虚拟仿真媒体理论、技术、开发与应用王昊上海交通有限公司计算机与

随着数字信息时代的到来，云计算、大数据、人工智能、虚拟现实等新一代信息技术加速迭代创新，推动数字内容的创意智能化升级、生产自动化转型台全媒体化融合、网络泛在化传播、视听高清化呈现、产业生态化程。

在此背景下，计算机图形图像技术，尤其是三维图形图像技术已经成为影视动画特效、动画影片、计算机游戏、虚拟现实、虚拟仿真及三维信息可视化等领域的基础技术。传媒、教育、工业互联网、电商新以及文化娱乐等领域的数字化战略转型升级都亟须通过深度结合三维图形图像技术，构建能够与现实空间交互的三维虚拟场景，以形成深度沉浸、高度仿真、实时可调整的人景互动模式，从而为行业发展与转型提供场景式实践体台，培养应用型综合人才，延伸各领域的数字生命周期。

但在实际实时制作与应用过程中，数字内容创作者一方面需要可以对场景建立或数据表行实时渲染、修改、调整的可视化创作工具；另一方面也缺乏更加便捷、、低门槛、易操作的计算机创意叙事方法和手段。为了解决上述问题，艾迪普科技公司依托自主研发的三维图形图像实时渲染、跟踪、识别、处理核心算，推出了适用于传媒、教育、军事、、工业互联网及能源互联网等领域的数字内容创作工具——iArtist实时三维可视化创作工具。

作为一款实时图形图像创作工具，iArtist可以提供数字内容智能生产、三维信息可视化、大数据可视化、虚拟仿真、信息交互、在线实装等应用服务。通过结合数字孪生、5G通信、虚拟现实/增强现实、全媒体交互、数字创意仿真、工艺仿真、云化仿真等技术，iArtist能够满足融媒体发展多样化需求，实现教育行业实践教学新目标，延伸工业企业数字生命周期，构造“科技赋能电商新”新模式，实现多元文化娱乐业态的广泛联动与深度融合。

本书在空间场景、视觉技术、艺术呈现的交流和碰撞中，基于技术与艺术结合形式，将iArtist能娓娓道来。作为一款应用于数字内容智能化创意生产领域的软件，作者以此抛砖引玉，愿能为数字内容生产者提供更便捷的创作工具与更广阔的交流发展空间，真正走上依托数字信息技术实现艺术价值的创作道路。

虚拟仿真是指利用计算机制作、多媒体呈现等手段，模拟真实世界的场景或物体，为用户创造出可听、可见、可触的虚拟世界的技术。

VR/AR制作等应用爆发式地增长，虚拟仿真技术在媒体行业得到越来越广泛的应用。

实现虚拟仿真在技术上有两个主要的路径，一是运用计算机图形技术，通过编写计算机程序来计算、处理和显示图形图像。二是使用已开发的图形和图像处理工具，通过艺术加工的途径来制作需要的图形图像。前者需要掌握相当的计算机图形图像方面的专业知识，对使用者来说门槛较高；后者是普通人经过不长时间的学习，掌握软件使用方法后，也可以入行操作，因而能够实现大面积的普及。

我们对相关理论和技行详细介绍。

1.pan style="font-family: 宋体;">计算机图形技术

1.1.pan style="font-family: 宋体;">计算机图形学

计算机图形学（Computer Graphics,CG）是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学主要研究的内容就是如何在计算机中表示图形，以及利用计算行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。

计算机图形学的核心目标在于创建有效的视觉交流。在科学领域，图形学可以将科学成果通过可视化的方式展示给公众；在娱乐领域，如在PC游戏、手机游戏、3D电影与电影特效中，计算机图形学发挥着越来越重要的作用；在创意或艺术创作、商业广告、产品设计等行业，图形学也起着重要的作用。

视觉交流可以分解为三个基本任务：表示、交互、绘制，即如何在计算机中“交互”地“表示”“绘制”出丰富多彩的主、客观世界。这里的“表示”是如何将主、客观世界放到计算机中去——二维、三维对象的表示与建模；而“绘制”又称“渲染”是指如何将计算机中的对象用一种直观形象的图形图像方式表现出来——二维、三维对象的绘制；“交互”是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现“表示”与“绘制”的技术。

1.1.2计算机图形技术框架

围绕计算机图形学的核心目标，三个基本任务组成了相应的计算机图形技术框架。

“表示”是计算机图形学的“数据层”，是物体或对象在计算机中的各种几何表示；“绘制”是计算机图形学的“视图层”，指将图形学的数据显示、展现出来。“表示”是建模、输入，“绘制”是显示、输出。“交互”是计算机图形学的“控制层”，它负责完成有效的对象输入与输出任务，解决与用户的交互问题。

计算机图形学的主要研究对象是点、线、面、体、场的数学构造方法与图形显示及其间变化的情况。具体可以分为以的内容：

（pan style="font-family: 宋体;">）描述复杂物体图形的方法与数学算法。二三维景物的表示是计算机图形显示的前提和基础括曲线、曲面的造型技术，实体造型技术，以及纹理、云彩、波浪等自然景物的造型和模拟；三维场景的显括光栅图形生成算法、线框图形以及真实感图形的理论和算法。

（2）物体图形描述数据的输入。

（3）几何和图形数据的存储括数据压缩和解压。

（4）物体图形数据的运算处理括基于图像和图形的混合绘制技术、自然景物仿真、图形用户接口、虚拟现实、动画技术和可视化技术等。

（5）物体图形数据的输出显示括图形硬件和图形交互技术等。

（6）实时动画和多媒体技术，研究实现高速动画的各种硬/软件方法、开发工具、动画语言以及多媒体技术。

（7）制定与图形应用软件有关的技术标准。

1.1.3计算机图形技术的应用（三维制作技术）

随着计算机图形学不断发展，它的应用范围也日趋广泛。目前计算机图形学的主要应用领域如下。

pan style="font-family: 宋体;">）计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）

这是计算机图形学广泛、重要的应用领域。它使工程设计的方法发生了巨大的改变，利用交互式计算机图形生成技行土建工程、机械结构和产品设计正在迅速取代绘图板加工字尺的传统手工设计方法，担负起繁重的日常制图任务以体方案的优化和细节设计工作。事实上，一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，将结果直接送至后续工行加工处理。

2)计算机辅助教学（CAI）

在这个领域中，图形是一个重要的表达手段，它可以使教学过程形象、直观、生动，激发学生的学习兴趣，极大提果。随着计算机的不断普及，计算机辅助教学系统已深入家庭。

3）计算机动画