第三章虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)24

1、第三章 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)與軟件1.環(huán)境建模技術(shù)虛擬環(huán)境建模的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。VR系統(tǒng)中環(huán)境的建模技術(shù)與其圖形建模技術(shù)相比，主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：虛擬環(huán)境中可以有很多物體，往往需要建造大量完全不同類型的物體模型。虛擬環(huán)境中有些物體有自己的行為，而其他圖形建模系統(tǒng)中一般只有構(gòu)造靜態(tài)的物體，或是物體簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)。虛擬環(huán)境中的物體必須有良好的操縱性能，當(dāng)用戶與物體進(jìn)行交互時(shí)，物體必須以某種適當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)作出反應(yīng)。VR系統(tǒng)統(tǒng)包括三三維視覺(jué)覺(jué)和三維維聽(tīng)覺(jué)建建模等。在當(dāng)前前應(yīng)用中中，環(huán)境境建模一一般主要要是三維維視覺(jué)建建模。三

2、三維視覺(jué)覺(jué)建模又又是可分分為幾何何建模、物理建建模、行行為建模模等。(1)幾幾何建模模技術(shù)幾何建模模技術(shù)主主要研究究對(duì)象是是對(duì)物體體幾何信信息的表表示與處處理，它它是涉及及表示幾幾何信息息數(shù)據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)，以以及相關(guān)關(guān)的構(gòu)造造與操縱縱數(shù)據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)的算算法建模模方法。幾何建模模通常采采用以下下4種方方法：利用VR工具具軟件來(lái)來(lái)進(jìn)行建建模。直接從從某些商商品圖形形庫(kù)中選選購(gòu)所需需的幾何何圖形。利用常常用建模模軟件來(lái)來(lái)進(jìn)行建建模。直接利利用VR編輯器器。（2）物物理建模模技術(shù)典型的物物理建模模技術(shù)有有分形技技術(shù)和粒粒子系統(tǒng)統(tǒng)。分形技技術(shù)分形技術(shù)術(shù)是指可可以描述述具有自自相似特特征的數(shù)數(shù)據(jù)集。分形技術(shù)術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

3、點(diǎn)是用簡(jiǎn)簡(jiǎn)單的操操作就可可以完成成復(fù)雜的的不規(guī)則則物體建建模，缺缺點(diǎn)是計(jì)計(jì)算量太太大，不不利于實(shí)實(shí)時(shí)性。因此，在VR系統(tǒng)中中一般僅僅用于靜靜態(tài)遠(yuǎn)景景的建模模。粒子系系統(tǒng)粒子系統(tǒng)統(tǒng)是一種種典型的的物理建建模系統(tǒng)統(tǒng)，粒子子系統(tǒng)是是用簡(jiǎn)單單的體素素完成復(fù)復(fù)雜的運(yùn)運(yùn)動(dòng)建模模。（3）行行為建模模技術(shù)行為建模模負(fù)責(zé)物物體的運(yùn)運(yùn)動(dòng)和行行為的描描述。如如果說(shuō)幾幾何建模模是VR建模的的基礎(chǔ)，行為建建模則真真正體現(xiàn)現(xiàn)出VR的特征征。在虛擬環(huán)環(huán)境行為為建模中中，建模模方法主主要有以以下兩種種：運(yùn)動(dòng)學(xué)學(xué)方法運(yùn)動(dòng)學(xué)方方法是通通過(guò)幾何何變換，如物體體的平移移或旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)等來(lái)描描述運(yùn)動(dòng)動(dòng)。動(dòng)力學(xué)學(xué)仿真運(yùn)動(dòng)力學(xué)學(xué)仿真運(yùn)運(yùn)用物理理

