VR-05: VR Modeling

第五节课讲了建模，对象的表示方法。

VR-05 VR 建模

1. 几何建模 (Geometric Modeling)

• 对象表面类型:
  • 多边形网格 (Polygonal meshes)
  • 样条曲面 (Splines)
  • 点云数据 (Point based data)
• 对象外观:
  • 照明 (Lighting)
  • 纹理映射 (Texture mapping)

1.1 对象表面类型

三角网格 (Triangular Meshes)

• 优点: 计算效率高。

样条曲面 (Spline-based Surfaces)

• 使用高次函数表示虚拟对象，存储需求低，表面光滑度高。
• 参数样条用点 、、 表示，参数 ，a, b, c 是常数系数。

• 参数曲面是参数样条的扩展，点坐标由 x(s,t)x(s,t)、y(s,t)y(s,t)、z(s,t)z(s,t) 给出，参数为 s=[0…1] 和 t=[0…1]。

  

多边形网格 (Polygonal Meshes)

• 使用OpenGL或建模编辑器（如Maya、AutoCAD）构建。
• 可通过3D数字化仪或3D扫描仪创建。

CAD模型 (CAD-based Models)

• 使用Maya/AutoCAD创建，需转换为VR工具包或游戏引擎兼容格式。

1.2 对象视觉外观 (Object Visual Appearances)

场景照明 (Scene Illumination)

• 局部照明 (Local Illumination): 逐个对象渲染。

  

• 全局照明 (Global Illumination): 考虑场景中所有对象的相互影响，计算需求高。

  

纹理映射 (Texture Mapping)

• 纹理如同模型的贴纸，增加场景真实感，减少多边形数量，提高帧率。

  

• 该过程在图形管线的光栅化阶段进行，允许修改对象模型的表面属性，包括颜色、镜面反射或像素法线。

• 它使用映射函数将对象的参数（或顶点）坐标映射到纹理空间坐标。

• 纹理坐标以 索引的形式指定。

• 优点

  • 纹理有助于增加场景的真实感。
  • 纹理提供更好的三维空间线索。
  • 纹理有助于减少场景中的多边形数量，即提高帧率。

• 制作纹理

  • 它们可以在网上的纹理“库”中找到，这些库包含汽车、人物、建筑材料等。
  • 自定义纹理可以通过扫描照片或使用交互式绘画程序创建位图。

• 图像纹理

  • 图像被映射到一个多边形上。
  • 纹理的大小受到图形加速器的限制，必须是 或 平方。OpenGL 的下限是 像素。
  • 一个纹理单元（texel）是纹理图像中的一个像素。
  • 如果多边形的大小大于纹理的大小，则硬件会进行放大（magnification）。
  • 如果像素少于纹理单元，则硬件会进行缩小（minification）。
  • 这两种技术都使用双线性插值来为像素分配颜色。

多重纹理 (Multi-textures)

• 可以在一个像素上叠加多个纹理单元（texels）。
• 纹理混合级联 (blending cascade) 由一系列纹理阶段组成。

• 可以通过多种纹理产生复杂效果：法线 (Normal) 纹理、反射 (Reflectivity) 纹理、背景 (Background) 纹理、透明 (Transparency) 纹理、凹凸贴图 (Bump maps) … 【UE5下载Texture的时候，经常有这种复杂纹理，需要自己连接材质】

  

  用于凹凸映射的多重纹理：

  • 由于物体表面的不规则性而导致的光照效果通过“凹凸映射”进行模拟。
  • 它将表面不规则性编码为图像纹理。
  • 模型几何形状没有变化。
  • 在几何阶段没有增加计算。
  • 作为每个像素着色操作的一部分执行，属于NSR（NVIDIA着色器光栅化器）。

todo

2. 运动学建模 (Kinematics Modeling)

• 齐次变换矩阵 (Homogeneous Transformation Matrices): 通过4x4矩阵关联两个坐标系。

TA←B=[R3x3P3x10001]T**A←B=[R3x30P3x1001]

• 对象位置/方向: 通过变换矩阵计算对象在世界坐标系中的位置。

3. 物理建模 (Physical Modeling)

• 碰撞检测 (Collision Detection): 使用边界框快速响应，精确检测使用两阶段碰撞检测。

4. 行为建模 (Behavior Modeling)

• 自主性级别 (Levels of Autonomy): 组件的自主性影响虚拟环境的自主性。

5. 模型管理 (Model Management)

• 细节层次 (Level of Detail, LoD): 根据对象与相机的距离选择合适的多边形数量。

5.1 静态LoD管理 (Static LoD Management)

• 使用多个离散模型，根据距离选择合适的模型。

5.2 自适应LoD (Adaptive LoD)

• 根据观察者位置和方向动态调整模型分辨率。

5.3 时间关键渲染 (Time-Critical Rendering)

• 在给定的时间限制内完成渲染，平衡图像质量与渲染成本。