一：引言

计算机图形学是计算机科学与技术的一个重要分支，它研究的是计算机中所表示的三维物体或场景中的各种几何对象及其之间的空间关系。随着虚拟现实技术的发展，其在医疗、军事、工业设计等诸多领域都有了广泛应用，使得人们对计算机图形学的需求越来越高。本文从三个方面讨论了计算机图形学在虚拟现实中的应用。介绍了计算机图形学的基本概念及发展历史，分析了三维数据结构在虚拟现实中应用的必要性；介绍了三维数据结构在虚拟现实中应用的几个主要方向；简要介绍了计算机图形学在虚拟现实中的研究内容及发展趋势等。

（一）计算机图形学

计算机图形学是研究如何利用计算机生成连续的、真实的几何对象。从概念上讲，计算机图形学就是研究如何将现实世界中的物体进行表示，并将其转换为计算机能识别和处理的数据形式，以供人们在计算机上进行实时的图像绘制和编辑。

计算机图形学的研究内容包括：几何造型、对象之间的空间关系、光线追踪技术、实时渲染技术、视觉分析和人工智能等。其中，在实时渲染方面，由于硬件性能和算法性能等因素限制，在计算机上实现实时渲染是一个很大的挑战。因此，研究如何降低处理时间、提高系统效率就显得尤为重要。随着硬件技术的不断进步，如何快速高效地绘制出高质量的图形已成为计算机图形学研究中一个十分重要的问题。

（二）虚拟现实技术

虚拟现实是一种计算机仿真系统，其利用计算机图形学技术将虚拟的世界映射到使用者的感官中，使使用者产生身临其境的感觉，可以用于对物体或环境的仿真，还可以用于人机交互、三维游戏等。虚拟现实技术主要由六个部分组成，即：图像生成、人机交互、运动模拟、场景生成与管理、语音识别和数据交换。虚拟现实技术的发展趋势主要有三点：人机交互的实时性越来越高；虚拟现实的交互性越来越强；虚拟现实与现实世界的融合程度越来越深。

在三维图形学中，计算机图形生成主要包括两种类型，一是基于图像生成，二是基于模型生成。前者主要通过图像处理技术生成模型，后者主要通过计算机图形学技术进行模型生成。从目前虚拟现实技术的发展情况来看，主要有三种方法：①基于图像处理技术；②基于计算机图形学技术；③基于物理模型。

（三）三维数据结构

在虚拟现实系统中，物体的数据结构主要分为两种：一种是三维模型数据，一种是场景中的视点数据。在虚拟现实中，通常情况下我们所指的三维模型是指三维几何模型，而视点则是指从不同的角度观察物体时看到的不同图像。对于场景中的视点数据，一般情况下我们使用“点”来表示。

三维数据结构在虚拟现实中的应用主要有以下几个方面：

（1）实时绘制。由于三维几何模型通常比较复杂，如果需要对其进行实时绘制，则需要采取一定的算法来保证图像的流畅性。当前主流算法包括着色器、数组、基于细节层次和基于图像空间等方法。

（2）几何造型。利用计算机图形学手段来实现对模型的构造过程称为几何造型。主要有两种方法：一种是对三维几何模型进行几何变换；另一种是根据变换结果来构造新的三维几何模型。

（3）碰撞检测。在虚拟现实系统中，碰撞检测是保证实时显示效果和实现良好交互效果的关键技术之一。

二：相关概念及发展历史

计算机图形学是研究计算机视觉、图像处理、图形学等领域中，几何图形和图像的生成、变换、显示与应用的科学。它是一门以研究图形生成为中心的科学，其目的是用计算机来实现人从不同角度看到的现实世界中物体的各种几何形状和位置关系，并将其转换成计算机所能理解和显示的形式。因此，它是研究计算机与现实世界之间交互关系的科学。计算机图形学的发展经历了由简单到复杂、由直观到抽象、由静态到动态、由低级到高级等四个阶段。

