时间：2023-09-20 16:58:39
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇计算机图形学关键技术，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
1.1计算机图形学
计算机图形学英文名字ComputerGraphics，简称CG，是数字媒体技术理论中最重要的代表之一，它是一种能够使用数学算法进行图形转化的科学，主要目的是利用计算机产生真是图形感受。计算机图形学在企业中的作用表现在它是掌握二维和三维图形在计算机中的表现和运算，是一种能够将图像显示和处理的相关算法。CG的内容研究是十分广泛的，包括光栅图形生成算法，真实、非真实感绘制，以及科学计算可视化、虚拟现实等操作，这需要在软件开发中不断的研究和琢磨。在国外，计算机图形学已经是一个重要的科技领域，通过对图形的研究创造了巨大的经济效益。我国的数字媒体也起步虽晚，但发展前景是十分广阔的，大多数高校软件工程专业已将CG作为入门级课程进行教学，从企业的人才需求出发，大力发扬了数字传媒在企业中的作用，使得企业的各项信息以更加贴切，更加逼真的方式表现出来。
1.2动画设计与动画技术
计算机动画技术也是数字媒体发展的一个重要方向，是动画企业在软件开发中的重要表现。随着动画技术应用的领域越来越广，其带来的经济效益也是随着增长。尤其是在近几年，我国计算机动画已经在游戏、动漫等领域有了突出表现，MAYA、3DSMAX等知名软件公司更是在动画技术制作上有着不小造诣。根据对市场的观察，我们发现掌握2D与3D动画技术是当下最为重要的，懂得此技能的人才可以说非常抢手。
2数字传媒在企业中的应用目标
数字传媒在企业中的应用目标主要表现在对数字传媒设计、网页设计和维护等方面，开展高校教学计划和设计实施的前提，同样也是确定组织学习形式和选择知识发展的方向，更关系着高校学习内容、管理、方法、评价等多个方面体系的设定，是一切学习活动开展的基础保障。软件工程专业数字媒体方具备软件工程与数字媒体的共性和个性，要求相关人才拥有软件开发、应用能力、实践能力三方面要求。因此在软件工程专业数字媒体方向人才培养上，应该以学习理论基础、培养创新能力培养为主，以独立从事新媒体应用为目标，适应数字传媒在企业中的应用目标。
“面向数字媒体领域的软件设计与开发”不仅要进行理论知识的学习，也要掌握传统软件设计与开发的技能。具体可以将企业需求概括为以下几点内容：良好的职业道德，良好的职业道德是职业生涯开展的基础；知识范围，人才是需要不断学习和进步的，需要多掌握一些实践案例进行知识补充；掌握软件工程与数字媒体知识的基本理论与方法；熟练掌握相关主流工具；数系程序设计，包括数据结构、数据库原理、汇编语言程序设计等。创新意识和团队协作能力，团队合作是数字媒体技术得以发展和创新的有效保障。
研究数字传媒在企业中的应用目标是为了明确和掌握有关软件开发的关键技术，让今后的软件系统设计、开发工作更加的心应手。学校方面可以以此为依据，开展实践环节，增加对学生的科学技术和实践训练，培养学生的就业竞争力和创新能力。
3结语
论文关键字：计算科学计算学科计算机语言计算机软件网络和病毒
论文摘要：计算科学主要讲述了一种科学的思想方法，计算科学的基本概念、基本知识它的发展主线、学科分支、还有计算科学的特点、发展规律和趋势。
引言：随着存储程序式通用电子计算机在上世纪40年代的诞生，和计算科学的快速发展以及取得的大量成果。计算科学这一学科也也应运而生。《计算科学导论》正如此书的名字，此书很好的诠释了计算科学这一学科，并且指导了我们应如何去学好这一学科。使得我们收获颇多。并且让我深深的反思了我的大学生活。正如赵老师书中所讲的：“计算科学是年轻人的科学，一旦你选择了计算科学作为你为之奋斗的专业类领域，就等于你选择了一条布满荆棘的道路。一个有志于从事计算科学研究与开发的学生，必须在大学几年的学习中，打下坚实的基础，才有可能在将来学科的高速发展中，或在计算机产品的开发和快速更新换代中有所作为。
<一>什么是计算科学和它的来历
计算科学主要是对描述和变换信息的算法过程，包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用的系统研究。全部计算科学的基本问题是，什么能（有效的）自动运行，什么不能（有效的）自动运行。本科学来源于对数理逻辑、计算模型、算法理论、自动计算机器的研究，形成于20世纪30年代的后期。
随着存储程序式通用电子计算机在上世纪40年代的诞生，人类使用自动计算装置代替人的人工计算和手工劳动的梦想成为现实。计算科学的快速发展以也取得大量成果，计算科学这一学科也也应运而生。
<二>计算科学的发展
a、首先先介绍图灵机
图灵机的发明打开了现代计算机的大门和发展之路。图灵机通过一条两端可无限延长的袋子，一个读写头和一组控制读写头的（控制器）组成它有一个状态集和符号集，而此符号集一般只使用0和1两个符号。而就是这个简洁的结构和运行原理隐含了存储程序的原始思想，深刻的揭示了现代通用电子数字计算机的核心内容。现在通用的计算机是电子数字计算机，而电子数字计算机的发展是建立在图灵机的基础之上。他的二进制思想使计算机的制作的简化成只需两个稳定态的元器件。这在今后的计算机制作上无论是二极管或集成电路上都显示了明显的优越性。
b、计算机带动的计算学科
1946年随着现代意义上的电子数字计算机ENIAC的诞生。掀起了社会快速发展的崭新一页。计算机工作和运行就摆在了人们的面前。
1、计算机语言
我们要用计算机求解一个问题，必须事先编好程序。因此就出现了最早的机器指令和汇编语言。20世纪50年代后，计算机的发展步入了实用化的阶段。然而，在最初的应用中，人们普遍感到使用机器指令编制程序不仅效率低下，而且十分别扭，也不利于交流和软件维护，复杂程序查找错误尤其困难，因此，软件开发急需一种高级的类似于自然语言那样的程序设计语言。1952年，第一个程序设计语言ShortCode出现。两年后，Fortran问世。作为一种面向科学计算的高级程序设计语言，Fortran的最大功绩在于牢固地树立了高级语言的地位，并使之成为世界通用的程序设计语言。Algol60的诞生是计算机语言的研究成为一门科学的标志。该语言的文本中提出了一整套的新概念，如变量的类型说明和作用域规则、过程的递归性及参数传递机制等。而且，它是第一个用严格的语法规则——巴科斯范式（BNF）定义语言文法的高级语言。还有用于支持结构化程序设计的PASCAL语言，适合于军队各方面应用的大型通用程序设计语言ADA，支持并发程序设计的MODULA-2，支持逻辑程序设计的PROLOG语言，支持人工智能程序设计的LISP语言，支持面积对象程序变换的SMALLTALK、C等。
2、计算机系统和软件开发方法
现代意义上的计算机绝不是一个简单的计算机了而也包括了软件（系统软件、应用软件）。各种各样的软件使得计算机的用途大大增强。而软件开发也成为了一个重要课题和发展方向。软件开发的理论基础即是计算模型。随着计算机网络、分布式处理和多媒体的发展。在各种高级程序设计语言中增加并发机构以支持分布式程序设计，在语言中通过扩展绘图子程序以支持计算机图形学程序设计在程序设计语言中已非常的流行。之后，在模数/数模转换等接口技术和数据库技术的支持下，通过扩展高级语言的程序库又实现了多媒体程序设计的构想。进入20世纪90年代之后，并行计算机和分布式大规模异质计算机网络的发展又将并行程序设计语言、并行编译程序、并行操作系统、并行与分布式数据库系统等试行软件的开发的关键技术依然与高级语言和计算模型密切相关，如各种并行、并发程序设计语言，进程代数，PETRI网等，它们正是软件开发方法和技术的研究中支持不同阶段软件开发的程序设计语言和支持这些软件开发方法和技术的理论基础----计算模型
3、计算机图形学
在计算机的硬件的迅速发展中。随着它的存储容量的增大，也掀起了计算机的巨大改革。计算机图形学、图像处理技术的发展，促使图形化界面的出现。计算机图形学是使用计算机辅助产生图形并对图形进行处理的科学。并由此推动了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助信息处理、计算机辅助测试（CAT）等方向的发展。图形化界面的出现，彻底改变了在一个黑色的DOS窗口前敲代码输入控制命令的时代。同时也成就了一个伟大的公司Microsoft。
4、计算机网络
随着用户迫切需要实现不同计算机上的软硬件和信息资源共享。网络就在我们的需求中诞生了。网络的发展和信息资源的交换使每台计算都变成了网络计算机。这也促进计算机的发展和广泛应用。
<三>计算机学科的主线及发展方向
围绕着学科基本问题而展开的大量具体研究，形成学科发展的主流方向与学科发展主线和学科自身的知识组织结构。计算学科内容按照基础理论、基本开发技术、应用以及他们与硬件设备联系的紧密程度分成三个层面：
1、计算科学应用层
它包括人工智能应用与系统，信息、管理与决策系统，移动计算，计划可视化，科学计算机等计算机应用的各个方向。
2、计算科学的专业基础层
它是为应用层提供技术和环境的一个层面，包括软件开发方法学，计算机网络与通信技术，程序设计科学，计算机体系结构、电子计算机系统基础。
3、计算科学的基础层
它包括计算科学的数学理论，高等逻辑等内容。其中计算的数学理论涵盖可计算性与计算复杂性理论形式语言与计算机理论等。
<四>计算机的网络的发展及网络安全
(1)计算机网络与病毒
一个现代计算机被定义为包含存储器、处理器、功能部件、互联网络、汇编程序、编译程序、操作系统、外部设备、通信通道等内容的系统。
通过上面定义，我们发现互联网络也被加入到计算机当中。说明了网络的重要以及普及性。21世纪是信息时代。信息已成为一种重要的战略资。信息科学成为最活跃的领域之一，信息技术改变着人们的生活方式。现在互联网络已经广泛应用于科研、教育、企业生产、与经营管理、信息服务等各个方面。全世界的互联网Internet正在爆炸性的扩大，已经成为覆盖全球的信息基础设施之一。
因为互联网的快速发展与应用，我们各行各业都在使用计算机。信息安全也显得格外重要。而随着计算机网络的发展，计算机网络系统的安全受到严重的挑战，来自计算机病毒和黑客的攻击及其他方面的威胁也越来越大。其中计算机病毒更是很难根治的主要威胁之一。计算机病毒给我们带来的负面影响和损失是刻骨铭心的，譬如1999年爆发的CIH病毒以及2003年元月的蠕虫王病毒等都给广大用户带来巨大的损失。
