三维视觉建模技术

就像建房子一样，我们在建造一个虚拟世界时，需要先设计并建造房子的主体建筑，因此，大至房屋结构，小至门窗造型，都需要进行仔细考虑并加以实现。人获取信息的能力主要依靠视觉，因此，一个虚拟环境的三维视觉建模是整个虚拟现实系统的基础，其真实感不仅取决于环境中各个物体的外形，而且取决于物体的物理属性是否符合用户的经验认知。

三维视觉建模可分为几何建模、物理建模、行为建模等。几何建模是基于几何信息来描述物体模型的建模方式，即通过计算机建模，使虚拟世界中的物体外形尽可能符合设计者的需要；物理建模涉及物体的物理属性，例如，将雨雪等微小物体描述为粒子，房屋等坚固的建筑看作刚体等；行为建模反映物体的物理本质及其内在的工作机理，例如，为物体添加重力，有生命的物体能够自主运动等。

1.几何建模

几何建模是虚拟现实建模技术的基础，其研究对象主要是物体几何信息的表示与处理。几何建模不是简单的物体造型，它涉及表示几何信息的数据结构、相关的构造与操纵该数据结构的算法。构造虚拟世界中的物体时，通常需要完成物体形状和外观两个方面的设计，物体的形状由所构造物体的各个多边形、三角形和顶点来确定；物体的外观则由表面纹理、颜色、光照系数等确定。评价一个虚拟环境建模技术的水平主要有三个常用指标：交互式显示能力、交互式操纵能力和易于构造能力。另外，模型还必须具备快速显示和构造能力。

几何建模可进一步划分为层次建模和属主建模。

①层次建模是利用树形结构来表示物体的各个组成部分，因此，较高层次构件的运动势必改变较低层次构件的空间位置。例如，挥动手臂时，肩关节的转动势必带动大臂的转动，大臂的转动带动肘关节运动，从而影响到小臂和手腕的位置，因此，在设计中可将肩关节作为较高层次构件，而将手指作为较低层次构件。这种设计常用于描述具有相互联系的物体之间的运动继承关系。

②属主建模让同一种对象拥有同一个属主，该属主包含了该类对象的详细结构，当要建立某个属主的一个实例时，只要复制指向该属主的指针即可。每一个对象实例是一个独立的节点，拥有自己独立的方位变换矩阵。在进行相似物体建模时，通常采用这类方法。以汽车车轮为例，四个车轮拥有相同的结构，因此可以建立一个车轮的属主模型，需要生成新的车轮实例时，只需创建一个指向车轮属主的指针即可。这种方法常用于具有相同结构且反复出现的物体建模，优点是简单高效、易于修改、一致性好。

2.物理建模

物理建模指设计虚拟物体时需要考虑对象的物理属性，这些物理属性包括质量、重量、惯性、表面纹理（光滑或粗糙）、硬度、形状改变模式（弹性或可塑性）等特征，这些特征与几何建模和行为规则结合起来，形成更真实的虚拟物理模型。

典型的物理建模技术有分形技术和粒子系统。分形技术通过简单结构的随机重复，构建复杂的不规则物体，它在虚拟现实中一般用于静态远景的建模；粒子系统包含粒子的位置、速度、颜色和生命期等属性，常用于火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等动态的、运动的物体建模。

3.行为建模

几何建模与物理建模结合，可以部分实现虚拟世界中“看起来真实、动起来真实”的特征，而要构建一个逼真的虚拟世界，还需进行行为建模。行为建模负责描述物体的运动和行为，即虚拟世界中物体为什么要动以及运动的规则。在进行三维建模时，需要赋予物体行为和反应，才能构筑一个富有生命力的虚拟环境。虚拟现实本质上是客观世界的仿真或折射，而客观世界的物体或对象除了具有表观特征（如外形、质感）以外，还具有一定的行为或能力，并且服从一定的客观规律。例如，把桌面上的物体移出桌面，该物体不应悬浮在空，而应当做自由落体运动，这是因为物体不仅具有一定外形，而且具有一定质量并受到地心引力的作用。另外，对于有生命的物体，该模型还应该具有活动的自主性。行为建模就是在创建模型的同时，不仅赋予模型外形、质感等表观特征，而且还赋予模型物理属性和“与生俱来”的行为与反应能力，并且使其服从一定的客观规律。