设计一个虚拟现实系统，首要的问题是创建一个虚拟环境，这个虚拟环境包括三维模型、场景和三维声音等。在这些要素中，视觉场景提取的信息量大，反应也比较灵敏，所以创造一个逼真又合理的模型，并且能够实时动态地显示视觉场景使比较重要的。虚拟现实系统构建的很大一部分工作也是建造逼真合适的视觉场景的三维模型。

三维模型数据库的建模可分为八项工作：资料准备、数据预处理及优化、地形生成、三维物体模型构建、纹理处理、数据结构优化、细节层次处理、调试等。

（1）资料准备。资料准备指收集素材，主要包括数字地图、地形数据、卫星照片、航空照片、三维物体的三视图和尺寸、三维物体的三视角正向照片或各部分正向照片等。

（2）数据预处理及优化。根据总体设计要求，确定具体指标，对原始数据进行优化处理。

（3）地形生成。地形数据库的生成主要运用地形数据处理软件，如Creator Terrain Studio，创建出高效、连续的自适应地形，并设法用尽可能少的几何面表现尽可能丰富的地形。

（4）三维对象模型构建。使用MultiGen Creator、3dsMax等建模软件，以交互方式创建实物模型数据库。

（5）纹理处理。三维对象的纹理以实际拍摄的照片为原始资料，运用Photoshop等图像处理软件进行修正，生成三维对象的纹理。

（6）数据结构优化。在以上阶段结束后对几何面和结构节点的优化调整。

（7）细节处理，按层次划分LOD。为了平衡图形硬件的处理负担，应进行层次细节的划分，随着人眼观察变化而出现不同的层次细节。

（8）调试。场景数据库在建模平台上的工作基本完成后，将其移植到项目平台上。

建立模型即创立和管理一个系统的表示。这个系统既可以是单个对象，也可以是对象集合，它的一种表示称为系统的一个模型。系统模型可以用图形或符号定义，也可以完全描述性的定义。建立模型首先要实现的就是对系统的定义，虚拟场景一般是复杂的对象系统，对它的描述必须包括场景中所有对象。三维模型就是用三维图形来定义的系统模型。虚拟环境的建模是整个虚拟现实系统建立的基础，主要包括三维视觉建模和三维听觉建模，视觉建模包括几何建模、运动建模、物理建模和对象行为建模等。

1）几何建模

几何建模是开发虚拟现实系统过程中基本、重要的工作之一。虚拟环境中的几何模型是物体几何信息的表示，涉及表示几何信息的数据结构、相关的构造与操纵该数据结构的算法。虚拟环境中的每个物体包含形状和外观两个方面。物体的形状由构造物体的各个多边形、三角形和顶点等来确定，物体的外观则由表面纹理、颜色和光照系数来确定。因此，用于存储虚拟环境中几何建模的模型文件应该能够提供上述信息。同时，还要满足虚拟建模技术对虚拟对象模型要求的3个常用指标-交互显示能力、交互式操纵能力和易于构造的能力。

对象的几何建模是生成高质量视景图像的先决条件。它是用来描述对象内部固有的几何性

的抽象模型，所表达的内容如下。

（1）对象中基元的轮廓和形状，以及反映基元表面特点的属性，例如颜色。

（2）基元间的连接性，即基元结构或对象的拓扑特性。连接性的描述可以用矩阵、树和网齐等。

（3）应用中要求的数值和说明信息。这些信息不一定是与几何形状有关的，例如基元的名称，基元的物理特性等。

从体系和结构的角度来看，几何建模技术分为体素和结构两个方面。体素用来构造物体的原子单位，体素的选取决定了建模系统所能构造的对象范围。结构用来决定体素如何组合以构成新的对象。

几何建模可以进一步划分为层次建模方法和属主建模方法。

（1）层次建模方法。层次建模方法利用树形结构来表示物体的各个组成部分，对描述运动继承关系比较有利。在层次模型中，较高层次构件的运动势必改变较低层次构件的空间位置。