我们想更好的让计算机为我们服务，我们就必须很好的利用它，利用网络。同时我们也应该建立起自己的防护措施，以抵抗外来信息的侵入，保护我们的信息不受攻击和破坏。
(2)计算机病毒及它的防范措施：
计算机病毒是一组通过复制自身来感染其它软件的程序。当程序运行时，嵌入的病毒也随之运行并感染其它程序。一些病毒不带有恶意攻击性编码，但更多的病毒携带毒码，一旦被事先设定好的环境激发，即可感染和破坏。
<一>、病毒的入侵方式
1．无线电方式。主要是通过无线电把病毒码发射到对方电子系统中。此方式是计算机病毒注入的最佳方式，同时技术难度也最大。可能的途径有：①直接向对方电子系统的无线电接收器或设备发射，使接收器对其进行处理并把病毒传染到目标机上。②冒充合法无线传输数据。根据得到的或使用标准的无线电传输协议和数据格式，发射病毒码，使之能够混在合法传输信号中，进入接收器，进而进人信息网络。③寻找对方信息系统保护最差的地方进行病毒注放。通过对方未保护的数据链路，将病毒传染到被保护的链路或目标中。
2．“固化”式方法。即把病毒事先存放在硬件（如芯片）和软件中，然后把此硬件和软件直接或间接交付给对方，使病毒直接传染给对方电子系统，在需要时将其激活，达到攻击目的。这种攻击方法十分隐蔽，即使芯片或组件被彻底检查，也很难保证其没有其他特殊功能。目前，我国很多计算机组件依赖进口，困此，很容易受到芯片的攻击。
3．后门攻击方式。后门，是计算机安全系统中的一个小洞，由软件设计师或维护人发明，允许知道其存在的人绕过正常安全防护措施进入系统。攻击后门的形式有许多种，如控制电磁脉冲可将病毒注入目标系统。计算机入侵者就常通过后门进行攻击，如目前普遍使用的WINDOWS98，就存在这样的后门。
4．数据控制链侵入方式。随着因特网技术的广泛应用，使计算机病毒通过计算机系统的数据控制链侵入成为可能。使用远程修改技术，可以很容易地改变数据控制链的正常路径。
<二>病毒攻击的防范的对策
1．建立有效的计算机病毒防护体系。有效的计算机病毒防护体系应包括多个防护层。一是访问控制层；二是病毒检测层；三是病毒遏制层；四是病毒清除层；五是系统恢复层；六是应急计划层。上述六层计算机防护体系，须有有效的硬件和软件技术的支持，如安全设计及规范操作。
2．严把收硬件安全关。国家的机密信息系统所用设备和系列产品，应建立自己的生产企业，实现计算机的国产化、系列化；对引进的计算机系统要在进行安全性检查后才能启用，以预防和限制计算机病毒伺机入侵。
3．防止电磁辐射和电磁泄露。采取电磁屏蔽的方法，阻断电磁波辐射，这样，不仅可以达到防止计算机信息泄露的目的，而且可以防止“电磁辐射式”病毒的攻击。
4．加强计算机应急反应分队建设。应成立自动化系统安全支援分队，以解决计算机防御性的有关问题。
很多公司都有因为电脑被入侵而遭受严重经济损失的惨痛经历，不少普通用户也未能避免电脑被破坏的厄运，造成如此大损失的并不一定都是技术高超的入侵者所为，小小的字符串带给我们的损失已经太多。因此，如果你是数据库程序开发人员、如果你是系统级应用程序开发人员、如果你是高级计算机用户、如果你是论坛管理人员......请密切注意有关字符漏洞以及其他各类漏洞的最新消息及其补丁，及时在你的程序中写入防范最新字符漏洞攻击的安全检查代码并为你的系统安装最新的补丁会让你远离字符带来的危险。经常杀毒，注意外来设备在计算机上的使用和计算机对外网的链接。也可以大大有效的避免计算机被攻击。
关键词计算机应用;虚拟技术;应用;机械工程
中图分类号TH122文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0148-01
1虚拟技术的概念及其特点
1.1概念
虚拟现实技术汇集了计算机图形学、多媒体技术、图像处理与模式识别、智能接口接术、传感器技术、高度并行的实时计算技术、人工智能、人机工程学、语音处理与音响技术、网络技术、人的行为研究及心理学等多项关键技术,是这些技术更高层次的集成和渗透。虚拟技术通常是指以仿真的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、数据手套等辅助传感器设备,提供了一个观察并与该虚拟世界交互的三维界面,使用户可以直接参与和探索仿真对象在所处环境中的作用与变化,获得相应看似真实的体验。身临其境和交互作用是其主要特点。它的具体含义:1)虚拟现实是一种基于计算机图形学的多观点、实时动态的三维环境,这个环境可以是现实世界的真实再现,也可以是超越现实的虚构世界;2)操作者可以通过人的视、听、触等多种感官,直接以人的自然技能和思维方式与所投入的环境交互;3)在操作过程中,人是以一种实时数据源的形式沉浸在虚拟环境中的行为主体。而不仅仅是窗口外部的观察者。
1.2主要特点
1)动态环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容,应用动态环境建模技术能获取实际环境的三维数据,并根据需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。2)实时三维图形生成技术。目前,三维图形的生成技术已经比较成熟,关键是如何满足实时性的要求。为了达到实时的目的,至少要保证图形的刷新频率不低于15帧/s,最好高于30帧/s。在不降低图形质量和复杂程度的前提下提高刷新频率。图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中,用于加速的各种有效技术是关键。3)立体显示和传感器技术。虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展。立体显示技术涉及人体感官的生理原理及在计算机上如何产生深度线索的技术。现有的硬件系统(如头盔显示器、单目镜及可移动视觉显示器)有待进一步研究,光学显示还存在许多局限性。传感器技术中需解决设备的可靠性、可重复性、精确性及安全性等问题,各种类型传感器的性能亟待提高。4)应用系统开发工具。技术最终要面向应用,通用平台的开发可缩短与应用结合的时间。为此,必须研究虚拟现实的开发工具。目前,常用的虚拟现实系统开发工具Super8cape公司VRT,它是一个可视化平台,允许较高程度的交互和网络处理;Sense 8公司的WTK是一个c函数库,提供了一个完整的合成虚拟环境的应用开发环境3MudtiGen公司的MuMGen系列软件是一个交互式的图形建模系统3MudtiGen-PoIadign公司的Vega可用于实时视觉和听觉仿真,使用简单;SGI公司的IRISPeformer是一种强有力的API,用于生成实时可视仿真和其它交互式三维图形应用;CG2公司的VTree是实时三维图形开发软件包,可以实现视觉仿真、实时场景生成等应用。5)多种系统集成技术。虚拟技术系统的最终集成是必然的,它包含了大量表达信息的模型,必须根据设计意图合理组合集成技术包括信息的同步、模型的标定、数据转换数据管理模型、模式识别与合成等技术。
2虚拟技术在机械工程中的应用
2.1虚拟技术在机械产品开发中的应用
虚拟产品的设计开发技术是建立在计算机完成产品开发过程基础上的。它在虚拟的条件下对产品进行构思、设计、制造、测试和分析。传统的机械产品设计方法需经过设计、样机试制、试验、修改设计、重新试制,经过较长时间才能投入生产,许多设计问题不能在产品设计阶段及时发现,导致了产品开发周期长。虚拟设计的研究和开发使缩短机械产品的开发周期成为现实。其显著特点之一是利用存储在计算机内部的数字化模型一虚拟产品来代替实物模型进行仿真分析,在制造过程中由计算机生成全部工件原形,然后对虚拟原形进行预装配,在预装配同时还能进行碰撞检测、阶段性的性能检测等。若对测试结果不满意,还可对工件设计图进行实时修改,提高了可靠性,节约了大量原材料,从而提高产品在时间、质量、成本、服务和环境等多且标的决策水平,达到全局优化和一次性开发成功的目的。复杂的大型收获机械非常需要这种虚拟仿真技术,它不但可以在机构运动学上加以仿真,还可以通过有限元分析、优化设计等方法对机构的动力学加以分析、仿真,对各构件参数进行优化。
2.2虚拟技术的建模
同仿真技术一样,虚拟世界的建模是开发虚拟技术应用的核心。首先从数学上定义基本过程,并配备已有的硬件资源。建立起设备零件的几何模型,再将之转换成能在计算机上实现和运行的仿真模型。其次,开发对象数据库和优化模型,即建立对象的形状、外表、行为、限制模型并将对应的I/O工具映射到仿真的世界。
1)几何建模。描述虚拟对象的形状和外表,可通过照片扫描或图像绘图软件建立。2)运动建模。表示虚拟对象在虚拟世界中的动态特性,有关对象位置变化、碰撞、伸缩、手抓提和表面变形等方面的特性就属于运动建模问题。3)物理建模。反映对象的质量、惯性、表面粗糙度、硬度和形状变化模式。如果建立了实体的物理模型,就可以用虚拟手握住这个实体,就能够真实地感受到该物体的质量、表面光滑程度等。4)声音建模。根据听觉机理提供声音模拟。5)模型分割。在不失真的条件下,减少模型的复杂度,提高显示实时性。
3结束语
在机械工程中应用虚拟技术的优点是很明显的。实时建模可使得整个生产线的工作流程最佳化,缩短达到最佳计划生产的时间。在制造生产设备之前就可调试工具和软件程序。
综上所述,可以预料在2I世纪。随着科学技术的不断发展,虚拟技术必将会在机械领域逐步扩大应用。当然,亦应充分认识到,虚拟技术是一门新兴的高科技发展技术,具有很大的潜力,在我国尚处于开拓时期的初级阶段。但是只要重视并大力发展虚拟技术在机械工程中的应用,虚拟技术在机械中将会有广阔的发展前景。
参考文献
[关键词]云存储；非结构化数据存储；数字地球；三维场景数据；可视化
1引言
随着计算机技术、网络技术、云计算和云存储技术突飞猛进的发展，各个行业和领域中，计算机图形学的应用也得到了迅速地普及，三维场景技术因其更加丰富、全面和生动的细节信息而倍受欢迎，正在逐步取代传统的基于二维图形的展现方式。传统的三维数据组织一般是采用单机存储、本机使用的方式实现，这种方式具有存取性能较低、存储容量有限、数据无法共享和统一维护困难等缺点[1]。同时云存储作为一种新形态的针对海量数据的存储系统，具有大容量、易管理、高可扩展和按需服务等方面的优势和特点，从而受到了学术界和产业界的重视，三维场景技术的实现对数据存储要求越来越高，云存储技术的快速发展大大推动了三维场景技术的推广和普及。