4、定律而而非幾何何變換來(lái)來(lái)描述物物體的行行為。2.實(shí)時(shí)時(shí)三維圖圖形繪制制技術(shù)實(shí)時(shí)三維維圖形繪繪制技術(shù)術(shù)指利用用計(jì)算機(jī)機(jī)為用戶戶提供一一個(gè)能從從任意視視點(diǎn)及方方向?qū)崟r(shí)時(shí)觀察三三維場(chǎng)的的手段，它要求求當(dāng)用戶戶的視點(diǎn)點(diǎn)改變時(shí)時(shí)，圖形形顯示速速度也必必須跟上上視點(diǎn)的的改變速速度，否否則就會(huì)會(huì)產(chǎn)生遲遲滯現(xiàn)象象。(1)基基于幾何何圖形的的實(shí)時(shí)繪繪制技術(shù)術(shù)目前，用用于降低低場(chǎng)景的的復(fù)雜度度，以提提高三維維場(chǎng)景的的動(dòng)態(tài)顯顯示速度度的常用用方法有有以下幾幾種:預(yù)測(cè)計(jì)計(jì)算。脫機(jī)計(jì)計(jì)算。場(chǎng)景分分塊。可見(jiàn)消消隱。細(xì)節(jié)層層次模型型 。（2）基基于圖像像的繪制制技術(shù)基于圖像像的繪制制技術(shù)（ImageBasedRending

5、,IBR）是采用用一些預(yù)預(yù)先生成成的場(chǎng)景景畫面,對(duì)接近近于視點(diǎn)點(diǎn)或視線線議程的的畫面進(jìn)進(jìn)行交換換、插值值與變形形，從而而快速得得到當(dāng)前前視點(diǎn)處處的場(chǎng)景景畫面。與基于幾幾何的傳傳統(tǒng)繪制制技術(shù)相相比，基基于圖像像的實(shí)時(shí)時(shí)繪制技技術(shù)的優(yōu)優(yōu)勢(shì)在于于：圖形繪繪制技術(shù)術(shù)與場(chǎng)景景復(fù)雜性性無(wú)關(guān)，僅與所所要生成成畫面的的分辨率率有關(guān)。預(yù)先存存儲(chǔ)的圖圖像（或或環(huán)境映映照）既既可以是是計(jì)算機(jī)機(jī)生成的的，也可可以是用用相機(jī)實(shí)實(shí)際拍攝攝的畫面面，也可可以兩者者混合生生成。對(duì)計(jì)算算機(jī)的資資源要求求不高，可以在在普通工工作站和和個(gè)人計(jì)計(jì)算機(jī)上上實(shí)現(xiàn)復(fù)復(fù)雜場(chǎng)景景的實(shí)時(shí)時(shí)顯示?；趫D像像的繪制制技術(shù)主主要有以以下兩種種：全景技

6、技術(shù)全景技術(shù)術(shù)是指在在一個(gè)場(chǎng)場(chǎng)景中的的一個(gè)觀觀察點(diǎn)用用相機(jī)每每旋轉(zhuǎn)一一下角度度拍攝得得到一組組照片，再在計(jì)計(jì)算機(jī)采采用各種種工具軟軟件拼接接成一個(gè)個(gè)全景圖圖像。圖像的的插值及及視圖變變換技術(shù)術(shù)根據(jù)在不不同觀察察點(diǎn)所拍拍攝的圖圖像，交交互地給給出或自自動(dòng)得到到相鄰兩兩個(gè)圖像像之間對(duì)對(duì)應(yīng)，采采用插值值或視圖圖變換的的方法，求出對(duì)對(duì)應(yīng)于其其他點(diǎn)的的圖像，生成新新的視圖圖。3.三維維虛擬聲聲音的顯顯示技術(shù)術(shù)把在虛擬擬場(chǎng)景中中的能使使用戶準(zhǔn)準(zhǔn)確地判判斷出聲聲源的精精確位置置、符合合人們?cè)谠谡鎸?shí)境境界中聽(tīng)聽(tīng)覺(jué)方式式的聲音音系統(tǒng)稱稱為三維維虛擬聲聲音系統(tǒng)統(tǒng) 。（1）三三維虛擬擬聲音的的特征全向三三維定位位特