（2）属主建模方法。属主建模方法的思想是让同一种对象拥有同一个属主。属主包含了该类对象的详细结构。当要建立某个属主的一个实例时，只要复制指向属主的指针即可。每一个对象实例是一个独立的节点，拥有自己独立的方位变换矩阵。

几何建模在CAD技术中得到了广泛的应用，也为虚拟环境建模技术研究奠定了基础。但是几何建模仅建立了对象的外观，而不能反映对象的物理特征，更不能表现对象的行为，即几何建模只能实现虚拟现实“看起来像”的特征，却无法实现如下虚拟现实的其他特征。

（1）抽象地表示对象中基元的轮廓和形状有利于存储，但使用时需要重新计算，具体的表示可以节省生成时的计算时间，但存储和访问存储所需要的时间和控件开销比较大。具体采用哪一种方法表示取决于对存储和计算开销的综合考虑。

（2）几何建模一般可以表示为层次结构，因此可以使用自顶向下的方法将几个几何对象分解，也可以使用自底向下的构造方法重构一个几何对象。

（3）对象形状的构造方法有两种：直接测量和构造的方法。直接测量是对三维物体的表面进行测试得到离散三维数据，然后将这些数据用多边形描述从而构造得到多边形。可以通过PHIIGS、Starbase或GL、XGL将图形库创建，但一般都需要一定的建模工具。比较简便的方法是使用传统的CAD软件-AutoCAD，3ds Max等软件交互地建立对象模型。当然，得到高质量的三维可视化数据库的方法是使用专门的VR建模工具；另一种构造的方法是直接从某个商品库中选购所需的几个图形，这样可以避免直接用多边形或三角形拼构某个对象外形时烦琐和乏味的过程。

（4）对象外表的真实感主要取决于它的表面反映和纹理，以前通过增加绘制多边形的方法来增加真实感，但是这样会延缓图像生成的速度。现在的图形硬件平台具有实时纹理处理能力，在维持图形速度的同时，可用少量的多边形和纹理增强真实感。纹理可以用两种方法生成，一种是用图像绘制软件交互地创建编辑和储存纹理位图，另一种是用照片拍下所需的纹理，然后扫描得到，或者通过数码相机直接进行拍摄得到。

2）运动建模

在虚拟环境中，物体的特性还涉及位置改变、碰撞、捕获、缩放和表面变形等，仅仅建立静态的三维几何体对虚拟视景是不够的。

对象位置包括对象的移动、旋转和缩放。在VR中，不仅要涉及坐标系统，还要涉及每一个对象的相对坐标系统。碰撞检测是VR技术的一个重要技术，它在运动建模中经常使用。例如虚拟环境中，人不能穿墙而入，否则会与现实生活相悖。碰撞检测技术是虚拟环境中对象与对象之间碰撞的一种识别技术。为了节省系统开销（运行时间），常采用矩形边界检测的方法。

3）物理建模

物理建模指的是虚拟对象的质量、重量、惯性、表面纹理（光滑或粗糙）、硬度、变形模式（弹性或可塑性）等特征的建模，这些特征与几何建模和行为法则相融合，形成一个更具真实感的虚拟环境。物理建模是虚拟现实系统中比较高层次的建模，它需要物理学与计算机图形学配合，涉及力的反馈问题，主要是重量建模、表面变形和软硬度等物理属性的体现。分形技术和粒子系统就是典型的物理建模方法。

（1）分形技术。分形技术可以描述具有自相似特征的数据集。自相似的典型例子是树。若不考虑树叶的区别，当我们靠近树梢时，树的细梢看起来也像一棵大树。由相关的一组细梢构成的一根树枝，从一定距离观察时也像一棵大树。当然，由树枝构成的树从适当的距离看时自然是棵树。当然，这种分析并不十分精确，但比较接近，这种结构上的自相似称为统计意义上的自相似。自相似结构可以用于复杂的不规则外形物体的建模。该技术首先被用于河流山体的地理特征建模。举一个简单的例子，我们可利用三角形来生成一个随机高程（Elevation Data）的地形模型：取三角形三边的中点并按顺序连接起来，将三角形分割成4个三角形，同时，我们给每个中点随机地赋予一个高程值，然后，递归上述过程，我们就可产生相当真实的山体。