2虚拟现实技术与三维场景
虚拟现实技术是一种综合了计算机显示技术、建模技术、计算机图形学和仿真技术等各类技术的一种多学科的模拟技术，三维场景建模技术和显示技术则是虚拟现实技术的核心问题[1]。在通过计算机构建形成的三维场景中，系统的使用者可以从中感受到一种可视的、形象逼真的和直观的虚拟环境，通过对计算机的操作可以实现在三维场景中自由自在地漫游，就像在现实中一样[2]。随着虚拟现实技术与计算机技术、高效存储技术和网络技术日益紧密结合以及用户需求的不断提高，三维场景也逐步向精细化发展，同时，该过程需要大量三维场景数据和高性能计算的支撑，大数据量场景的实时仿真成为虚拟现实技术中一项重要的研究内容，而三维场景数据的组织管理在这个技术实现过程中起着很重要的作用，也成为地理信息系统向三维立体分析方面纵深发展所需解决的一个重要命题。三维场景以虚拟现实为技术依托，以计算机网络的发展为契机，在生产、生活和娱乐等各个方面得到了广泛地应用，虚拟现实技术的发展则对三维场景的逼真显示给予了强有力的推动作用，三维场景已经越来越受到了各行各业的重视，因而逐渐成为了虚拟现实中的重要研究课题[3]。
3关键技术
3.1云存储技术
云存储技术是在云计算的概念上延伸和发展出来的海量数据存储技术，一般的云存储系统由多个不同或相同的存储设备组成，通过集群应用、并行处理、分布式文件系统或类似网格技术等功能，实现对大量不同类型的存储设备集合起来一起协同工作[4]，云存储系统一般通过特定的应用软件或应用接口实现对外提供数据存储服务和数据访问服务的功能。随着计算机和网络等各种技术的快速发展，云计算系统运算和处理的核心已经由机器的处理变为数据的存储和管理，当云计算系统中配备了大量的、快速的存储设备及配套的计算设备，云计算系统就已经转变成为一个能够对外提供存取服务的云存储系统，因而，云存储是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统。云存储系统和云计算系统从层次架构模型来看有一些差别，云存储系统比云计算的架构多一个存储层，并且在基础管理上云存储系统也包括很多与数据管理和数据安全有关的功能。云计算系统是一种以数据处理为中心的服务密集型系统，而云存储系统则可以看作是云计算的底层数据支持系统，云存储系统可以为云计算系统提供高可用、高可靠和运营成本低的数据存储服务。目前，云存储服务的形式有个人级应用和企业级应用2种情况。企业级的云存储系统可以对外部客户提供存储服务租赁、异地数据容灾备份和业务应用的存储支撑。云存储服务通过传统的集群技术、网络计算技术和分布式并行存储技术，将网络中大量的存储设备进行有机集成，这些存储设备要求不高，可以是很低廉的、配置不一的计算设备和存储设备，这样可以减少项目的再投资和盲目扩张滥建。云存储系统具有高可靠性、高通用性、高扩展性、高并发性及大容量存储等一系列特点，要进行云存储技术的研究，必须紧跟技术发展的趋势。各类应用系统运行过程中，所积累的数据不断增长，这样对存储容量的需求也不断增加，同时，存储设备容量的增长和成本的降低促进了海量存储技术的实现和发展。但是，当系统积累的数据量不断增加以后，系统所需要处理的数据量也就增大了，这使得系统对高性能处理的需求也不断提高，传统的存储方式则成为系统提高数据访问性能的“瓶颈”，此时对系统数据的高效存储和访问便成了一个急需解决的问题。相应地，云存储具有根据需求动态扩展存储容量和提高存取性能的特点，很好地迎合了系统的需求。
3.2云存储的多层结构模型
从构成上看，云存储与传统的存储设备相比，不仅仅是一个或一系列的硬件设备，而是一个集合了网络设备、存储设备、服务器、应用软件、公用访问接口、接入网和客户端程序等多个部分的复杂系统[4]。云存储的各个组成部分以系统的存储设备为核心，通过云存储所提供的应用软件对外提供数据存储服务和业务访问服务。云存储系统的结构模型是一个多层次的模型，从下到上依次由存储层、基础管理层、应用接口层和访问层组成。①存储层：存储层是云存储最基础的部分，主要由一系列的存储设备组成，存储层的存储设备可以是光纤存储设备或网络存储设备。云存储层中的存储设备数量往往比较庞大且可以分布在不同地域，这就提高了云存储系统的可靠性和可扩展性，不同的存储设备之间通过各种网络连接在一起。在存储设备之上是存储设备管理系统，实现存储设备的虚拟化和链路冗余管理，具有对各个存储设备的状态监控维护的功能；②基础管理层：基础管理层是云存储系统中最重要的部分，也是云存储系统中最难实现的部分。基础管理层通过联合运用集群、分布式文件系统和网格计算等技术，协调调度云存储系统内部多个存储设备，使不同的存储设备实现协同工作，并统一对外提供服务，通过并行处理技术的应用，对外提供更好的数据访问性能。在数据访问安全方面，基础管理层还通过数据防控技术和数据加密技术来防止未授权用户对数据的访问。此外，在数据存储安全方面，基础管理层通过各种数据备份和容灾措施确保云存储系统中的数据不会丢失或破坏，即使数据发生丢失或破坏，内部也可以将其恢复，从而保证云存储自身的安全和稳定；③应用接口层：应用接口层是云存储最灵活多变的部分，不同的云存储系统根据实际的业务类型和应用模式实现不同的访问服务接口，对上层应用提供各自的应用服务；④访问层：在云存储的访问层，合法用户可以通过应用接口层提供的应用接口登录云存储系统，通过云存储系统提供的服务实现业务数据的存储访问。
3.3三维场景可视化技术
三维场景的构建就是在三维地理信息平台的基础上，逐步加载地图数据、矢量信息数据以及若干静止或移动的三维模型的过程，构建示意图如图1所示。三维场景的可视化技术是指用计算机图形学与图像处理技术将三维场景中的复杂对象转换为图形或图像在屏幕上显示并与操作者进行交互处理的技术和方法。为了实现由三维空间向二维平面映射时图像显示的立体感，三维数据显示前需要进行一系列计算机图形学的技术处理[5]，基于三维地理信息平台的三维场景展示处理流程如图2所示。在三维地理信息平台的基础上，首先加载所显示区域范围内的三维模型，然后从模型库中读取相应的三维模型数据，计算三维坐标系的三维剪裁信息，同时读取三维模型的尺寸信息、光照模型和纹理映射，进行坐标转换实现三维坐标到屏幕二维坐标的投影计算，最终生成屏幕坐标系中的图形图像并显示。
4云存储环境下三维场景存储架构的设计和实现
4.1总体存储架构
随着对三维场景的精细化越来越高和场景区域的越来越广，三维场景构建所涉及的数据量也越来越大，采用传统的关系数据库或普通存储已经无法满足系统的访问要求，因而设计了基于云存储的三维数据组织管理方式，以适应系统对三维数据的更高的访问需求，基于云存储的三维场景存储架构如图3所示。在三维场景存储架构中，由底向上各层的功能如下：①基础设施层：主要由计算设备、存储设备和网络设备组成，为上层提供网络通信环境、计算服务运行环境和存储环境，实现最基础的硬件服务平台；②混合型存储层：在底层硬件环境的支撑下，通过事务型数据库、分析型数据库、NoSQL数据库以及Hadoop的生态环境实现对不同类型数据的存储管理；③统一访问层：实现对混合型存储层各种形式的数据进行统一访问的功能，在统一访问层中，通过对不同数据库和文件系统的适配处理，对上层形成一个屏蔽数据库差异的虚拟层，使得上层数据在存储管理过程中不需考虑存储的位置；④数据资源层：包括构建三维场景所需的各类数据，如结构化数据、非结构化数据和半结构化数据。在以上的分层存储架构中，每一层都是为上层提供服务和支撑，并建立在下一层的基础之上，形成三维场景数据的整体存储架构。
4.2数据库设计
以上对三维数据的总体存储架构进行了设计，其中的数据资源层，对于结构化数据，对应的存储管理方式主要是传统的关系型数据库，半结构化数据则保存在NoSQL数据库中，而非结构化数据则保存到云存储系统中[6]，针对结构化数据的数据库设计如图4所示。整个数据库以三维场景数据为中心，通过关联关系实现了在一个三维场景中对三维模型数据的调用，通过外键引用的方式展现了三维场景数据对正射影像模型、数字高程数据、电子海图和遥感影像等底图的依赖关系。此外，对于以文件形式存在的各类非结构化数据均保存到云存储系统中，通过调用服务的方式实现存取。
4.3数据仿真结果
在传统存储环境下，通过模拟数据进行三维场景数据读取显示的仿真实验，系统运行的结果如表1所示，在云存储环境下，系统运行的结果如表2所示。实验结果表明，在视点高度、地理数据的分辨率和三维模型实体的复杂度不同的情况下，采用基于云存储的数据组织方式，显示性能和对本机资源的占用情况都比传统存储环境更为优越，在云存储环境下显示帧率最低为27.3帧/s，依然能够满足人眼的适应帧率。三维场景技术的应用非常广泛，例如在作战仿真领域，可以采用三维场景技术和虚拟现实技术在计算机中对一种模拟战争过程进行重现，通过可视化的军事演示来分析军事环境、战地场景、过程模拟及武器爆炸等，实现军队与虚拟军事环境直接进行自然的交互，有助于军事单位对灾难方案的分析与研究，可大大节省军费开支，降低军事成本，缩短军事演习时间，解决在军事实战中可能出现的问题。5结束语在具有大容量、易管理及高可扩展等特点的云存储环境下，三维数据组织管理的存取变得更为方便，针对海量数据的三维场景信息实现平滑展示更为可行，并且能够适应数据量和读取性能不断增长的需求，本文提出的基于云存储的三维数据组织管理和实现很好地应用在某重点课题项目中，解决了传统环境下无法实现高效组织和快速访问的问题，在数据量不断增长的将来，具有十分广阔的应用前景。
参考文献
[1]饶伟,明德烈,田金文.目标三维场景建模与实时红外仿真技术研究[J].计算机与数字工程,2012,40(1):114-116.
[2]陈永华,王德成,陈燕.基于Creator的三维场景优化技术的应用[J]软件天地,2007,23(1):297-299.
[3]翟巍,迟忠先,方芳,等.大规模三维场景可视化的数据组织方法研究[J].计算机工程,2003,29(20):26-28.
[4]李琳琳,王庆超,姚超,等.云存储中的数据冗余策略研究[J].无线电工程,2013,43(9):1-3,32.
[5]于文洋,杨崇俊,乐小虬,等.三维复杂场景管理研究[J].计算机工程与应用,2006(13):38-40.