7、性全向三維維定位特特性（3DSteering）指指在三種種虛擬空空間中,使用戶戶能準(zhǔn)確確地判斷斷出聲源源的精確確位置,符合人人們?cè)谡嬲鎸?shí)境界界中的聽(tīng)聽(tīng)覺(jué)方式式,如同同在現(xiàn)實(shí)實(shí)世界中中。三維實(shí)實(shí)時(shí)跟蹤蹤特性三維實(shí)時(shí)時(shí)跟蹤特特性（3DReal TimeLocalization）是指指在三維維虛擬空空間中，實(shí)時(shí)跟跟蹤虛擬擬聲源位位置變化化或景象象變化的的能力。沉浸感感與交互互性三維虛擬擬聲音的的沉浸感感就是指指加入三三維虛擬擬聲音后后，能使使用戶產(chǎn)產(chǎn)生身臨臨其境的的感覺(jué)，這可以以更進(jìn)一一步使人人沉浸在在虛擬環(huán)環(huán)境之中中，有助助于增強(qiáng)強(qiáng)臨場(chǎng)效效果。而而三維聲聲音的交交互特性性則是指指隨著用用戶的臨臨場(chǎng)

8、反應(yīng)應(yīng)和實(shí)時(shí)時(shí)響應(yīng)的的能力。虛擬聲音音技術(shù)存存在的問(wèn)問(wèn)題:聽(tīng)覺(jué)定定位的混混淆問(wèn)題題。虛擬聲聲音環(huán)境境的可視視化問(wèn)題題。聽(tīng)覺(jué)心心理學(xué)和和聽(tīng)覺(jué)生生理學(xué)的的限制。（2）人人類的聽(tīng)聽(tīng)覺(jué)模型型與頭相相關(guān)轉(zhuǎn)移移函數(shù)人的聽(tīng)聽(tīng)覺(jué)模型型人類聽(tīng)覺(jué)覺(jué)系統(tǒng)用用于確定定聲源位位置和方方向信息息，它不不僅與混混響時(shí)間間差和混混響強(qiáng)度度有關(guān)，更取決決于對(duì)進(jìn)進(jìn)入耳朵朵的聲音音產(chǎn)生頻頻譜的耳耳廓。頭相關(guān)關(guān)轉(zhuǎn)移函函數(shù)通過(guò)測(cè)量量外界聲聲音及鼓鼓膜上的的聲音的的頻譜差差異，得得出相關(guān)關(guān)的轉(zhuǎn)移移函數(shù)，并確定定出雙耳耳的信號(hào)號(hào)傳播延延遲的特特點(diǎn)，以以此對(duì)聲聲源進(jìn)行行定位。（3）語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別別與合成成技術(shù)語(yǔ)音識(shí)別別技術(shù)（Automatic

9、SpeechRecognition,ASR），是是指將人人說(shuō)話的的語(yǔ)音信信號(hào)轉(zhuǎn)換換為可被被計(jì)算機(jī)機(jī)程序所所識(shí)別的的文字信信息，從從而識(shí)別別出說(shuō)話話人的語(yǔ)語(yǔ)音指令令以及文文字內(nèi)容容的技術(shù)術(shù)。語(yǔ)音合成成技術(shù)（TextToSpeech,TTS），是指指將文本本信息轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檎Z(yǔ)語(yǔ)音數(shù)據(jù)據(jù)，以語(yǔ)語(yǔ)音的方方式播放放出來(lái)的的技術(shù)。4.觸摸摸和力量量反饋技技術(shù)觸覺(jué)感知知包括觸觸摸反饋饋和力量量反饋所所產(chǎn)生的的感知信信息。觸觸摸感知知是指人人與物體體對(duì)象接接觸所得得到的全全部感覺(jué)覺(jué)，是觸觸摸覺(jué)、壓覺(jué)、振動(dòng)覺(jué)覺(jué)、刺痛痛覺(jué)等皮皮膚感覺(jué)覺(jué)的統(tǒng)稱稱。觸摸摸反饋代代表了作作用在人人皮膚上上的力，它反映映了人類類觸摸的的感覺(jué)