分形技术的优点是用简单的操作就可以完成复杂的不规则物体建模，缺点是计算量太大，不利于实时性。因此，在虚拟现实中一般仅用于静态远景的建模。

（2）粒子系统。粒子系统是一种典型的物理建模系统，粒子系统是用简单的体素完成复杂的运动的建模。粒子系统由大量称为粒子的简单体素构成，每个粒子具有位置、速度、颜色和生命期等属性，这些属性可以根据动力学计算和随机过程得到。在虚拟现实中，粒子系统常用于描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象。在虚拟现实中粒子系统用于动态的、运动的物体建模。

4）对象行为建模

在虚拟环境中，除了考虑一个对象的“静态”的三维几何数据，还必须考虑虚拟环境随着位置、碰撞、缩放、表面变形等变化而动态产生的变化。比如碰撞检测、力感反馈等。

几何建模与物理建模相结合，可以部分实现虚拟现实“看起来真实、动起来真”特性，而要构造一个能够逼真地模拟现实世界的虚拟环境，必须采用行为建模方法。行为建模处理物的运动和行为的描述。如果说几何建模是虚拟环境建模的基础，行为建模则真正体现出虚拟王境的特征。一个虚拟环境中的物体若没有任何行为和反应，则这个虚拟环境是孤寂的，没有

命力的，对于虚拟现实用户是没有任何意义的。

虚拟现实本质是客观世界的仿真或折射，虚拟现实的模型则是客观世界中物体或对象的代表。而客观世界中的物体或对象除了具有表观特征如外形、质感以外，还具有一定的行为或能力，并且服从一定的客观规律。例如；把桌面上的重物移出桌面，重物不应悬浮在空中，而应当做自由落体运动。因为重物不仅具有一定外形，而且具有一定的质量并且受到地心引力的作用。又如，创建一个人体模型后，模型不仅应具有人体表观特征，而且还应当具有在虚拟视景中呼吸、行走、奔跑等行为能力，甚至可以做出表情反应。也就是说，模型应该具有自主性。

行为建模就是在创建模型的同时，不仅赋予模型外形、质感等表观特征，同时也赋予模型物理属性和“与生俱来”的行为与反应能力，并且服从一定的客观规律。

如果说几何建模技术主要是计算机图形学的研究成果，那么，物理建模和行为建模则只能是多学科协同研究的产物。例如，山体滑坡现象是种复杂的自然现象，它受到沿坡体构造、气候、地下水位、滑坡体饱水程度、地震烈度以及人类活动等诸多因素的影响和制约，山坡的稳定性还受到水位涨落的影响，要在虚拟现实和计算机仿真中建立山体滑坡现象模型、并客观地反应出其对各种初始条件和边界条件的响应，必须综合岩石力学、工程地质、数学、计算机图形学、专家系统等多个学科的研究成果，才能建立相应的行为模型。

5）模型分割

把虚拟世界分割成更小的“宇宙”和“单元”的过程被称作模型分割，只有当前单元中的对象才被绘制，这样极大减少了模型的复杂性。用得比较多的是LOD（Level of Details）分割。一个系统里面可以保存几种不同的LOD的物体，当物体离观察者较近的时候，需要使用第一级即具有比较多细节的物体模型，当物体远离观察者或者观察者远离物体时，用户看到的细节就会减少，系统没必要再为用户渲染出第一级LOD的图形，而是渲染出第二级LOD即细节比第一级LOD少的图形。以此类推，距离越远，渲染出更少细节的LOD图形。

注：本文出自《多媒体应用设计师教程》，清华大学出版社出版，李振华主编。我在这里分享是因为它深深触动了我，并希望更多人能够受益于它的智慧和启发。请尊重原创者的知识产权并前往原文阅读完整内容。