关键词关键词：自然环境；粒子系统；特效仿真
中图分类号：TP317.4 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2013）008015302
作者简介作者简介：汪永刚（1989-），男，武警工程大学硕士研究生，研究方向为计算机仿真；葛卫丽（1962-），女，武警工程大学副教授，研究方向为指挥信息系统、计算机仿真。
0 引言
虚拟自然环境是场景仿真的重要基础。在计算机仿真中，虚拟自然景物能否更好地可视化直接影响用户的使用反馈。仿真不规则物体，是可视化计算机仿真的难点，因其外观特征极不规则，表面不光滑，而且具有复杂与随意变化过程，这使得用经典的欧几里德几何学对其描述显得无能为力。
尽管如此，国内外学者先后提出了粒子系统模型、细胞自动机模型、分形模型等表示不规则模糊物体的理论，其中W.T.Reeves 提出的粒子系统理论较为成功。粒子系统就是由大量粒子集合在一起表现不规则物体的计算机模拟系统[1]。如今，粒子系统已经应用在可视化虚拟环境仿真的各个方面，虚拟的雨雪、烟雾等特效是实现逼真的虚拟自然环境中不可或缺的一部分，也是粒子系统运用的主要领域。
1 粒子系统原理
粒子系统对景物的绘制不同于以往造型、绘制系统的方法，它不是一个静态模型，而是一种过程模型。如果可以找到有效的物理或生理过程，不规则物体的行为分析和建模将变得很简单，只要实现实时的物理几何模型即可。一个粒子系统可由多个称为粒子的元素组成，每个粒子均具有形状、大小、运动方向、生存周期等属性，而一个粒子具有的属性取决于粒子系统所模拟的物体。粒子系统是一个动态变化的系统，每时每刻都有新粒子产生以及旧粒子死亡。系统中的粒子的各类信息都随时间而改变，粒子的初始状态、运动规律影响粒子的正确运行。我们可以通过控制粒子的属性和变化过程来模拟一些动态自然物体。粒子系统的实现需要以下5个步骤：①新粒子产生并具有新属性后进入系统；②结合粒子的动态特征对粒子进行诸如移动和变换之类的操作，同时改变粒子属性；③判断活动粒子的实时生命值；④删除超过其生命周期的粒子；⑤绘制并显示由系统中粒子所组成的图形。
2 不规则物体粒子系统模型
在可视化仿真自然环境中，爆炸、火焰、雨雪等许多特效都可以用粒子系统来实现，本文选择烟雾和雨雪进行介绍。
2.1 烟雾粒子模型
2.1.1 烟的行为过程描述
模拟烟的行为，基础在于研究与烟行为有关的因素。对烟的运动产生决定性影响的因素有烟粒子的运动速度和温度。第一是烟粒子的速度，当烟进入空气后，它会与空气摩擦，空气对烟有一个力的作用从而产生一种湍流效果；第二则是烟粒子的温度，烟雾中温度高的上升速度快，温度较低的上升速度慢，不同温度会造成烟内部的扩散[2]。
2.1.2 烟雾运动物理方程描述
采用物理学方法，对烟雾粒子进行物理描述。可以认为烟是不可压缩的气体，用N-S方程可描述为：= v·（u）﹣（u·）u（1）
以上方程中，T（t）为烟粒子温度，M为粒子浮力参数，Tc 为外界温度。方程组（1）～（3）在理论上可以求解，但计算很复杂。
分析烟粒子的运动可知，烟粒子浮力fe起主要作用，故可以在整个过程只考虑烟粒子浮力的作用。同时，可以通过动态烟粒子纹理映射技术来体现烟雾的变化。
2.1.3 烟雾粒子运动简化
简化后的烟粒子运动方程满足等式：Ma（t）=f（t）， a（t）=dv（t）/dt， v （t）=ds（t）/dt。其中，M表示烟粒子的质量，a（t）为粒子加速度，s（t）为粒子的位置，f（t）表示粒子所受到的浮力。此时可求出粒子在任意时刻的速度、位置。
2.2 雨雪粒子模型
2.2.1 静态属性
雨雪粒子的静态属性主要包括：粒子形状和大小、粒子颜色和透明度等[3]。其中，粒子的形状简化为三维球体，球体的大小即为粒子的大小。
2.2.2 动态属性
雨雪粒子的动态属性主要有：粒子群密度的变化、雨雪粒子的动力学特征等。可通过一个随机过程来控制雨雪粒子的出现，首先是对每个时刻进入系统的粒子数目进行控制，目的在于表现雨雪在不同时刻的分布变化。对于雨雪粒子的动力学分析，雨雪粒子的运动规律满足经典物理的相关运动规律，即粒子的加速度a、速度v 和位移s 有如下关系：
3 关键技术
3.1 动态链表
可用动态链表实现本文算法。链表存储的对象代表系统中存在的粒子，粒子的属性也存储在内。链表中新生的粒子排在表头，快要死亡的粒子则在表尾，链表包括活动粒子链表和死亡粒子链表。活动粒子链表保存的是活动粒子，该链表中的某个粒子在即将死亡时就被转存至死亡粒子链表，当要生成一个新粒子时，先遍历死亡粒子链表，如果该链表中有死粒子存在，则更改该死亡粒子的属性，将其转存至活动粒子链表，这种处理减少了分配和释放内存的时间，提高了系统的实时性。
3.2 实时性
（1） 在列出烟粒子的运动方程后，在保证整体效果不失真的前提下可简化算法，减少运算量，达到实时性要求。
（2） 选用LOD技术，减少离视点较远处的粒子数目，从而缩短图形生成时间，更好地满足实时性要求[4]。
3.3 三角函数列表
在研究雨雪旋转时，需要进行三角函数的相关运算，这会降低虚拟场景生成的实时性。在此，可以事先用线性表预存三角函数值的方式来避免耗时的函数运算[5]。
4 结语
本文提出的烟雾和雨雪的粒子系统模型均已应用在分布交互式虚拟仿真系统中，提高了虚拟自然环境的逼真程度，取得了良好的渲染效果。
参考文献参考文献：
[1] EDWARD ANGEL.交互式计算机图形学——基于OpenGL的自顶向下方法[M]. 北京：电子工业出版社，2009.
[2] 尹勇.自然现象的实时仿真[J]. 系统仿真学报，2002，14（9）.
[3] 张芹，谢隽毅， 吴慧中. 火焰、烟、云等不规则物体的建模方法研究综述[J]. 中国图像图形学报，2000， 5（3）.
【关键词】虚拟现实 虚拟校园 三维建模技术 人机交互 场景漫游
虚拟校园是数字化校园的发展与应用，是数字校园的高级技术特征之一，其主要的实现技术是利用图像处理技术和计算机图形学技术以及三维建模可视化语言等工具在可视化介质上加以显示。现如今，虚拟现实技术已经运用到诸多领域，而将虚拟现实技术应用到数字化校园中则是一个具有实现意义与价值的趋势。它在远程参观与远程教育中会发挥出传统教育无法比拟的作用和效果，具有较高的实用意义。
本文以长安大学渭水校园为研究对象，深入分析了在虚拟校园系统中空间地物的建模方法，并且针对特殊环境详细研究其交互方式与漫游途径，对于遇到的问题加以分析和解决。
一、系统实现的功能
虚拟校园系统是基于地理信息系统技术、虚拟现实技术、宽带网络技术、多媒体技术、计算机图形学等高新技术，将校园地理空间信息和其属性信息相结合，构建一个逼真的、具有 视觉、厅局、触觉的虚拟校园景观，由其组成的关键技术就可以看出其功能可以是三维显示，人机交互，远程漫游，并且可以进行查询、搜索等操作。
（一）三维显示
校园三维场景实现是三维虚拟校园系统的主要功能，其质量好坏直接影响到场景的逼真度和系统的运行效率。以DEM和遥感影像为数据源，可快速重现实地地形，并且利用3s max等软件加入物体三维模型，可以实现三维物体的立体显示。
（二）人机交互
虚拟现实系统中的人机交互技术主要是发展和完善三维交互。而虚拟环境产生器则可以根据内部模型和外部环境的变化计算生成人在回路中的逼真的虚拟环境，人通过各种传感器与这个虚拟环境进行交互。
（三）远程漫游
构建一个虚拟现实漫游引擎就是采用高性能的计算机软硬件及各类先进的交互手段，创建一个参与者处于一个具有身临其境的沉浸感。
（四）空间分析
由于虚拟校园在一定程度上借助了地理信息系统技术，而地理信息系统技术的优势在于其强大的空间分析能力，所以建立的虚拟校园系统中可以实现面积量算、距离量算、通视性分析和拓扑关系的查询等功能。
二、系统实现
虚拟校园系统的实现，首先对数据进行采集和处理，然后利用建模软件建立三维地物模型，然后借助虚拟现实系统驱动，实现虚拟校园场景显示、三维场景漫游、查询、量算等功能。
（一）数据准备
数据的收集应用考虑到实际建模时不同地物复杂程度的不同而加以区分和选择。主要内容有：建筑物的设计图纸及文档资料等原始资料和校园较大比例尺的航摄相片资料等原始资料；还要包括利用相机在现场拍摄获得的资料，以备为以后的贴图工作做准备。
（二）场景的建模
1.建筑物建模
对于建筑物的建模需要一个从宏观到细节的技术路线。首先是利用一些传统或现代化的测量技术测量出渭水校园中多个建筑物的空间位置信息。在此过程中可以利用相机获取建筑物的纹理信息，然后将获取的建筑物的空间数据信息在建模软件中分别对建筑物加以建模。
当然对于一些局部不规则的建筑物，其模型的创建需要考虑到具体的细节部分，即可以对其进行规则与不规则划分：建筑物的规则部分可以用3D MAX等软件自动获得，另外的不规则部分的建模则可以利用专门的模型编辑软件加以实现，例如VRModel等。另外对于建筑物中的各种材质，可以对模型进行贴图，得到逼真的效果。
2.树木
树木的建模可以利用面片贴图法。这种方法通常在模型建造软件中建立单个面片或两个互相垂直的矩形面片，然后把植物立面用贴图的方式贴到面片上，并通过alpha通道进行透明处理。其中利用Photoshop对图片人们制作alpha是非常重要的一步。还有一种方法就是采用广告牌法，它将每棵树都看成长方形的面板，每个面板上都是已经拍摄好的树木的纹理。其主要特点就是用户漫游时它一直朝向视点的观察方向。
3.纹理的建立与映射
纹理映射是所有的虚拟现实技术实现环节中的重要部分，纹理资料的好坏直接影响到建筑物、树木以及地面等模型的逼真度。用相机或手机拍摄的地物的侧面纹理很多时候都是不满足要求的，这里就可以利用一些图像处理软件对获取的图像加以处理，此类软件可以是Photoshop和CAD等，处理过后的图像一般是正射相片。对于建筑物顶部的图片可以通过大比例尺航空正射影像获得。
（三）人机交互
人机交互应该是多通道的，即交互通道应该是视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉和方向感等，让人真正地拥有沉浸感与真实感。视觉通道产生以用户本人为视点的包括各种景物和运动目标的视景，人通过头盔显示器等立体显示设备进行观察；听觉通道为用户提供三维立体音响；而触觉与力反馈的关系真正建立起来一个“看得见摸得着”的虚拟环境，其中系统要识别用户何时“输入”，包括头的位置和指向，手的位置、指向和角度等。对于人的头位置和指向的跟踪检测主要是通过安装在头盔上的跟踪装置实现的，对于手的检测与跟踪主要是采用数据手套实现的。
（四）实时漫游
实时漫游是每个虚拟现实系统的最终体验形式，按用户的需求方式，可将虚拟现实漫游方式分为三种：
一是自动式漫游体系。其总体思路是按照事先给定的路径进行漫游。这就好像我们事先给定一系列的路径坐标点，然后用户依次路径这些给定的点的位置来体验我们的虚拟校园系统。
二是查询式漫游体系。这就是如今一些网络地图中的一些功能：你可以选择你的目的地，比如图书馆，我们的系统会生成多条路径供你选择。
三是交互式漫游体系。这主要是指鼠标和键盘的中介作用，你可以利用它们来选择你的行进方向。它可以生成一个不存在的视点，并依据这个虚拟视点的位置和视角，在浏览器中呈现对应的场景信息。
（五） 碰撞检测
碰撞检测是指对漫游视点与物体之间的几何位置关系进行限制，通过检测视点与物体的距离，一旦小于某个阈值，则认为是发生了碰撞。
较常用的方法是层次包围盒法，它的基本思想是利用体积略大而几何特征简单的包围盒来近似描述复杂的几何对象。
另一种较常用的方法是空间分解法，它是将整个虚拟空间划分成相等体积的单元格，只对占据同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试。适用于稀疏的环境中分布较均匀的几何对象的碰撞检测。
三、结论与展望
虚拟校园带给我们的不仅是视觉上的改变，从某种意义上说它将改变人们的思维方式。本文描述了虚拟校园系统的总体功能，探讨了实现虚拟校园系统的方法；并以虚拟校园中一些场景为例做出了技术说明。其实在不久的将来，借助互联网，虚拟校园系统的功能可以在人们的共同努力下进一步得到完善。也许能够成为学生的第二个可以交友、学习和娱乐的第二个“真实”校园。
参考文献：
[1] 朱静雯，伍艳莲.基于OpenGL的虚拟校园漫游系统的实现[J].考试周刊，2009（35）：156-158.
[2]钟帅.谈虚拟现实中的碰撞检测问题[N].河南机电高等专科学校学报，2009-11-27（6）.
[3]毛学刚，李明泽，范文义.三维虚拟校园的设计与实现[J].测绘信息与工程，2008，33（1）：47-48.
[4]韩小卫.基于虚拟现实技术校园漫游系统的设计与实现[N]. 延安大学学报，2008-6-27（2）.
