基于虚拟现实技术的地球太空环境仿真 -pg电子娱乐平台

第22卷第12vol.22122010年12systemsimulationdec.,2010（北航大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室，北京100191）要：描述了一种地球太空环境的仿真，采用几何计算构建地球形状模型，将地球划分为128块(经线方向16块和纬线方向8块)，计算得到每块区域顶点坐标，法向量，纹理坐标；使用mipmap技术根据视点与每块区域距离变化选择不同精度纹理粘贴；实时判断该区域的可见性，剔除不可见区域减少绘制开销；并采用cg和normalmap技术将normal图与地球纹理图进行处理，实现地球表面的轮廓凹凸效果，同时添加云层纹理，得到了由地球纹理，云层纹理及normalmap的多层混合纹理，达到比较逼真的效果；另外采用billboard技术和纹理融合技术实现地球大气层光晕效果，使用了lensflare技术实现太阳照射效果，最后采用skybox技术实现星空背景效果。关键词：虚拟现实系统；太空环境仿真；法向量贴图；精度放缩图；公告板；天空盒；透镜光照中图分类号：tp391.9文献标识码：a文章编号：1004-731x(2010)12-2867-05vr-basedearth-spaceenvironmentsimulationwangcheng,daishu-ling(statekeylab.virtualrealitytechnologybeihanguniversity,beijing100083,china)abstract:spaceenvironmentwholeearth128parts,16vertices,normalvectors,texturecoordinatewerecomputedgeometry.differentresolutionstexturewerechosenaccordingdistancefromareapresentedtechniquemipmap.unvisiblepartswereeliminatedparts’visibilityrealtime.usingcg,normalmapmulti-layeredclouds,relativelyvividresultachieved.moreover,billboard,lensflare,skyboxtextureblendingwereusedatmosphere,sunshine,space.keywords:vrsystem;spaceenvironmentsimulation;normalmap;mipmap;billboard;skybox;lensflare自然场景的描述是虚拟现实技术和计算机图形学的研究热点，地球太空环境仿真，很早就被提出并研究，也取得了很多成果。google推出的googleearth，微软推出的virtualearth，worldwidetelescope都是这方面的成果代表。虚拟现实系统必须兼顾实时性和真实感，力争达到既有较逼真的效果又有较高的绘制刷新率[4,5]。本文提出了一种基于虚拟现实技术的地球太空环境仿真系统，采用几何计算来构建地球模型，采用mipmap[8,12]技术选择不同精度纹理粘贴，并且实时判断可见性，剔除不可见区域，以减少绘制开销，提高系统实时性。采用normalmap[11]技术实现地球表面的轮廓凹凸效果，增强系统画面的真实感。另外，使用billboard[6,7]技术实现大气光晕效果，采用lensflare技术实现太阳照射和光圈效果，最后采用skybox[10]技术实现太空星空背景效果，取得较逼真的效果，而且在实时性方面系统也有较高的帧速率。技术基础对于本文中所讨论的仿真系统，涉及到的关键技术主要收稿日期：2008-11-28修回日期：2009-01-04作者简介：王成(1983-)，男，湖北人，博士生，研究方向为虚拟现实技术；戴树岭(1966-)，男，河北人，教授，研究方向为虚拟现实技术及其应用、图形图像技术。包括cg,mipmap,normalmap,billboard,lensflare,skybox1.1cgcg是最早为可编程图形硬件设计的高级编程语言，继承了c语言的语法和语义、非实时着色语言（shadelanguage）以及实时三维图形库opengl和direct3d三大技术的特点。cg程序需要可编程图形硬件(第四代图形处理器）的支持。图形处理器（gpu）主要执行两个操作：顶点操作（vertexoperations）和片元操作（fragmentoperations），cg与二者对应的就是顶点程序(vertexprogram)和片元程序(fragmentprogram)。顶点程序能在gpu中对模型网格中的每个顶点执行某种计算，而片元程序是在gpu中对模型网格的每个片元执行指定计算。cg是基于数据流模型的，渲染三维场景时，每当一个顶点被处理或者光栅化产生一个片元，程序员编写的顶点或片元程序就会被执行。顶点程序总是在片元程序之前运行，并且其输出参数可以直接作为片元程序的输入参数。片元程序对每个片元进行操作并输出操作结果，通常表现为片元的颜色值。cg的出现使得控制使用可编程图形硬件绘制的物体的形状、外观和运动成为可能，并为开发人员提供了一个新的、对图形硬件操作的抽象层，使得程序员不必再直接使用图形硬件汇编语言来进行程序编写。第22卷第12vol.22122010年12dec.,20101.2mipmapmipmap是目前应用最为广泛的纹理映射技术之一。将低一级图像的每边的分辨率取为高一级图像的每边的分辨率的二分之一，而同一级分辨率的纹理组则由红、绿、蓝三个分量的纹理数组组成。由于这一个查找表包含了同一纹理区域在不同分辨率下的纹理颜色值，因此被称为mipmap。mipmap纹理映射在确定屏幕上每一象素内可见的平均纹理颜色时需要计算三个参数，即屏幕象素中心在纹理平面上映射点的坐标和屏幕象素内可见表面在纹理平面上所映射的边长d。在实际处理时，可取d为屏幕象素在纹理屏幕上映射区域的最大边长。1.3normalmapnormalmap是当前最通用的实时bumpmapping技术，该技术最初来源于peercy等人的论文"efficientbumpmappinghardware"。输入纹理是一个normalmap，在其不同的颜色通道中记录了扰动的表面法向量。normalmaps典型地产生于一个高度场，高度值的偏微分可以用于计算扰动表面的坡度，因此也可以用于计算扰动的法向量。法向量的xyz分量可以被编码进纹理的rgb通道来产生最终的normalmap。随着图形绘制技术的提高，新的显卡提供了更加灵活的片元处理功能，允许 normalmap 实现更加先进的像素光照 计算，利用表面法线可以实现各种反射折射以及更复杂的光 线运算。 1.4 billboard billboard 技术，即公告牌技术，在3d 游戏中有着广泛 的应用。它的本质就是用预先做好的几幅位图来代替3d 体，极大地节省资源和提高速度。这种技术最大的优点是快，比如：一个多边形构成的3d 精灵，至少百余个多边形，而 用billboard 技术，只需处理两个多边形，优势不言而喻。 实现该技术的两个关键的步骤： 在合适的地方，朝合适的方向放位置一面“公告牌”。这个公告牌，其实是一个共面四边形，一般使用矩形，要求 该矩形的法向量始终指向观察者的眼睛。 把位图贴到矩形上。贴图的方式有两种：一是用颜色键。如果是调色板表面,需要设置调色板，如果是高彩或 真彩表面，需要逐点设置alpha 信息。二是直接使用alpha。 1.5 lensflare lensflare 是由多种billborad 板组成的集合，用来表现 当强光照射在摄像机可见视场角范围内时在镜头表面呈现 的光学效果。在这些 billborad 中，有的是表现光晕轮环效 果，有的是表现太阳发光的高亮度效果，还有的是暗化太阳 光的。其实现方式与billborad 的实现相同。 1.6 skybox skybox 即天空盒技术，使用一个近乎无限大的立方体 来构造天空。天空盒并没有“弯曲”纹理坐标的能力，而是使 用了标准的uv 坐标映射的方法来处理相应纹理，进而只有 天空盒才能使用立方体纹理（cubic texture）技术来实现天 空的细节。与普通的纹理不同，天空盒所需的bk，on，fr，