还需讨论的问题很多，如：各种效应的自然形状和变化规律，从中抽象出合适的粒子参数和运动模型；研究粒子系统的快速显示；研究不同细节层次的多级粒子系统。

2.2 物体的几何描述 

物体形状和几何属性的建模是一个巨大、丰富的研究领域。一些方法追求建模的精确性，以便确切地描述现实世界中物体的几何形状；另外一些方法则追求表达的简洁。考虑到描绘速度，多数VR系统通过牺牲细节和精确的方法来达到描述简洁的目的。

最简单的物体是一维的点，其次是二维向量。很多CAD系统在二维视图中生成和交换数据。除了在虚拟世界中的二维平面上进行显示，2D信息对VR系统的用处不大。利用给定的两个或多个二维视图，一些程序能重构物体的三维模型。

下面介绍常用的几何建模方法。建模方法的选择与所选用的描绘方法密切相关，有些描绘器可处理多种类型的模型，但多数只能处理一种，特别是针对VR的描绘器更是如此。模型的复杂程度和描绘速度一般成反比，建模越复杂，细节越多，帧速度就越慢。

2.2.1 三维多边体和多点体 

最简单的3D 物体是多点体（Polypoints,即空间中的点集）和多边体Polylines,即连续矢量的集合。

2.2.2 多边形

VR中最常见的物体形状是基于平面的多边形。多边形是二维的多边封闭图形，分为凸多边形和凹多边形，但一些系统要求凸多边形 使用多边形表示物体时，物体看起来往往由许多小面组成。利用更高级的描绘技巧可以减轻或消除这种感觉。

一些系统使用更简单的三角形或四边形来代替一般多边形。由于所有面的形状都一样，因此描绘过程得到简化，但增加了需要描绘的平面数目。

多边形网状格式（Polygon Mest Formal,或称顶点联合集，Vertex Join Set）是多边形物体常用的表示方式。对于网状方式表示的每个物体，都有若干个公共点缓冲池，被该物体的多边形引用。共享点变换将减少渲染该物体所需的计算量，如立方体的顶点只被处理一次，而不是因为它被3个边或3个多边形引用就处理3次。REND386 所用的PIG格式就是多边形网状格式的一个例子。

这种几何格式可支持多边形和顶点的预先归一化。多边形和顶点都应指定一个颜色属性，不同的渲染器可能使用或者忽略颜色属性或更高级的平面属性。预先对多边形归一化对消隐背面的多边形很有帮助。还可以给顶点指定纹理坐标，以支持纹理或其它图形映射技术。

2.2.3 基本物体

一些系统只提供基本物体，如立方体、圆锥和球体等。有时可使用建模工具对这些物体进行变形处理，从而得到更多的有趣物体

2.2.4 立体建模和布尔运算 

立体建模是利用基本物体进行几何建模的一种形式。它允许基本物体之间进行加、减、布尔和其它运算，从而扩展了建模的概念。这在关心物理计算的情况下对物体建模时很有用。然而，这种方法也导致了很可观的计算量，因而在VR应用中不是很有价值。可行的解决方法是把CSG 模型转换为多边形模型，一个CSG型的高分辨率元物体可生成许多复杂的多边形物体。

3 一个 3D 图形实时生成系统

在深入研究3D真实感图形实时性生成和显示的理论与技术的基础上，设计一个VR中3D图形生成系统，其逻辑框图如图1所示。