我国石油行业的发展与现场地质情况等密不可分，充满着危机和挑战。对于员工的能力和安全意识要求很高，传统的进场培训有一定的局限性，例如：职业培训效果是否良好主要依赖于教师的水平，培训过程没有明确统一的评价标准，针对性差，没有可重用性等。可见传统的培训技术不但受时间、空间的限制，而且在人力、资源、经费、组织实施等方面都存在很大问题。尤其对于危险作业或不具备实验条件的高级培训，传统的培训方式更是难以实现。传统培训模式的局限性制约了人们所期望的培训质量和培训效率，满足不了现代社会的需求。
钻井模拟器采用虚拟制造技术的概念，开发过程基于现代计算机控制技术、计算机仿真技术、计算机图形技术、计算机网络技术，并结合了钻井工程的实际工艺，改变了原有的钻井培训方法。它为用户提供了起下钻、钻进、井控和钻井事故及复杂情况处理等作业的操作过程模拟，主要用于钻井司钻、钻井技术人员的操作培训和安全培训，并为学员培训考核提供了教师评分系统，解决了传统培训过程中客观上无法解决的技术难题。作为新型的针对油田具体情况开发的培训系统，钻井模拟器有着积极的意义。
2．基于虚拟现实技术的虚拟培训
该设备是以控制为中心的VM设备，主要用于钻井人才的培训。这套虚拟培训设备运用虚拟现实技术，真实生动的模拟了钻井工艺流程的细节。学员能够通过对仿真钻机设备的操作，直接观察到钻井平台上的活动以及操作结果，最终达到让培训人员掌握正确操作过程的效果。虚拟培训有以下特征：
2．1仿真性
在虚拟现实技术支持下，虚拟培训设施与真正的培训设施功能相同，操作方法也一样，学员通过虚拟培训设施训练技能与现实培训基地里同样方便。这是因为虚拟培训环境无论是现实的环境还是构想的环境，都是虚拟的但又是逼真的。理想的虚拟环境应该达到使受训者难以分辨真假的程度。
2．2开放性
虚拟培训环境可以为所有受训者在任何时间、地点提供各种培训的场所。实际上，虚拟培训环境的内涵是广泛的，它不同于传统的培训基地概念，它具备可以进行类似于传统培训项目的环境，但更擅长的是使学员置身于培训项目对象中的逼真环境。凡是受训者可以通过有关器具操作，来学习或训练某种技能的虚拟环境，并都归之于虚拟培训环境。
2．3超时空性
虚拟培训环境具有超时空的特点，它能够将过去世界、现在世界、未来世界、微观世界、宏观世界、客观世界、主观世界幻想世界等拥有的物体和发生的事件单独呈现或进行有机结合，并可随时随地提供给学员进行培训。
2．4可操作性
受训者可通过使用专门设备，用人类的自然技能实现对虚拟环境的物体进行操作，就像在现实世界中一样。
2．5对应性
学员的培训内容与虚拟环境是密切对应的。例如，学员要学习飞行器驾驶技术，那么虚拟环境就是飞行器飞行的模拟环境。对应性将能为受训者设定各种复杂的情况，以提高受训者的应变能力，从而使得他们在实际环境下能得心应手的处理各种情况。另外，虚拟现实技术能按每个学员的基础和能力，对应性的开展个性化的教育培训。
3．钻井模拟器视景仿真系统的分析与设计
计算机图形学是研究现实场景计算机显示的科学，也是利用计算机处理人类所能看见的图景的手段和方法。视景仿真技术是以计算机图形学为理论基础的三维模型动态显示技术，基本原理是：根据观察点及观察方向对场景进行实时计算和实现，并做到对三维复杂环境中物体运动的实时交互控制，产生良好的动画效果。实现三维模型视景的实时动态显示，一方面要求计算机硬件有高速运算能力和很强的三维图形处理功能；另一方面还要求在算法和软件上有所发展，以便在硬件平台上取得更好的实时动态显示效果。视景仿真系统是钻井模拟器的重要组成部分，它提供给用户一个三维的真实感视觉环境。
3．1钻井模拟器视景仿真系统分析
钻井模拟器在虚拟培训过程中需要模拟井场环境和操作结果，这就需要视景仿真系统根据钻井模拟器司钻控制台的操作过程，实时模拟出井场环境的变化和司钻、井控操作对钻井过程的影响。在现实的司钻和井控过程中，操作错误和地质环境变化都是事故的诱因，在钻井模拟器视景仿真系统中也模拟了事故发生过程和事故排除的情况。实时地显示钻井过程中的数据，计算参数。根据司钻台操作的具体行为，依照物理模型和数学模型来模拟设备运动的过程，使得钻井模拟器视景仿真系统的三维动画过程更贴近现实。
钻井模拟器视景仿真系统需要对井场设备、自然环境、井下情况进行实时的动态模拟，使培训者在培训过程中除了学习操作知识，还能更有效、直观的学习到理论知识。硬件设施和三维图形软件的结合实现了虚拟模拟系统，培训人员能够通过这套虚拟培训设备完成所有钻井工作人员所需要的专业知识和实际操作技术。
3．2实时场景系统组成
根据钻井模拟器视景仿真系统的需要，开发过程在WindowsxP平台上，建模部分使用3DMAX完成机械部件的模拟，模型的管理由3DExplorer~成，并实现模型数据文件的转换导出。程序对模型的控制由C++Builder6．0实现，整个开发过程基于OpenGL2．0。
钻井模拟器视景仿真系统的实时场景组成包括以下几个部分：三维图形实体模型、钻井模拟器视景仿真系统控制程序、GLSL编写的渲染效果。
在整个组成部分中，最重要的是钻井模拟器视景仿真系统控制程序，在程序中完成了以下工作：场景初始化、工艺动画控制、与主控机通信、参数显示、碰撞处理以及特效渲染。
场景初始化：由于钻井工艺的复杂性和虚拟培训的操作性，每个作业当前场景都有所不同。在一个新的作业开始前，图形程序在接收到控制机发出的作业指令后初始化当前场景，例如：钻井平台上各操作部件当前的数量、状态以及位置。
工艺动画控制：在完成规定工艺作业的过程中，司钻控制台做出的每一个动作都将转换成数字信号传递给主控机，再由主控机发送协议数据给图形程序，图形程序得到参数后，做出具体反映。在图形机上体现出钻台上各种控制系统的运动参数、具体动作、视图选择(包括上视角、井下视角、防喷器视角、多视图显示等)等。
与主控机通信及参数显示：主控机的设计主要由钻井模拟器设计的需求决定，由于这套仪器主要用于虚拟培训，教师和学生之间有教与学的关系，主控机能够提供给教师一个教育平台，提供作业调度、控制、评分等功能，与此同时，传递司钻控制台上发来的各项数据，并把与操作有关的数据发给图形机，即钻井模拟器视景仿真系统，两方通信，传递参数并进行数据处理，在屏幕上显示操作过程中需要操作者了解的参数值。
碰撞处理：在三维图形的运动仿真过程中是不允许有“穿墙而过”的状况发生的，因此要对运动物体作碰撞检测的处理。为了遵循模型运动的真实感，钻井模拟器视景仿真系统当然也包括碰撞的检测与处理部分。
渲染特效：实现对火焰、气泡、液体喷涌效果的模拟，使用GLSL实现电影级的光照效果，可以分别模拟白天，夜晚，探照灯等光照模式，大大地提高了图形效果和真实感。
3．3钻井模拟器视景仿真系统设计
一个性能优越、功能完备的系统需要在设计阶段就进行详细的设计规划。这样，在后期的开发过程中才能完成高质量的软件项目。钻井模拟器视景仿真系统的设计遵循面向对象的原则，在系统的稳定性、可扩展性和兼容性等方面都有突出的表现。
3．4系统特点及设计目标
钻井模拟器视景仿真系统要求有以下特点：
1)可以生成高质量的图形，实现实时的可控动画。
2)图形的生成快速稳定，对图形硬件要求不高。目前，系统配置为NVIDA6800，NVIDA6系列以上显卡都可以实现高质量的图形动画。
3)提供给用户多角度、多视图的工作窗口，方便用户定位观测，在操作过程中既能观察整个场面，又能集中观察工艺作业下重要部件的工作过程。
4)建立模型细致、真实，宏观模型和微观模型通过软件和程序分别建模，真实感程度高。
经过分析钻井模拟器视景仿真系统的系统特点后，设定该系统要达到以下目标：
可扩展性：对于新模型、新器件、新工艺的增加，方便快捷，可以在短时间内完成对系统的扩展。
兼容性：系统可以用于Windows2000／XP平台，兼容于各种图形加速硬件。
敏捷性：图形生成迅速、稳定，一般的图形加速硬件既可满
足要求；系统应达到反应迅速、操作灵敏的功效。
3．5基于面向对象的系统设计
钻井模拟器图形系统的设计是基于面向对象的，系统规模较大，设计复杂。基于在钻井工艺中涉及到的物体较多，并且各个物体在不同的方面有不同的特性，因此在设计之前，应确定设计类的准则。对本系统而言，这里关心的是用物体如何展现工艺流程，所有类的设计应该围绕物体的动画功能需要来进行。
在钻井各工艺流程中，大钩、钻杆等物体是系统动画的载体，具有物体自身的方法和属性，因此，可以将其封装成类。根据围绕物体的运动功能来设计类的思想，将液压大钳和液压大钳的活塞、吊卡的主体和活页设计成不同的类，这样设计不仅可以使动画更加逼真，还能提高系统灵活性。
关键词：虚拟校园；图形技术；技术应用
中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 06-0000-02
近年来我国高校数字化校园建设不断向前发展，虚拟校园建设作为其中一项重要研究方向，目前已经在部分高校得到了发展与探索。作为高校信息化建设中的新鲜事物，虚拟校园建设在发展中面临着诸多的技术问题需要进一步完善与解决。笔者在总结现有相关研究的基础上，就虚拟校园建设中的关键技术问题作以下探讨与分析。
一、虚拟校园的界定
从现有文献资料来看，关于“虚拟校园（Virtual Campus）”的定义还不十分统一。不过从现有的研究及应用实践，我们可以这么认为：所谓虚拟校园，就是运用虚拟现实技术对大学校园的数字化和虚拟化，从而模拟构建一个从视觉、听觉、触觉方面十分逼真的虚拟校园景观，最终我们可以借助计算机来对该校园进行全貌的了解，以及在虚拟校园中漫游，使我们有着有身临其境的感觉。因此，一个完美的虚拟校园其基本特征是：实时性、沉浸感、交互性和想象力。
虚拟校园是虚拟现实技术在现代教育中的应用，它的出现，为其推进校园的规划、优化高校的管理、以及辅助决策和学校发展等方面发挥了积极的作用。由于虚拟校园建设中涉及到的主要技术领域涵盖了地理信息系统技术、虚拟现实技术、宽带网络技术、多媒体技术、计算机图形学等方面。因此，在具体设计与应用中面临着诸多的技术问题需要我们不断进行探索与研究。
二、虚拟校园建设的系统需求和流程
（一）系统需求分析
从上述虚拟校园的概念界定中，可以知道虚拟校园建设系统的基本需求应包括以下几个方面：（1）构建交互场景，为参观者提供虚拟浏览环境；（2）构建一个基于教学管理功能相对完整的三维可视化虚拟校园；（3）构建一个以学生为中心，充分体现人性化的远程教育基础平台。
（二）虚拟校园建设的一般流程
由于虚拟校园系统的建设目的一方面在于让更多的人对整个学校有清晰的认识，熟悉校园内部的交通、环境等；另一方面可以用来辅助解决校园规划、设计中方案的一些问题。因此，其建设流程基本遵循着数据准备-数据处理-功能实现三个阶段；一般虚拟校园建设的流程如下图所示（见图1）：