简单阶段是从二维平面图像开始，实现二维平面上物体的几何图形表示。如，二维平面上点和直线的坐标表示等。

随着技术水平和经济实力的提高，人们开始研究，实现复杂化。如在航空、航天等领域中，使用了大量的三维实体模型。

从二维到三维是一次飞跃，其关键在于对图形生成算法及图形系统进行改进与优化。此时，计算机图形学从单纯地研究图像本身转向了对图像生成算法及系统结构的研究，并逐步形成了一些新算法。

发展到抽象阶段后，计算机图形学开始关注图形系统及其应用技术。这时的图形系统已经不再局限于二维平面图像，而是扩展到了更高维空间，如三维空间、四维空间等。

三：虚拟现实中的计算机图形学

目前，虚拟现实系统的基本组成包括：实时三维模型重建技术、实时图像生成技术、实时音频生成技术等。其中，实时三维模型重建技术是虚拟现实系统的核心技术。通过该技术，可以使虚拟现实系统能够为用户提供逼真的三维虚拟世界，并能实时地与用户进行交互操作。

所谓三维模型重建，就是通过计算机图形学的相关理论与技术，对三维模型进行数据处理及优化处理，然后在虚拟环境中生成所需要的各种虚拟场景和物体模型。其主要步骤包括：数据采集、数据预处理、三维模型重建、场景优化、生成与交互等。

而实时图像生成则是在虚拟环境中实时生成动态图像的过程，即采用相关算法来建立场景模型，并对场景中的各种物体进行实时绘制。它主要包括：运动追踪、纹理映射、视点相关和光照相关等算法。

目前，虚拟现实系统所使用的三维图像大多为二维图像。这是因为在现实世界中，物体之间是相对运动的。而在虚拟现实系统中，由于计算机只需要读取场景中的二维信息并进行处理，因此系统不需要使用这些二维图像来生成三维模型。

（一）三维模型

通过对三维模型的建立，我们可以将现实世界中的事物在虚拟的空间中进行展现，也可以通过它来了解现实世界中不存在的事物。所以说，三维模型是虚拟现实系统最基本的数据之一。从本质上来讲，它是一个由实体构成的“类”，它可以描述物体的形状、大小、位置和运动等。在虚拟现实系统中，通常使用实体建模和几何建模两种方法来创建三维模型。其中，实体建模是指通过对模型进行分类、提取和简化，将模型转化为具有特定几何形状的模型，从而为计算机提供与该模型相对应的三维数据；几何建模是指通过对物体进行分解和组合，将复杂的曲面、曲线等转换为简单几何体，然后使用这些简单几何体来描述虚拟世界中的物体。与实体建模相比，几何建模更容易实现三维空间到二维空间的转换。同时，由于采用了几何建模方法，三维模型的尺寸不会因变化而变大或变小。因此在虚拟现实系统中，使用几何建模方法可以很好地满足虚拟环境中实时漫游、交互控制、场景编辑等要求。但是这种方法需要建立大量三维模型才能达到要求，因此在实际应用中通常使用实体建模方法来实现三维模型。

（二）实时图像生成

在虚拟现实系统中，实时图像生成是指使用计算机图形学技术将场景中的物体进行实时地绘制，以形成三维图像。其中，运动追踪算法可以让计算机更好地理解场景中的物体之间的关系，从而使计算机生成的图像更加逼真；纹理映射算法可以让计算机更好地理解场景中的物体在不同光照条件下的外观，从而使生成的图像更加逼真；视点相关算法可以使计算机对场景中物体的位置及姿态进行实时跟踪，从而使生成的图像更加逼真。

在虚拟现实系统中，由于用户只能看到一个固定角度和位置的场景，所以为了达到更好的沉浸感和交互性，在对虚拟场景进行渲染时需要将场景中各个物体同时进行渲染。而在对物体进行渲染时，我们可以利用实时纹理映射算法来对场景中各个物体进行实时绘制。例如，在对虚拟家具进行渲染时，我们可以将不同家具摆放到场景中不同位置上，然后用纹理映射算法来对其进行实时绘制；当我们在对虚拟家具进行渲染时，还可以将虚拟家具与真实家具一起进行渲染。

