用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界；让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。

虚拟现实是计算机与用户之间的一种理想化的人-机界面形式。通常用户戴一个头盔（用来显示立体图象的头式显示器），手持传感手套，仿佛置身于一个幻觉世界中，在虚拟环境中漫游，并允许操作其中的“物体”。 

2、虚拟现实的特征

与传统计算机相比，虚拟现实系统具有四个重要特征：临界性，交互性，想象性，多感知性

3、虚拟现实系统的构成：a.虚拟世界（包含三维模型或环境定义的数据库） b.虚拟现实软件（提供实现观察和参与虚拟世界的能力） c.计算机 d.输入设别（观察和构造虚拟世界；如三维鼠标，数据手套，定义等） e.输出设备（现实虚拟世界；如显示器，头盔等）

4、虚拟现实系统的类型

桌面虚拟现实系统，沉浸式虚拟现实系统，混合虚拟现实系统

5、虚拟现实的硬件设备

跟踪系统（把使用者身体位置的变动反馈给主机，以实时改变图像和声音）    

知觉系统（人及交互的各种界面，包括视觉装置：头盔显示器等； 

触觉装置:数据手套跟踪球等）   

音频系统：立体声耳机等

图像生成和现实系统：产生视觉图象和立体显示

6、虚拟现实有哪些软件

   VR系统开发工具：能够接受各种高性能传感器的信息，如头盔的跟踪信息；能生成立体显示图行；能把各种数据库，各种CAD软件进行调用和互联

3DSMax：三维制作软件

Maya：三维动画以及虚拟现实制作软件

Multigen Creator，实时三维模型创建软件

7、眼睛的作用、视觉暂留和临界融合频率的概念

   眼睛的作用：调节和聚焦，明暗适应，视觉暂留，立体视觉，视场

视觉暂留：视觉暂留是视网膜的电化学县乡造成视觉的反应时间。当观看很短的光脉冲时，视杆细胞得到越0.25s的峰，视椎细胞快4倍（0.04s）。这种现象造成视觉暂留。

临界融合频率：临界融合频率（CFF）效果会产生把离散图像序列组合成连续视觉的能力，CFF最低20Hz，冰取决于图像尺寸和亮度。英国电视场频50Hz，美国电视场频60Hz。电影帧频24Hz。眼对闪烁的敏感正比于亮度，所以若白天的图像更新率为60Hz，则夜间只要30Hz。

8、什么叫LOD？

LOD基本思想：①对场景中的不同物体或物体的不同部分，采用不同的细节描述方法；②在会只是，如果同一个物体离视点比较远，或物体比较小，则用较粗的LOD模型；③反之，如果一个物体离视点比较近，或物体比较大，则必须用较精细的LOD模型绘制；④运动的物体，对运动速度快或处于运动中的物体，采用较粗的LOD，对静止的物体，采用较细的LOD。

LOD作用：①对物体定义具有多种细节水平的几何表示；②用户根据实际需要选择相应精细程度的模型，使实时绘制场景成为可能；③有效地控制场景复杂度；④加速图形绘制速度。

LOD方法的应用：①虚拟现实，②交互式可视化，③飞行模拟、3D动画、交互式仿真等。

9、碰撞检测技术

在虚拟环境中，由于用户的交互和物体的运动，物体间经常可能发生碰撞，此时为了保持环境的真实性，需要即时检测这些碰撞，并计算相应的碰撞反应，更新绘制结果，否则，物体间会出现穿透现象，破获虚拟环境的真实感和用户的沉浸感；

碰撞检测：检测到有碰撞，计算出碰撞发生的位置，检测物体间的距离，检测下一次碰撞将在何时发生。

10、虚拟现实的应用领域和发展方向

虚拟现实的应用领域主要包括（1）地学应用；包括数字城市建设、城市规划、虚拟旅游、虚拟考古等（2）科学研究和科学计算可视化（3）教育培训（4）军事模拟训练（5）工程应用（6）医学领域应用（7）娱乐领域应用

目前虚拟现实技术处于多元化的发展趋势，一方面虚拟现实技术借助于计算机技术、网络技术、摄影技术、等的发展而高速发展，出现了分布式虚拟现实系统、CAD Wall、VR Center、

CAVE、IDesk等新技术。另一方面，虚拟现实技术与专业技术相融合又产生了数字地球研究、虚拟规划设计、虚拟现实机械装配、虚拟考古、虚拟手术、虚拟驾驶、虚拟管线设计、虚拟军事对抗等领域的应用，使得虚拟现实技术成为一种崭新的技术手段而得到广泛的应用。