图1：三维虚拟校园建设流程图
从流程图我们首先看数据准备阶段，在这一层，所需要完成的工作是地形图的扫描，对校园平面图进行扫描，完成对校园建筑物高程的量，以及地面摄影影像这几个方面的工作。
完成上述工作的基础上，就是将各种技术手段应用于虚拟校园建设的阶段。主要开展的工作包括三位建模，文理获取和虚拟地表的生成等。这是虚拟校园建设的关键阶段，各种技术应用是否科学合理，将对后期建成的三位虚拟校园产生直接效果上的影响。
第三个阶段是功能实现，对三位虚拟校园的各个方面进行再现，测试其效果及功能是否达成了建设目标。
三、虚拟校园建设中的关键技术及应用
（一）三维场景的建立及优化
虚拟校园建设中最基本的部分，就是需要运用三维技术对校园场景进行建模。场景模拟主要由地面建模、建筑建模、植物建模三部分构成。
（1）地面建模：一般操作流程是根据CAD平面图对校园整体平面分布，来熟悉校园的大致规划与布局，然后根据遥感图像进行精确对位，将校园分为很多个块，在MAX中进行基础建模，构建基础平面。
（2）建筑建模：从校园的构成要素来讲，建筑物是其主要构成部分，也是虚拟校园系统中必须严格体现出来的内容。因此精确度要求极高，要达到逼真的效果。其建模的过程是：根据CAD施工图，在MAX中得到准确的模型框架，在此基础上按照照片和相关的纹理进行贴图，赋予不同建筑材料的材质，从而力求体现出真实感。
（3）植被模型的建立：作为校园风景的重要组成部分，校园的绿化植被建模十分重要。它是影响参观者对校园直观印象的直接因素，因此必须使植被的场景更具强烈的沉浸感和真实感。
在三维虚拟化校园场景的建立过程中，漫游系统的流畅性和场景真实性往往存在着冲突。因此在当前科学技术水平和条件下，这是虚拟现实系统开发一直难以逾越的难题。为了解决这一问题，我们就必须从三维建模入手来对其进行优化处理，力求使用最少的面而展示最理想的场景效果。
（二）纹理映射技术
纹理映射技术是虚拟校园系统建设中的重要技术之一，是当前计算机图形学中研究的一个热点课题。它利用事先获得的纹理影像来确定三维景物表面的点与纹理影像中像素点的映射关系，并按一定的算法将纹理影像映射到三维景物上的方式。为了增加虚拟校园场景的逼真效果，多数虚拟校园建设会运用这一技术手段来增加地形对象及场景地物的真实感。具体来说，可以分为地形场景的文理映射和地物模型的文理映射两种技术方法。
（1）地形场景的纹理映射：由于地形纹理图像数据量大，如果要求具有较高的真实感，内存的需求量更是十分巨大。在大规模地形的实时绘制时，需要不断地从硬盘到系统内存再到纹理内存调度纹理数据，如果用图形库的函数来实时建立多分辨率纹理则效率不高。
（2）地物模型的纹理映射：地物模型主要包括树木、路灯、灯箱及建筑物等模型，相对于地形纹理数据，其纹理数据量小，且多数纹理数据可通用，如树木纹理、建筑物墙面纹理和窗纹理等。因此，对于这些纹理数据，可采用Mip map纹理映射技术实现纹理的映射。
（三）可见性优化
为了减少了场景实时绘制数据量，目前应用较多的是使用场景模型的LOD技术。面对复杂场景重建时，就会出现一个难题，即：在确定的视点下只有很小一部分的面片或者点是可见的，大多数的面片是背向的、在视域外的或者被其他部分所遮挡，不可见。因此，虚拟校园建设中需要考虑运用一定的技术手段来实现场景的可见性，常用的技术方法是采用视域剔除和遮挡剔除来进行优化。
四、结束语
综上所述，在大力推进高校数字化校园建设的背景下，虚拟校园建设也取得了较快的发展，如清华大学、浙江大学、华南理工大学等高校已经有了初步的建设成果。虚拟校园的应用优势在于以直观的三维地形地物代替了传统的、抽象的二维地图符号，从而为用户提供了直观的、逼真的、便捷的校园场景及管理信息。虚拟校园系统在加强对外宣传，加强学校管理与辅助决策等方面表现出重要的推动作用。在互联网高度发展与普及的今天，一些学生家长在帮助子女选择就读学校或者想了解子女学校环境时，即时不能亲身前往学校，也可以通过网络便捷地的了解学校环境、硬件设施。通过这样的虚拟现实技术构建的虚拟校园无疑在未来具有很高的应用价值与广阔的发展前景。
参考文献：
[1]朱静雯,伍艳莲.基于OpenGL的虚拟校园漫游系统的实现[J].考试周刊,2009,35
[2]李杨,郁宇.虚拟现实在学校建设中的应用[J].华章,2010,25
[3]李星,段渭军,.虚拟现实技术在数字化校园中的应用[J].中国教育信息化,2011,3
关键词：环境虚拟化；路径漫游；渲染；纹理
引言
随着时代的发展，环境虚拟化与漫游控制受到越来越多的重视，技术日新月异、发展迅猛。其中虚拟化的应用非常广泛，如文物古迹、工业仿真、室内设计、城市规划、军事模拟、3D游戏等方面。然而这些效果的实现都得借助于一些三维软件。本文选择的三维软件是3DSMAX。因为3DSMAX在建模渲染中比传统的计算机辅助设计软件，如pro/E、UG、Solidworks具有操作简单，入门快、输出效果更真实等优点[1]。应用3DSMAX材质与贴图技术能够让建模物体具备颜色、质感等逼真视觉效果，让模型呈现出真实、多彩的魅力[2]。
1 场景建模
实验中心包括大小共18个室内场景和一个室外场景（走廊）如图1所示。具体步骤和实现流程如图2所示。建模第一阶段：把每个场景的框架建立好，再按实际排列好如图3；第二阶段：细化每个场景内部组成如图4（4号实验室内部情况）。
图1 实验中心分布图
图2整个场景实现流程图
第一阶段制作三维墙体模型：顶视图创建一个矩形，拉伸3000mm转换成可编辑多变形删除底面，利用壳Shell修改器命令设置厚度为220mm，同样画两个矩形充当门和窗户，转换可编辑样条线，附加到一起，选中墙体点击布尔运算（Subtraction）切出门和窗。用同样的方法依次把每个场景的墙体模型都建立出来。
图3 实验中心墙体线框图
图4 实验室4室内场景图
2 场景渲染
因研究的主体是现实世界中存在的。我们需要获得与真实场景中相同的材质肌理才能保证模型和现实相吻合。下面从采集数据、纹理贴图、渲染材质三个步骤实现逼真效果。
2.1 数据采集
纹理数据：实验中心建筑群里材质主要包含有4种典型材质分别是金属纹理材质（椅脚、书柜门手、金属门、多媒体讲台、储物柜、护栏等）、木质纹理材质（书桌、书柜、办公桌等）、大理石纹理材质（走廊地砖、教室地砖、厕所地砖、墙砖等）、玻璃纹理材质（玻璃窗、镜子、灯管、储物镜等）；其他数据：教室里的名言警句、文字标语、挂画等数据。
2.2 纹理映射
纹理贴图是计算机图形学中广泛应用的一项重要技术并且操作简便，仅需把采集好的材质映在模型表面，适当使用UVW贴图命令轻微调节即可表现丰富的纹理细节。如图5所示在没有添加灯光的情况下只给其中的会议桌、椅子、空调模型赋予一层各自匹配的材质，纹理就表现出来了，如果加上灯光把反射属性凸显出来真实感就出来了。
图5 会议室1材质贴图
2.3 渲染材质
本文涉及到的渲染材质主要有如下两种。多维子对象材质渲染：把模型中赋予不同贴图的曲面设置好各自的ID号，然后选择多维子对象材质渲染，先选择面号再赋材质，如选择ID号1就可给1号曲面贴材质。如笔记本电脑就会用到此材质渲染。V-Ray材质渲染效果如下：
根据电脑运行速度快慢，设置的图像分辨率可大可小，图4分辨率为1200×900个像素点。渲染前整个场景就是一个白模如图3所示，没有任何灯光和质感。渲染后有着丰富的肌理，场景顿时豁然开朗的感觉。
3 建模注意事项
3.1 建大场景时，不要在配置低的电脑上操作，避免软件自动退出、文件丢失、文件无法打开等情况。
3.2 遇到模型建到最后发现不是想要的效果，ctrl+z可以返回，但3DSMAX回去的次数是有限制的，切勿一直按ctrl+z否则软件会报错，自动弹出，导致模型未能保存，只能重新建立。因此在每次比较关键的一步时把此刻的模型复制一次隐藏起来，如果出错了，可以把复制的模型显示出来，在此基础上作修改--省时、保险。
3.3 一个视图里的模型越多，点数和面数就越多，到后面阶段电脑运行会比较慢。针对这种情况，习惯性地把需要调整的模型孤立出来，单独对它进行操作。也可以采取隐藏不需要的模型来提升电脑当前的运行速度。
3.4 超级布尔命令不适宜多次使用，否则模型会出现很多问题，比如布尔对象消失、破面等现象。
3.5 采集图像时大部分是普通相机拍摄的，拍摄时要求尽量保持相机的水平，避免相机镜头在上下方向上偏转过大，尤其仰视拍照时图形变形较大，不过一般拍摄的图片都会在PS中进行处理。
3.6 在3DSMAX中图案投影又叫图形合并。图案投影在实体上，应满足的条件图案应是样条线，而多边形是不能进行此命令的。
3.7 模型中已进行贴图的MAX源文件路径设置好后就不能够进行移动修改，否则系统无法找到某些贴图，提示丢失贴图。
4 路径约束控制器动画制作
路径约束动画是通过摄像机和路径来控制整个动画的运转的。首先把帧标记打开，默认是100帧，根据实际情况可以增加、减少帧数，创建一个自由相机，添加任一条曲线作为路径，Follow勾选。采用渲染图片序列，最后导进AE中合成动画视频即路径漫游的实现。路径约束控制器动画是非常简单的一种三维动画制作方法，观察方便、可以及时发现问题并纠正。图8中路径是一条沿着走廊的曲线，高度大约在1200-1500mm左右。图9中路径是在办公室内画的一个封闭的圈，环绕四周观看。
5 初学者可能遇到的常见问题
如表1所示：
6结束语
环境虚拟化越来越来多的被采纳，虚拟现实场景中的模型是实际中的物体再现，建立造型模型是构造虚拟现实场景的基础，模型构造的质量直接影响到虚拟场景的真实感和沉浸感，一次需要根据对象的特点选取不同的建模方法[3]。随着建模场景内容越来越多，软件运行变慢、渲染难度增加，这也是需面临解决的问题，还值得进一步深究。
参考文献
[1]李强.三维虚拟场景系统研究[D].西安电子科技大学，2008（1）.
[2]曾峰.基于GIS的三维数字校园系统设计研究[D].大连海事大学，2013（5）.
[3]刘兴建.肇庆工商学院虚拟校园的设计与实现[D].华南理工大学，2012（11）.
[4]徐健.三维虚拟仿真关键技术和示范应用[D].江西师范大学，2013（6）.
[5]黄静，张红忠.3dsmax在虚拟现实中的应用[J].测绘与空间地理信息，2013（2）.
[6]刘晓茜，曹卫群，张璐.3维复杂树木场景建模及动画制作[J].中国图像图形学报，2010（1）.
[7]Liying Huang，Yijian Pei.Film and Television Animation Design Based On Maya and AE. 2010 3rd International Congress on Image and Signal Processing.2010.
