中国矿业大学地学可视化考试重点 地学可视化 复习

科学计算可视化：通过研制计算机工具、技术和系统，把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像，从而可进行数据探索和分析，是帮助科学家理解信息的计算方法。

地学可视化：是将科学计算可视化应用于地球科学观察，对地学实验数据以及模型计算数据进行图形表达、显示和分析，以便于探索地学规律。

虚拟现实：一种基于可计算信息的沉浸式交互环境。以计算机技术为核心的由现代高科技技术生成的逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。

虚拟地理环境：为用户提供一个虚拟空间和世界，让用户以化身虚拟地进入该空间和世界，并“身临其境”地分析现实地理环境中的现象和过程。

数字地球：数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活质量。

数字城市：指利用数字城市理论，运用地理信息系统、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等关键技术，深入开发与应用空间信息资源，对城市基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测、管理和辅助决策的技术系统。

虚拟现实的特点：

（1）沉浸感(Immersion)用户可以沉浸于计算机生成的虚拟环境中，所看、所听、所闻(嗅)、所触完全与真实环境感受一样。三维、立体、多通道。

（2）交互性(Interaction )可采取现实生活中习以为常的方式来操纵虚拟环境中的物体。

对于用户的交互虚拟环境会做出的响应；

（3）构想(Imagination)

用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行了各种交互作用，从而可以深化概念，萌发新意，产生认识上的飞跃

虚拟现实的硬件：

（1）三维定位跟踪设备。用于跟踪用户当前位置和方位的传感器，佩戴于用户身体的某些部位可对相应部位进行跟踪。6自由度（6-DOF），位置和方向各3自由度。

（2）手持式交互设备

（3）数据手套。附有传感器，分布在手掌和手指的关节处，以获取用户手形的准确信息。传感器捕获的数据被转换成关节角度数据，用于控制虚拟手的运动（4）三维鼠标

（5）运动捕捉设备

（6）触觉和力反馈设备

（7）输出设备-大屏幕

（8）输出设备-3D显示器

（9）输出设备-数字头盔

虚拟现实系统分类：

按照交互及浸入程度不同，可分为：

（1）桌面式VR系统（Desktop VR）

采用计算机屏幕作为立体显示载体, 辅以一定的声音输出设备、三维交互设备和立体眼镜等。缺点：受到周围现实环境的干扰而不能获得完全的沉浸感。优点：便宜。

（2）沉浸式VR系统（Immersive VR）

利用HMD等设备把用户的视觉、听觉对外界封闭起来

优点：用户完全投入到虚拟环境中，能提供好的沉浸感

缺点：阻断了人与人间的交流

利用大规模投影显示设备让用户完全融入虚拟环境。计算机系统产生立体图像，经投影仪分别投射到对应的屏幕上。用户戴着立体眼镜站于CAVE的内部。立体眼镜上附有6-DOF跟踪设备对用户头部运动进行实时跟踪

（3）增强式VR系统（Augmented VR）

将计算机生成的图形与用户在真实物理世界获取的视觉信息组合在一起，又被称为叠加式或补充现实式VR系统。终极目标：用户感觉不到现实世界中的真实物体与用于增强视觉信息的虚拟物体之间的差别

（4）分布式VR系统（Distributed VR）

指基于网络构建的虚拟环境，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。

主要被应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演习等领域。

三维数据模型分类：

TIN模型：用连续但不重叠的不规则三角网，来描述三维物体的表面；

Grid模型：采用规则的网格来描述三维物体表面。

等高线模型：采用等值线来描述三维物体表面

边界表示模型（B-Rep）:一个实体可以通过它的面的集合来表示，而每一个面又可以用边来描述，边通过点表示，点通过三个坐标值来定义。

线框模型（Wire Frame）: 把目标空间轮廓上两两相邻的采样点或特征点用直线连接起来，形成一系列多边形，然后把这些多边形面拼接起来形成一个多边形网格来模拟三维物体的表面断面模型：传统地质制图方法的计算机实现，即通过平面图或剖面图来描述矿床，以记录地质信息。

构造实体几何模型(CSG)：预定义一些形状规则的基本体元，由体元之间的几何变换和正则布尔操作(并、交、差)，组合成复杂形体。

体素模型（Voxel）：2D grid模型的扩展，以一组规则的3D体素来剖分所要模拟的空间。

TEN模型：用互不相交的直线将3D空间中无重复的散乱点集两两连接形成三角面片，再由互不穿越的三角面片构成四面体格网

TIN-CSG混合模型：TIN描述地形，CSG描述建筑物，适于城市应用。

生成真实感图形的步骤：

1. 构造三维场景的几何描述。(造型)

2. 投影转换为二维透视图。(投影)

3.确定可见面。(消隐)

4. 计算可见面的颜色。(光照)