1、地形三维显示中的数据类型

用于地形三维显示的数据按其数据结构类型可分为：矢量型和栅格型两大类

   矢量型数据主要包括:等高线矢量数据（平面数据带高程属性）；地形特征点、线矢量数据；各类地形要素的矢量数据（如居民地、河流、道路等）

  栅格型数据主要包括：数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）；纹理图像数据。

  说明：

（1）数字高程模型DEM一般有网格型（Grid）和不规则三角形网格（Tin）两种类型。一般Grid型DEM更常用一些，具有结构简单，容易获取等特点；

（2）纹理图像有多种类型，常见的用于地形三维可视化的纹理图像有：经扫描后获得的地形图图像数据（也叫像素地形图）、各种数字遥感图像或其他植被纹理图像。

（3）矢量数据一般由点数、属性以及坐标串所组成，一般可分为点、线、面三大类。而其中等高线以及地形特征点、线矢量数据是用于生成DEM数据的。DEM是地形三维显示中最重要的数据，它的精度、质量直接影响到以后生成地形三维图的质量. 

2、DEM的概念、三种主要获取DEM的方法及优缺点比较、另外三种获取DEM的方法的原理及优缺点

   EM的概念、三种主要获取DEM的方法及优缺点比较、另外三种获取DEM的方法的原理及优缺点

DEM（Digital Elevation Models数字高程模型）：是国家空间数据的重要组成部分，表示地形区域内三维向量的有限序列，即地面高程集合。

DEM数据的获取主要有三种方法：

（1）野外实地直接测量得到；该方法适用于大比例尺、精度要求高、采集面积范围较小的DEM数据获取。该方法的优点是可以获取高精度的DEM数据。其缺点是劳动强度较大、效率较低，仅适用于小范围面积内作业。

（2）利用摄影测量方法获取；适用于大范围区域测量，成像效率高。该方法的缺点是数据源（立体像对）获取的成本较高、采集作业要求具备专业的仪器设备（主要是解析测图仪或数字摄影测量系统）和训练有素的摄影测量专业技术人员。

（3）从地形图中采集。所需的原始数据源（地图）容易获取，对采集作业所需的仪器设备和作业人员的要求不太高，采集速度也比较快，易于进行大批量作业。精度较低。其它获取DEM方法：

用航天遥感立体像对获取DEM.

INSAR(干涉合成孔径雷达）获取DEM.

激光扫描测高仪等

3、坐标转换流程

观察变化

模型坐标         模型变换       世界坐标           观察坐标

    投影变换

              工作站变换               规范化变化

设备坐标    规范化坐标    投影坐标系

1、地形三维显示的基本过程：

（1）数据准备：获取地形三维可视化所需的各类地形数据 

（2）DEM递归细分：将DEM细分成子网格，再进一步细分为三角形面素，以便下一步绘制处理。

（3）透视投影变换：建立地面点（DEM结点）与三维图像点间的透视关系，由视面、视角、三维图形大小等参数确定。  

（4）光照模型：建立一种能逼真反映地形表面明暗、颜色充化的数学模型，逐点计算每像素的颜色和灰度。 

（5）消隐和裁剪：消去（或不显示）三维图形的可视部分，裁剪掉三维图形尺寸范围之外的部分。 

（6）图形绘制和存贮：依各种相应算法（如模拟灰度、分形几何、纹理映射等）绘制并显示各种类型的三维地形图，并以标准图像文件格式（如PCX，TIFF，BMP等）存贮。 

（7）三维图形的后处理：在三维透视图上添加各种地物符号、注记等，进行颜色、亮度、对比度等处理。 

（8）基于三维地形图的分析：在三维地形图上依据有关参数、数据库或数据文件以及有关算法，进行空间信息查询或地形分析。  

2、投影转换的数学模型公式

DEM中任一点M在地面坐标系OT－XTYTZT，a中的坐标为（Xm,Ym，Zm），它在投影平面P上的像点为m，则m点在投影坐标系O－xy中的坐标（xm,ym）由下式计算求出：

(XT,YT,ZT)是视点S在地面坐标系O-XYZ中的坐标；

α是投影平面与地面坐标系的平面间的夹角；

θ是地面坐标系的XT轴与投影坐标系的X轴之间的夹角。

3、几种常用的消隐算法

 消隐处理曾经是计算机三维图形绘制中的重点研究难题，现在已有多种成熟而有效的算法。   具有代表性的三种算法是：

  （1）画家算法（优先度法）；

   先将屏幕置为背景色，然后将物体的各个面距视点远近排序，按由远及近的顺序逐投影到屏幕上，显示多边形所包含的实心区域。由于后显示的区域将覆盖以前的区域，从而达到自然消隐的目的。