关键词:非线性编辑 节目制作 系统构建 数字影视
在20世纪后期，随着数字技术的飞速发展，非线性编辑被广泛应用于影视的后期制作。非线性编辑主要指以各种类型计算机为中心构成的视音频信息编辑工作;是指将节目采集到计算机后直接从计算机的硬盘中以帧或文件的方式迅速、准确地存取素材进行编辑的方式;是能够随机访问任意素材，不受素材存放时间、区间限制的编辑。从广义上来说，数字影视节目的非线性编辑技术可以包括:视频素材的获得、视频对象的合成、视频素材的编辑、视频特技的生成、绘画和颜色调整、字幕的叠加等六个方面。在非线性编辑系统中，最为重要的是加入了动画模型、数字特技和多层合成等功能，从而使得非线性编辑系统成为影视制作者充分发挥其创造力和想像力的技术平台论文下载。
1 非线性编辑系统的构建
非线性编辑系统主要应用于广播电视及各类广告制作单位。它主要是由计算机平台(含视音频处理卡、专业显卡、三维特技卡等)、大容量的高速硬盘、音视频输入输出设备、监视器等硬件设备，并配以相应的非线性编辑软件组成。
1.1 系统硬件 20世纪90年代中期，非线性编辑开始在我国出现并得到应用。在非线性编辑系统中，最本质的一点是系统处理的是数字信号，如非数字信号输入系则需进行A/D转换，采用数字技术存入计算机硬盘中，并利用节目制作编辑软件在计算机上进行运算、操作。由于非线性编辑系统数据硬盘的存储容量有限，而非压缩的广播电视信号数据十分庞大，如果采用QPSK调制，所需传输带宽在100 MHz以上，故应根据图像质量需求对原始信号进行相应压缩。压缩比越大，可输入的图像信号越多，但图像质量也就越差。
1.2 系统软件 非线性编辑系统的软件为非线性编辑系统提供GUI(图形用户界面)和网络骨理等功能，也可用来完成视频剪辑、字幕叠加、三维动画、数字特技、音频制作、颜色渲染等复杂编辑工作。现在世界上非线性编辑软件种类很多，依其功能可以把它们分为两类:第一类:专用型软件，针对硬件的设置而专门开发的，它们可以直接调用非线性卡内设置的硬件特技或专门的特技卡内的硬件特技而形成实时特技或短时间的生成特技，从而大大加快了节目的编辑速度。第二类:通用型软件，通用型软件大都不能直接与非线性编辑板卡挂靠进行输入输出，但可以对已进入了硬盘阵列的视音频素材进行加工、处理和编辑，或者制作自己的二维或三维图像与那些视频素材合成，再由输入输出软件输出。
2 非线性编辑技术及其应用
2.1 视频素材的获得 三维扫描仪或摄像机将不同角度拍摄的物体照片作为三维模型参数输入到Image Modeler软件中，该软件会通过计算得到物体的多边形网格框架;然后用户根据此框架制作出三维模型;在三维模型建好之后，光学捕捉系统(MotionAnalysis)从实际拍摄的场景中提取出运动参数，输人到Match Mover软件从而实现三维动画的效果;最后，为了使效果更逼真，采用Phoenix Tools for MAYA软件对整个动画进行渲染。
2.2 视频图像的合成 数字视频包括以下4个方面的技术:
2.2.1 多层叠加 将多层视频对象(图像、文本、图形和动画等)叠加到一起，叠加方式可以是不透明或部分透明。在多层叠加中，每一层视频对象的优先级别不同，屏幕上显示的最外一层的优先级别最高，越往里优先级别越低。每层视频对象还可进行各自的特技处理，如旋转，缩放，滤波等。
2.2.2 色键 色健效果首先是将前景中的视频对象从某一单色中抠出(一般为兰色)，这一过程称为遮罩(Mask)生成过程。在遮罩上，视频对象内部各像素a=1，外部各像素a=0，通过a值将前景和背景合成，在a=1处显示前景中的视频对象，在a=0处显示背景，从而产生将前景中的视频对象抠出和背景合成的效果，这一技术可用于虚拟演播室。
2.2.3 外键 用于选择视频图像的某一部分进行叠加。此时将遮罩单独存为一个图像文件，并将该图像作用到任意视频图像上，然后选择a值，在a=1处显示一个视频图像，在a=0处则显示另一个视频对象。
2.3 视频素材的剪辑和视频特技的生成 采用非线性编辑软件，可以对视频素材进行剪接、划像、移动、替换、插入和覆盖等操作，在此过程中，制作人员可以根据需要加入视频特技。最常用的视频特技有淡入淡出、划像，飞像，卷页，翻页等。随着计算机图形学的发展，三维特技也越来越多地被采用。它主要是通过模拟自然的光照，采用表面阴影法、透明、光线追踪等方法，产生图像的纹理，从而使二维的图像产生三维的效果。
2.4 颜色校正和字幕叠加 颜色校正即对数字图像的色度信号进行处理。字幕叠加则分硬件和软件两种方式。软件字幕是利用作图软件的原理把字幕作为图形处理，将其调入编辑轨对某一层图像进行抠像贴图，完成字幕功能;硬件字幕通常由一个图形加速器和一个图文帧存组成，图形加速器主要用于对单个像素、专用像素和像素组等图形部件的管理，它具有绘制线段、圆弧和显示模块等高层次图形功能。叠加字幕的过程是将汉字从硬盘的字库中调到计算机内存中，以线性地址写入图文帧存，经属性描述后输出到视频混合器中，将视频图像合成后输出。
2.5 数字视频的输出 目前的非线性编辑软件都是在数字视频无压缩的情况下进行处理的，数据量巨大。因此，很多非线性编辑软件都具有视音频压缩编码功能，将经过编辑的节目快速压缩为MPEG-1/2/4，M-JPEG等编码格式输出，从而大大降低了存储的数据量，以适应不同场合的应用。
3 非线性编辑技术的新发展
演播室制作中涉及大量对编码压缩节目的处理，如不同节目间的拼接，在画面上加字幕、台标等效果。目前，由于演播室非线性编辑系统多采用对没经过压缩的视频信号进行编辑的方式制作节目，这就需要在存储的压缩图像和编辑非压缩图像之间进行格式转换。不仅增加了计算量，还会导致由于编解码和量化而产生的图像降质。在这种情况下，人们需要考虑直接在压缩域对数字视频进行编辑，从而加快电视节目的制作、分配、存储、传输和播出一体化的进程。
4 结语
数字化电视系统发展的步伐日趋加快，计算机技术逐步渗透到广播电视的各个领域。非线性编辑技术经历了多年的发展，其软硬件技术日趋成熟。既能满足高端的电影特技制作逼真炫目的需要，又能满足低端的新闻剪辑制作。非线性编辑系统功能将更加完善，在广播电视行业占据的地位也会越来越重要，作为一项朝阳技术，其应用一定会迎来一个辉煌时代。
参考文献
[1]倪强，周磊，张文军.数字影视的非线性编辑及其技术研究[J].电视技术，2005，(07).
[2]丁海林.非线性编辑网络系统的关键技术研究[J].西部广播电视，2005，(10).
关键词：增强现实；图像绘制；光照一致性；全光函数
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)25-6195-02
Image Illumination Coherence Based on Augment reality
LI Fen-li, TONG Xiao-nian
(College of Computer Science, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China)
Abstract: Image-based Rendering technology with plenoptic function as core theoretical foundation,This paper discusses the basic principle of Image Illumination bined with Witted lighting model, authors briefly introduced a new global illumination model and presented an new aproach of Computing reflection brightness and transmission brightness.
Key words：Augment Reality Image-based Rendering，Illumination Consistency，plenoptic function
在虚拟现实（Virtual Reality）技术基础上发展起来的增强现实（Augment reality）技术，把计算机生成的虚拟对象以及其他信息叠加到用户看到的真实世界中，更能增强用户的视觉及听觉等各种感官感受。增强现实系统中若想使用户从感官效果上相信虚拟环境是其周围环境的组成部分，需将电脑生成的虚拟环境和周围的现实环境融合为一体，而要使计算机生成的虚拟环境具有真实感，虚拟物体的光照情形应该与真实环境中的光照情况保持一致，即实现光照一致性。
实现光照一致性需要解决的问题很多，包括真实场景中的光源使虚拟物体产生的明暗、阴影以及反射效果和对真实物体的明暗、阴影以及反射的影响[1]。一种方法是利用虚拟光源进行照明，即根据整合图像中标志物的明暗状况，通过反复试验得到逼近真实环境的光照情形。这种方法的思路是：首先获得包含光照情况的数字图象，为了能与虚拟环境的光照点进行一一对应，需在景物中包含三色棱标志物。然后找到标志物上的高亮点，求出光照情况，再建立虚拟的正方体标志物进行模拟照明[2]，比较模拟照明的标志物与数字图像的的明暗对比是否一致，不一致的话调整参数，继续对比，一致则结束。这种方法的工作量相当大。另一种方法是假设能投影到人体视网膜的光都是物体表面所发出的光，而不加以区分是反射来自光源或者其他物体表面的光，这样就可以把人体视网膜所能感受的物体都视为光源，在基于图像建立的环境映照中如果已包括了这些光线的分部信息，那么就能将它作为光源处理以实现对物体的照明。本文基于第二种方法探讨图象光照的一致性。
1 图像光照一致性简介
1.1 基于图像的绘制
基于图像绘制绘制（Image-Based Rendering .IBR）技术以拍摄真实世界的照片作为三维表面的纹理数据[3]，克服了传统的基于几何模型绘制的数据量大、实时性低[4]等缺点，以图像代替含有大量细节的3D模型，能在很大程度上简化三维场景中的三维模型。
.IBR最初可追溯到计算机图形学中的纹理映射技术，传统的几何建模技术[5]只能表示景物的宏观形状，不能非常有效的描述景物表面的微观细节，但这些微观细节却对景物的视觉效果有着极大的影响。因此利用纹理映射技术来描述景物表面各点处的反射属性，能够很好地模拟物体表面的纹理细节。基于图像的图形绘制技术最初主要用于局部的纹理映射，以环境中抽样出的离散图像组成基础数据，通过处理与组织这些数据得到环境的连续描述。
Adelson[6]从观察者的角度提出全光函数（plenoptic function）来描述整个场景的全部信息，即忽略整个场景中的其他组成形式，仅把整个场景视为充满了稠密光线的空间，对空间中的任一视点V(Vx,Vy,Vz),光线方向为（θ,φ）,记光波波长为λ，光强随时间t变化，则全光函数可以表达为：
P=P(Vx,Vy,Vz,θ,φ,λ,t)(1)
从这个思路出发，全光函数描述了从空间任意方向看到的所有光线。Adelson的全光函数从原理上为基于图像的绘制的发展奠定了理论基础。McMillian和Bishop从原始的全光函数定义出发，假设场景的光波不变而且场景不随时间t发生变化，忽略波长λ和时间参数t，全光函数可简化成五维函数：
P=P(Vx,Vy,Vz,θ,φ) (2)
这是一个柱面全景图的集合，描述了场景中所有可能的环境映射，McMillian和Bishop因此给出了基于图像绘制问题的基本描述[7]，即从一些有向的离散样本中重构连续的函数，然后通过新的视点位置重新取样[8]该函数来绘制新的视图。
1.2 基于图像的光照研究