颜色模型：

（1）面向硬件的颜色模型：

RGB模型（加色）

CMY模型（Cyan青、Magenta品红、Yellow黄）（减色）

（2）面向用户的颜色模型

HSV模型H(Hue)色彩，S(Saturation)饱和度，V(Value)明度

光照模型：当光照射到物体表面时，光线可能被吸收、反射和透射。被物体吸收的部分转化为热，反射、透射的光进入人的视觉系统，使我们能看见物体。为模拟这一现象，需要建立一些数学模型来替代复杂的物理模型，这些模型就称为明暗效应模型或者光照(明)模型。

光照模型分类：

（1）局部光照模型：假定物体是不透明的，只考虑光源的直接照射，而将光在物体之间

的传播效果笼统地模拟为环境光。

（2）整体光照模型：可以处理物体之间光照的相互作用的模型称为整体光照模型 局部光照模型：

局部光照模型模拟物体表面的对光的反射作用。

物体被定义为不透明物体，只考虑物体对直接光的反射，物体间的光反射作用采用环境光来表示。

光源被定义为点光源,反射分为镜面反射(Specular Reflection)和漫反射(Diffuse Reflection) 典型代表：Phong 光照模型

整体光照模型：

从视点观察到的物体A 表面的亮度来源于三方面的贡献：

（1）光源直接照射到A 的表面，然后被反射到人眼中的光产生的。

（2）光源或其它物体的光经A 物体折射到人眼中的光产生的。

（3）物体B 的表面将光反射到物体A 的表面，再经物体A 的表面反射到人眼中产生的。 局部光照模型仅考虑了（1）

ｐｈｏｎｇ光照模型：

由物体表面上一点P 反射到视点的光强I 为环境光的反射光强Ie 、理想漫反射光强Id 、和镜面反射光Is 的总和。

n s d p a a s

d e R V K N L K I K I I I I I ?+?+=++= 环境光：在空间中近似均匀分布，即在任何位置、任何方向上强度一样,记为Ia 环境光反射系数Ka ：在分布均匀的环境光照射下，不同物体表面所呈现的亮度未必相同，因为它们的环境光反射系数不同

Is 为镜面反射光强

Ip 点光源的亮度

Ks 是与物体有关的镜面反射系数。

n 为镜面反射指数

ｐｈｏｎｇ存在的问题：

显示出的物体（如塑料）没有质感

环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光

镜面反射的颜色是光源颜色，与物体的材料无关

镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真

什么是OpenGL：

OpenGL是一个功能强大的开放图形库（Open Graphics Library），是图形与硬件的接口，包含250个函数，用户使用这些函数来建立模型机进行三维交互。

什么是三维图形借口3D API：

3D API ：Application Programming Interface,是许多程序的大集合。一个3D API能让编程人员所设计的3D软件只要调用其API内的程序，让API自动和硬件的驱动程序沟通，启动3D芯片内强大的3D图形处理功能，从而大幅度地提高了3D程序的设计效率。

常见的3D API：

SGI公司的OpenGL、Microsoft公司的Direct3D、Apple公司的Quick-Draw 3D、3Dfx公司的Glide 、Autodesk公司的Heidi

OpenGL是怎么实现三维图形绘制的？

世界坐标系中的三维物体→三维几何变换→投影→三维剪裁→视口变换→屏幕坐标系中的图形显示。

几何变换过程：

1. 模型/造型变换：它确定模型的位置和方向，对模型进行旋转、平移和缩放。用到三个子函数：glTranslate*(x, y, z) 、glRotate*(x, y, z) 、glScale*(x, y, z) 。每个函数都会产生一个矩阵，并右乘当前矩阵。

2. 视图变换：它类似将照相机指向物体，即确定视点（观察点）的位置和观察方向。一般

用的函数为glu封装的函数：

void gluLookAt(GLdoubleeyex, GLdoubleeyey, GLdoubleeyez, --------- 观察点

GLdoublecentrex, GLdoublecentrey, GLdoublecentrez, -- 视线方向：从eye 指向centre GLdoubleupx, GLdoubleupy, GLdoubleupz ------------ 视图体自下而上的方向)

3. 投影变换: 确定一个取景体积：①确定物体投影到屏幕的方式，及是透视投影还是正交投影。②确定从图形上裁剪掉的范围。

4. 视口变换：视口就是窗口中矩形绘图区域。用窗口管理器在屏幕上打开一个窗口时，已经自动把视口设为整个窗口的大小，可以用glViewport命令设定一个较小的绘图区。voidglViewport(GLintx,GLinty,GLintwidth,GLint height);

(x,y)：视区左下角点width，height：视区的宽和高

纹理映射：也叫做纹理贴图，把一幅图像贴到三维物体的表面上，来增强真实感

glBegin

glEnd

glColor

平行投影glOrtho(GLdouble left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdouble near, GLdouble far);

透视投影1: void glFrustum(GLdouble left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdouble near, GLdouble far);

透视投影2：

void gluPerspective(GLdoublefovy, GLdouble aspect, GLdoublezNear, GLdoublezFar);