    画家算法简单，容易实现。缺点是只能处理不相交的区域，且深度优先级表中面的顺序可能出错。

  （2）Z—buffer（深度缓冲器）法；

Z—buffer算法采用缓冲区记录每个像素的深度值，保证每个像素都具有最大的深度值。算法对面出现的先后没有要求，实现上比总统排序灵活，简单，有利于硬件实现。但需要增加额外的缓存。

4、光照模型的概念及影响因素

   所谓光照模型，是根据光学物理的有关定律计算画面上景物表面各点投影到观察者眼中光亮度和色彩组成的公式。

   对于地形立体图的绘制而言，一个好的光照模型应该满足以下要求：

    （1）能产生较好的立体视觉效果；

    （2）在理论上具有一定的合理性或严密性；

    （3）较小的计算量，以保证较快的绘制速度；

   对于自然景物中的地形表面，光照模型可考虑到以下几项影响：（1）光源的位置；（2）光源的强度；（3）视点的位置；（4）地面的漫反射光；（5）地面对光的反射和吸收特性。

1、分形理论的概念

   分形（Fractal）理论是非线性科学中的一个活跃的数学分支，其研究对象是在非线性系统中产生的不光滑河不可为的几何形体，对应的定量参数是分形维数。

2、分形维数的概念、作用

   在非线性系统科学中产生的不光滑和不可微的几何形状，对应的定量参数就是分形维数。

   分形维数可以用来模拟生成自然景物中许多不规则的物体和表面（如云，山体表面，树木，草地，烟火），它与传统的可视化的比较主要有：精准，复杂程度，效率，比较简单等特点。

3、分形集的特征：

（1）精细的结构，具有任意小尺度下的细节；

（2）分型基因太不规则而不能用传统的几何语言来描述；

（3）某种自相似性，可能是近似的自相似或统计上的自相似；

（4）其分形维数常大于其拓扑维数；

（5）在多数情况下可递归的定义。

利用分形理论中的随机分维函数模型，来模拟生成自然景物中许多不规则物体和表面（如云，山体表面，数目，草地，烟火等），已获得了极大的成功

1、纹理映射的基本思路、优点

基本思想是：选择或找到该目标地区的地形纹理图，根据各种图像间的映射关系，从而将纹理图像按规定要求贴到三维地形图表面，使所生成的三维地形图即有立体感又有真实性。

纹理映射的优点是：由它产生的图像具有立体感和真实感，信息丰富，现势性强的三维影像实景图。

2、直接绘制法流程

基于地形要素矢量数据的三维图就是充分利用已获得的各类地形矢量要素，将其栅格化和符号化处理，再结合三维地形图绘制的基本算法，生成以模拟灰度或颜色为背景，叠加各种地形要素（包括等高线、居民地、河流、道路、文字注记等）的地形矢量要素三维图。主要的生成方法是：纹理映射法，直接绘制法。

直接绘制法是依据地形适量的数据结构，在绘制完成模拟灰度模拟地形图之后，在逐一对地形矢量数据进行处理，经过坐标投影变换消隐，取色，绘制等一系列过程，将各矢量要素的相应的符号绘制在背景三维图上，形成地形矢量要素三维图。

流程：读入地物的矢量数据------逐点获得平面坐标------从DEM内插出Z-----透视变换-----判断是否可见，如果可见，则按地物和颜色属性选择符号，在绘制和输出；如果不可见，按光照模型计算灰度，然后绘制和输出

3、纹理库的作用、获取方法、建立方法

为了保证地形三维可视化软件系统的广泛适用性和较好的逼真效果，就必修建立一个纹理库，以存储和管理各种地貌纹理图像。

获取的方法：1、从专业摄影图片中获取； 

2、实地摄影获取纹理图象； 

3、从航天、航空遥感图象中获取纹理； 

4、直接以该地区的地形图或其它专题图经扫描得到的数字图象（像素图）作为纹理图象；

5、将该地区的矢量数据与地貌纹理图象复合，生成纹理图象。

建立方法：1、纹理的分类 

2、纹理图象的存放和检索方法

3、纹理图象的压缩 

4、纹理图象的处理的相应软件包  

1、遥感影像的基本思路、优点

①在获取区域内的地形数据的基础上，在数字化航摄图像上按一定的点位分布要求选取一定数量的明显特征点，测量其向坐标的精确值以及在地面的精确位置，据此安航摄像片的成像原理和有关公式确定纹理图像与相应地面之间的映射关系，解算出变换参数。同时利用生成三维地形图的透视变换原理，确定纹理图像与地形立体图之间的映射关系。②优点：大面积同步观测，时效性，数据综合性和可比性，经济性，局限性。