对于虚拟图像的绘制来说，场景中不管是来自光源属性的变化，还是来自物体材质或者形状的变化，都可以看成是场景中光照条件的变化[9]，从McMillian等人提出的五元全光函数的原始定义可知，任意一幅图像都对应于全光函数在时域上的一个截面[10]，但同时也存在一个问题，即基于图像的绘制方法忽略了时间参数t，仅考虑了全光函数在某一特定时间点上的情况，它假定采样时刻的光照条件相同，相当于把研究对象视为静态场景。由于场景发生变化对应于全光函数不同的形式，也就是全光函数的变化[11]，结合基于图像绘制的特点，则需要解决的问题便是如何从某些特定时刻采集静态图像，然后绘制场景变化的相应结果。
传统的计算机图形学通过建立光照模型建立物体表面材质、光源、物体几何模型以及视线四者之间的关系[12]，也就是描述入射光与出射光之间的关系，对于基于图像绘制方法来说则是通过建立全光函数在场景变化下相应的变换关系来模拟光照过程。基于图像的光照可看作是基于图像绘制的一种扩展，不同的是基于图像的光照问题不仅要关心视点和视线的改变，还要反映场景本身的变化，如图1所示。
2 建立光照模型
2.1 witted光照模型
witted光照模型考虑了透射效果的光照模型， 假设物体表面向视点方向V辐射的光亮度Iλ由三部分组成：
1) 环境中的光源直接照射物体引起的光亮度Iiλ
2) 来自V的镜面反射方向R的其他物体反射或折射来的光亮度ISλ
3) 来自V的投射方向T的其它物体反射或者折射来的光亮度Iiλ
则witted光照模型可以表示为：Iλ=Iiλ+KSISλ+KtIiλ (3)
其中Iiλ是入射光强，KS是介于0到1之间的常数，称为镜面反射系数，ISλ是折射光强，Kt是介于0到1之间的常数，称为透射系数。
2.2 建立光照模型
2.2.1 确定模型
光照模型分为局部光照模型和全局光照模型。局部光照模型只考虑直接光源照射在物体表面所产生的亮度，全局光照模型除了考虑物体表面的直接反射光，还需要考虑环境光对物体表面的影响[13]，本文将witted光照模型Iλ=Iiλ+KSISλ+KtIiλ转化为
I=IL+IE (4)
其中IE=KSIS+KtIt，Is和It分别代表环境中其它景物的反射光亮度和透射光亮度，IL为局部光照模型，表示为
IL=Ir(xi,φ.θ)+Ii((xi,φ.θ)(5)
其中Ir(xi,φ.θ为在物体表面xi处入射角为 φ的反射光亮度，Ii((xi,φ.θ)为在物体表面xi处入射角为φ的透射光亮度。
2.2.2参数确定及光亮度计算
Ks和Kt分别为反射系数和透射系数，跟物体的材质有关。迄今为止，还没有一种方法可以精确地测出各种不材质的反射系数和透射系数，但是采用常用的约束问题最优化方法，以各点理论值与实测值误差平方和最小为目标函数进行优化计算，能较为精确地定出这两个参数[14]。
反射有镜面反射和漫反射，假设物体表面光滑，忽略镜面反射，若E(xi,φ)是景物表面上任一面元dSi上方半球面上的微面元dSn的中心向dS沿着φ方向辐射的能量，则
E(xi,φ)=I(xn, φ,ni)cosθidσn(6)
其中，I(xn, φ,ni)为xn处xi方向的光亮度，θi为入射方向与面元dSn在xi处法向量的夹角，σn为dSn关于xi所张的立体角。观察者在φ方向上所感知的xi处的光亮度为
dIr(xi,φ,θ)=Ks I(xn, φ,ni)cosθidσn(7)
故观察者在φ方向上所感知的xi处的光亮度为
(8)
与上面类似可得到观察者在φ方向所感知的xi处得透射光亮度为
(9)
3 结论
基于图像的光照一致性研究在增强现实、图像合成等方面有很高的应用价值。基于图像的绘制技术在近年来逐渐成熟完善，但其本身也存在着明显的限制，比如用户只能通过改变场景的视点和方向对场景进行浏览，而不能改变场景本身的组成部分。本文在witted光照模型的基础上探讨了一个新的光照模型表达式，给出了相关参数及各种光亮度的计算方法。
参考文献：
[1] 罗亚波,陈定方.增强现实环境中的视觉一致性研究[J].武汉理工大学学报,2003,27(4):452-454.
[2] 钟慧娟,刘肖琳.增强现实系统及其关键技术研究[J].计算机仿真,2008,25(1):252-255.
[3] 邢静.基于图像的可视媒体构建[D].北京:北京交通大学,2007.
[4]Li F Q,Jupp D L P.An Evaluation of the Use of Atmospheric and BRDF Correction to Standardize Landsat Data[J].Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2010,3(3):267-270.
[5] 任鸿翔,王科伦.光照模型与Creator的明暗处理[J].大连海事大学学报,2003,29(2):90-93.
[6] Adelson E H,Bergen putation Models of Visual Processing[M].Cambridge,MA:MIT Press,1999
[7] 沈沉,沈向洋.基于图像的光照模型研究综述[J].计算机学报,2000,23(12):1261-1269.
[8] 罗亚波.实现虚拟浏览中的视觉一致性的视图分段插值方法[J].中国机械工程,2002,13(5):400-402.
[9] Hao Ping.A more general illumination model for surface reconstruction[C]// Intelligent Mechatronics and Automation, 2004:626-631.
[10] 邢静.基于图像的可视媒体构建[D].北京:北京交通大学,2007.
[11]丰艳.增强现实系统虚实无缝融合相关问题的研究[D].上海:上海大学,2007.
[12] 孙其民,吴恩华.纹理物体表面反射参数的恢复[J].计算机研究与发展,2002,39(11):1412-1416.
关键词：虚拟现实技术；云南特色民间工艺；传统文化；可持续发展
一、云南民间工艺的概念与保护难度
广义上讲，民间艺术是劳动者为满足生活需求而创造的艺术形式，包括工艺、民乐、舞蹈、戏曲等艺术形式。按照材质分类，有各种各样的民间工艺制成的纸，布，竹，木，石，皮革，金属，表面，泥，陶瓷，草柳，涂料和其他材料。它们一般以天然材料来制作，以手工方式进行制作，带有大量的地方风格和各个民族文化有大量联系，与生活方式关系密切。按照建造手艺的区分，又可以将民间艺术分为绘画类、编织类、剪刻类、印染类等等。云南对民间工艺保护意识觉醒较晚，这几年才开始保护，无论是法律上，还是现实保存设备都起步较晚，有大量珍贵的民间工艺文化遗产丢失，民间艺术濒临灭绝的境地。因此，需要把人们对民间工艺保护的意识给唤醒，但对民间工艺的保护却有很大的难度。
地区偏僻、交通的不完善起先使云南省的民间工艺保护得相对完善，大量民间工艺仍保留着起始的自然生态与地区风格，民间工艺传承保留完整。但因为社会的逐渐发展，人们生活方式的发展与变化，云南省特色民间工艺的保护现在面临严峻形势： 第一，传承关系。民间艺人先阶段年龄偏大，现在年轻人对传统民间工艺缺乏兴趣，使的本地的一些民间工艺传承出现危机。 第二，民间工艺在很多人心中失去了优势地位。艺术的发展离不开传统，民族艺术更具吸引力，意蕴。第三，民间工艺的教育缺失。在目前学校课程中基本没有设计民间艺术的课程。另外，由于资料匮乏及意识上的不重视，都是云南民间工艺所面临的现状。
二、虚拟现实技术的概念及在非物质文化遗产保护中的应用
虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种技术，科学技术综合发展起来的计算机领域的最新技术，也是力学、数学、光学、机构运动学等各类学科的综合利用。目前，虚拟现实技术已向增强虚拟现实和交互虚拟现实方向飞速发展。
虚拟现实（VR）技术发展至今，只是还处于摸索阶段。普遍认为：虚拟现实是一种综合利用各类技艺制造传神的人工摹拟情况，并能有效地摹拟人在自然情况中的各类感知体系行动的高档的人机交互手艺。虚拟现实的概念的基本特征。总结起来大概包括以下几点：沉浸感：让人模糊化真实世界与计算机世界界限沉浸其中。交互性：人们能够通过肢体语言与计算机模拟世界进行交流，主要是通过可穿戴设备采集信号和语言等方式的交流，改变了以前传统的展览方。
由于虚拟现实具有的大量不可替代的优势，虚拟现实技术现在被用于工业、建筑、教育、娱乐等方面，具有美好的前景。虚拟现实技术利用了大量现代科技并且加以融合，虚拟现实的关键技术有①基于图形的环境建模技术，②实时、限时三维动画技术，即实时三维图形生成技术③人机交互技术，包括头盔式三维立体显示器、数据手套、力觉和触觉传感器技术的研究④系统集成技术。
（一）环境建模技术
基于图形建模技术是利用三维软件进行虚拟环境建立。它是以计算机图形学为基础，开始对现实场景抽象化处理，用多边形建造虚拟场景的三维模型，并模拟虚拟场景中的光和材质。再在输出渲染场景，从而完成整个场景的漫游。
其主要优势：构造的三维模型比较符合人的感觉；其实现虚物实化，制作初期可能资料不完善，基于图形建模依据图纸就可以建立仿真的环境。弊端：主要是人们工作量大，数据更新难。简化模型数据量小，有较好实时性，但真实感差，而精细模型复杂，数据量大，直接影响实时性；一旦建立了固定的输入的基本模型，在虚拟场景中的模型本身不能实时修改，此外，场景的复杂性和保真度受到约束。
（二）实时三维动画技术
三维图形的建立已经发展好久，现在问题就是资源更新的问题， 三维图像的质量与资源更新是现在最大的矛盾。 此外，虚拟现实技术还依赖于设备的发展，如今设备还有所欠缺，需要硬件的继续发展与进步。
（三）人机交互技术
人机交互技术主是指摆脱原有的操控这令，通过我们的自然动态与设备沟通，并且产生一种身临其境的感觉。该技术是通过一个特殊的传感器设备来实现，比如，数据手套，运动跟踪，力反馈装置，用户可以签署的身体相关的信息反馈。
（四）系统集成技术
由于虚拟现实系统包括大量的感官信息和模型，系统集成技术为首要任务，包括信息同步技术，模型校准，数据转换技术、识别和合成等系统集成技术，简而言之，将构成一个虚拟现实环境应用于技术兼容的技术完美结合，回放速度和显示效果成为一个系统的过程。
非物质文化遗产和传统意义上的文化遗产最明显的区别是：前者是“生活”的文化空间。它是与特定的文化空间存在。问题是，过去的文化环境，在当代新的文化环境是如何存在，如何开发和改变？我们使用数字变换形式的虚拟现实技术来完成信息。用户可以通过多维信息交互的虚拟环境，获得理解客观世界的真实的东西。使静态到动态的文化遗产，通过生活形象，动态图像技术等静态的文化信息，动态地反映，它不再局限于写作和绘画等检查表面状态，真正将生活国家非物质文化遗产；虚拟现实环境发展方向，不仅可以再现真实的环境，也不存在或不可能发生。
三、虚拟现实技术应用于非物质文化保护的重要意义
据中国国内一次抽样调查表明：来华美国游客中主要目标是欣赏名胜古迹的占26%，对中国人的生活方式、风土人情最感兴趣的却达56.7%。从上述调查中发现，吸引游客的着力点是原汁原味的本土文化和民俗风情，而不是大量的人造商业设施。云南拥有丰厚的文化底蕴，创造了丰富灿烂的文化。
将非物质文化遗产的保护同当地的旅游经济一起开发，对于非物质文化的宣传起到很好的促进作用。虚拟现实技术在非物质文化遗产保护中的应用，不仅能够保护传统文化，还可以带来大量文化收入。
四、结论
随着外界因素的不断变化，原有的传统文化保护形式已经不能满足现在环境的需求，虚拟现实应运而生。相比传统有大量优势，在资源节约等方面的优势是无可取代的，虚拟现实应用于传统非物质文化遗产中是大势所趋。但现在由于虚拟现实还处于起步阶段，很多方式不完善，还需要时间来发展。
参考文献：