（三）实时音频生成

实时音频生成技术是在虚拟现实系统中，实时生成声音信号的一种方法。建立声音信号与虚拟场景之间的对应关系。即在虚拟场景中，根据用户的输入，实时地产生与之相应的声音信号。这可以通过动态生成语音信号或模拟自然语言信号的方式来实现。在实时音频生成过程中，为了确保合成与虚拟场景之间能够对应起来，我们需要确定虚拟场景中各种物体或物体之间的位置关系。

四：研究内容及应用领域

（一）虚拟场景的建模和可视化。

虚拟场景是计算机图形学的一个重要研究领域，它是虚拟现实系统的重要组成部分，决定着虚拟现实系统的逼真程度和交互性能。目前，虚拟场景建模的主要方法是基于物理和基于几何。对于物理模型，可以根据物体运动规律和物理属性将其划分为多个子区域，然后通过相应的映射函数将各子区域映射到对应的几何模型中。对于几何模型，可以根据物体之间的几何关系建立相应的空间变换矩阵，通过该矩阵来实现物体之间的交互和运动。

（二）虚拟对象及其运动模拟。

虚拟对象是指能够提供交互作用或者能被观察、操作、控制而不具有实际形状、大小、结构、位置或物理属性等特征的物体，是虚拟现实系统中最重要的组成部分。由于虚拟对象与真实世界中的对象是截然不同的，因此对虚拟对象进行建模非常困难，并且需要考虑到各种复杂因素。目前主要有以下几种方法：基于物理模型、基于纹理映射和基于混合建模等方法。

（三）实时绘制技术。

实时绘制是指将从三维模型数据到场景图像数据进行绘制和显示，而不是从图形数据到三维模型数据进行绘制和显示。图形实时绘制，真实感绘制目的就是模拟真实物体的物理属性，也就是物体的光学性质、物体形状、表面纹理以及物体之间的位置关系等，真实感绘制还能够重现真实世界的场景。对于自然景物的仿真技术，需要模拟真实景物的光照辐射、明暗效应、颜色模型和光线追踪等，为了实现用不同色彩灰度来增强模拟图像的真实感，还需要处理物体表面的明暗程度。

（四）平面设计与动画技术

平面设计与动画技术就是属于计算机图形学与图像学领域，基于计算机平面设计、动画技术为设计人员提供了更多的技术支持，目前，基于平面设计的广告设计、网页设计、电脑绘画艺术设计等已经成为相关从业人员必须具备的专业技术。动画技术与动画技术有一定关系的视频剪辑、包装技术其实也是在计算机图像技术支持下才得以发展的。这些技术从本质上看可能属于艺术创作范畴，但可以说，如果脱离了计算机图形学技术的支持，其也不会得到广泛的应用。

（五）人机交互技术。

人机交互是虚拟现实系统中另一个重要组成部分。由于虚拟现实系统中交互操作存在着时间和空间上巨大的延迟，所以必须对用户进行实时反馈和控制，以增强虚拟现实系统体验效果和交互性。目前主要有以下几种方式：通过输入设备来实现与用户交互；通过控制器来实现与虚拟环境互动；通过手势、眼动等行为来实现与虚拟环境互动；通过声音、文本等方式进行与虚拟环境交互；通过触摸等方式来与虚拟环境交互。人机交互技术涉及计算机图形学、模式识别、人工智能、人机工程、人机界面、计算机视觉以及人机交互接口等多个领域，是一个涉及多学科的综合技术领域。

五：结束语

计算机图形学是虚拟现实技术的重要支撑，在虚拟现实技术中发挥着重要作用。随着计算机图形学的快速发展和进步，虚拟现实系统中的各种交互方式也越来越完善。未来的虚拟现实系统将会更加重视用户感知和体验，利用视觉、听觉、触觉等多个通道来增强用户体验，利用动态交互技术来控制用户的感知和行为。计算机图形学已经成为虚拟现实技术的基础支撑技术，未来计算机图形学还将在更多领域得到应用和发展。

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