2、空间后方变换和直接线性变换的概念、公式、优点、参数求解要求

直接线性变换是一种直接描述遥感图象与地面相应坐标之间透视关系的解析表达式。他包含11个参数，含有对影象坐标的线性误差改正的作用，稳定性强。

公式是：

x=Sx/Sz

y=Sy/Sz

其中：Sx=L1X+L2Y+L3Z+L4

Sy=L5X+L6Y+L7Z+L8

Sz=L9X+L10Y+L11Z+1

(x，y)为遥感图像上冷一点的想坐标，(X，Y，Z)为该点的地面坐标；L1L2L3.....L11为11个变换参数。

空间后方交会是通过定义遥感图像曾相识传感器的内、外部姿态参数来描述这种中心投影关系的，公式为：

x=x0-f*F’x/F’z

y=y0-f*F’y/F’z

其中：F’x=a1(X-X1)+b1(Y-Y1)+c1(Z-Z1)

      F’y=a2(X-X2) +b2(Y-Y2)+c2(Z-Z2)

      F’z=a3(X-X3) +b3(Y-Y3)+c3(Z-Z3)

(x0，y0，-f)、(ai、bi、ci，i=1、2、3。  a2、a3、b3是三个的方向余弦)、(XYZ) 

3、如何景确定物空间与纹理空间的映射关系

   遥感数字图像中的高精度点定位是完成遥感图像的纹理映射算法的基础。它也是计算机视觉、数字摄影测量学不可缺少的组成部分。我们总是选取遥感图像中具有明显特征的点作为待求的目标点或者标志点（Targets），以确定二者之间的映射关系。

4、基于SPOT和SAR图像的三维影像图制作的特点及x、y特征

SPOT卫星自1986年发射以来，以其特殊的立体观察功能和稳定的几何结构及较高的影像分辨率，引起了世界各地用户的关注。利用SPOT图像进行三维立体图制作，具有重要意义。

星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar ——SAR）是有源辐射的主动式高分辨力微波成像系统，具有全天候、全天时、侧视力强、能穿透云雾等独特优点，是目前遥感领域最具   有发展潜力的技术之一。

SPOT影像构像方程为：  

式中：xi是像点坐标，yi恒为0；f为等效主距；X、Y、Z为地面点i的地面坐标；Xsi、Ysi、Zsi是地面点i所对应的第i行构像的投影中心的地面坐标；

     任意时刻的外方位元素可表达为时间或图像上y坐标的线形函数。为克服解求外方位元素时的强相关，可采用线、角元素分开迭代或合并相关项的平差方法。

SAR遥感图像是地面（海面）的距离投影，成像轨迹是以空中雷达站为中心，雷达至地面斜距为半径的圆弧线。以等效共线方程的形式表达斜距显示像点与地面点的关系，可得SAR斜距投影公式如下

其中：xslˊ，yslˊ为斜距投影的像点坐标；Xi，Yi，Zi为地面点在空间直角坐标系中坐标；fx，fy为等效焦距；Xsj，Ysj，Zsj为天线几何中心在j时刻的位置；a1j，a2j，a3j，b1j，b2j，b3j，c1j，c2j，c3j为第j行传感器之方向余弦;ΔX, ΔY为地面点在数据规化面投影点的坐标改正量 

5、重采样的方法

（1）最临近象元法（2）双线性内插（3）双三次样条函数（4）拉格朗日多项式

第七章

1、三维地形图实现可测量的两种方法及应用

在三维地形图上实现可量测性，可考虑二种途径，其一是基于数据文件来实现查询空间的功能；其二是基于投影变换关系的求交计算，计算出三维地形图上相应的地面点空间位置。

应用：

1、DEM的粗差检测与修正

2、在地物符号叠加中的应用

3、在地形矢量要素叠加中的应用

4、在军事地形定量分析中的运用

5、基于地形数据和立体图的空间查询功能，还可以进行坦克的模拟驾驶、巡航导弹制导过程的摸拟飞行显示、交通线路设计上道路的选向与挖土高量计算、洪水淹没地区的显示等。下载本文