视口变换void glViewport(GLintx,GLinty,GLintwidth,GLint height);

(x,y)：视区左下角点

width，height：视区的宽和高

gluLookAt(GLdobleeyex,GLdoubleeyey,GLdoubleeyez,GLdoublecenterx,GLdoublecentery,GLdou blecenterz,GLdoubleupx,GLdoubleupy,GLdoubleupz);

它选取eyex,eyey, eyez确定相机的位置，然后centerx, centery,centerz规定往哪里看，看的方向用在那里的一个点的坐标表示，upx,upy,upz是观察者（相机）头顶朝向，用头顶指向的方向向量示。

平移void glTranslate {fd} (TYPE x, TYPE y, TYPE z);

旋转void glRotate {fd} (TYPE angle, TYPE x, TYPE y, TYPE z); （角度，绕哪个轴）

缩放void glScale {fd}(TYPEx, TYPE y, TYPEz) （沿三个轴缩放的比例因子）

压栈void glPushMatrix(void) 前

弹栈void glPopMatrix(void)后

光照

glClearColor (0.0, 0.0 , 0.0 , 0.0 );

glShadeModel (GL_SMOOTH);

//设置参数

GLfloatlight_position [] = { 1.0, 1.0 , 1.0 , 0.0 };//第四个参数为0，方向性光源，前三个参数指定方向。若第四个参数不为0，则为位置光源，前三个参数指定位置。

GLfloatlight_ambient [] = { 0.0, 0.0 , 0.0 , 1.0 };//环境光

GLfloatlight_diffuse [] = { 1.0, 1.0 , 1.0 , 1.0 };//漫反射

GLfloatlight_specular [] = { 1.0, 1.0 , 1.0 , 1.0 };//镜面反射

GLfloatlmodel_ambient []={0.1, 0.1,0.1 ,1.0};// 光照模式中用到的参数

//用glLightfv设置光源属性(指定光源，光源属性，属性值)

glLightfv(GL_LIGHT0 , GL_POSITION, light_position);//光源位置

glLightfv(GL_LIGHT0 , GL_AMBIENT,light_ambient);//光的环境强度

glLightfv(GL_LIGHT0 , GL_DIFFUSE,light_diffuse);//光的散射强度

glLightfv(GL_LIGHT0 , GL_SPECULAR,light_specular);//光的镜面强度

GLfloatmat_ambient [] = { 0.2, 0,0 ,1.0 };

GLfloatmat_diffuse [] = { 0.8, 0,0 ,1.0 };

GLfloatmat_specular [] = { 0.0, 0.0 , 0.0 , 1.0 };

//用glMaterialfv设置材质属性，(face即材质属性应用于哪个面，材质属性，属性值) glMaterialfv (GL_FRONT, GL_AMBIENT, mat_ambient );

glMaterialfv (GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse );

glMaterialfv (GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular );

glLightModelfv (GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT,lmodel_ambient); //光照模式

//(参数名，参数值) GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT：整个场景的环境光的RGBA强度。glEnable(GL_LIGHTING );//设置光照开关，相当于电闸

glEnable(GL_LIGHT0 );//设置light0可用，相当于打开灯light0

glEnable(GL_DEPTH_TEST );

VRML的概念：VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言。是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，也具有平台无关性。

是一种面向WEB、面向对象的三维造型解释语言；

是一个开放的、可扩展的场景描述语言与标准。

不仅支持数据和过程的三维显示，而且能使用户走进视、听效果逼真的虚拟世界。

定义了三维应用系统中常用的语言描述，如层次变换、光源、视点、几何造型、动画、材质、雾化和纹理映射等，并具有简单的行为特征描述功能

GeoVRML：一种地理虚拟建模语言。用虚拟现实建模语言（VRML）为基础来描述地理空间数据。其目的是让用户通过一个在Web浏览器安装的标准的VRML插件来浏览地理参考数据、地图、和三维地形模型。

VRML后缀：

文本格式扩展名为.wrl

二进制格式扩展名为.wrz

VRML编辑器：

记事本Internet3D Space Builder VRMLPad

VRML浏览器：

CortonaCosmoPlayer BS Contact OpenVRML

节点：节点是VRML文件最基本的组成要素，是VRML文件基本的组成部分。

节点是对客观世界中各种事物、对象、概念的抽象描述。

VRML文件就是由许多节点之间并列或层层嵌套而构成的

每个节点包含子节点和描述节点属性的“域名”或“域值”。

事件：

每一个节点一般都有两种事件，即一个“入事件”和一个“出事件”。

在多数情况下，事件只是一个要改变域值的请求

“入事件”请求节点改变自己某个域的值

“出事件”则是请求别的节点改变它的某个域值。

路由：

路由是产生事件和接受事件的节点之间的连接通道。

路由的作用：将各个不同的节点联系在一起，使虚拟空间具有更好的交互性、立体感、动感性和灵活性。

长度：VRML单位

角度：弧度制

颜色：RGB