10、，或者是是皮膚上上受到壓壓力的感感覺(jué)；而而力量反反饋是作作用在人人肌肉、關(guān)節(jié)和和筋腱上上的力。限制觸摸摸/力量量反饋技技術(shù)發(fā)展展的幾個(gè)個(gè)技術(shù)問(wèn)問(wèn)題：技術(shù)分分析比較較復(fù)雜難難度。難以正正確描述述觸覺(jué)。性能要要求較高高。5.自然然交互技技術(shù)在計(jì)算機(jī)機(jī)系統(tǒng)提提供的虛虛擬空間間中，人人可以使使用眼睛睛、耳朵朵、皮膚膚、手勢(shì)勢(shì)和語(yǔ)音音等各種種感覺(jué)方方式直接接與之發(fā)發(fā)生交互互，這就就是虛擬擬環(huán)境下下的自然然交互技技術(shù)。在VR領(lǐng)領(lǐng)域中較較為常用用的交互互技術(shù)主主要有手手勢(shì)識(shí)別別、面部部表情的的識(shí)別以以及眼動(dòng)動(dòng)跟蹤等等。（1）手手勢(shì)識(shí)別別手勢(shì)是一一種較為為簡(jiǎn)單、方便的的交互方方式，系系統(tǒng)只須須跟蹤用用戶手的的

11、位置以以及手指指的夾角角就有可可能通過(guò)過(guò)已接收收的手勢(shì)勢(shì)下達(dá)指指令。手勢(shì)識(shí)別別系統(tǒng)根根據(jù)輸入入設(shè)備的的不同，主要分分為基于于數(shù)據(jù)手手套的識(shí)識(shí)別和基基于視覺(jué)覺(jué)（圖像像）的手手語(yǔ)識(shí)別別系統(tǒng)兩兩種。（2）面面部表情情識(shí)別計(jì)算機(jī)面面部表情情的識(shí)別別技術(shù)通通常要分分為3個(gè)個(gè)步驟進(jìn)進(jìn)行,即即表情的的跟蹤、表情的的編碼和和表情的的識(shí)別。面部表表情的跟跟蹤為了識(shí)別別表情，首先要要將表情情信息從從外界攝攝取回來(lái)來(lái)。現(xiàn)階階段比較較典型的的例子是是由Sim-Graphics開(kāi)發(fā)發(fā)的虛擬擬演員系系統(tǒng)。面部表表情的編編碼要使計(jì)算算機(jī)能識(shí)識(shí)別表情情，就要要將表情情信息以以計(jì)算機(jī)機(jī)所能理理解的形形式表示示出來(lái)，即對(duì)面面部表

12、情情進(jìn)行編編碼。面部表表情的識(shí)識(shí)別表情之間間存在著著相互滲滲透和融融合，很很難明確確地劃分分為不同同的種類類。表情識(shí)別別的分類類判別樹(shù)樹(shù)（3）眼眼動(dòng)跟蹤蹤眼動(dòng)跟蹤蹤技術(shù)的的基本工工作原理理是利用用圖像處處理技術(shù)術(shù)，使用用能鎖定定眼睛的的特殊攝攝像機(jī)，通過(guò)攝攝入從人人的眼角角膜和瞳瞳孔反射射的紅外外線連續(xù)續(xù)地記錄錄視線變變化，從從而達(dá)到到記錄、分析視視線追蹤蹤過(guò)程的的目的。下表歸納納了目前前幾種主主要的視視線追蹤蹤技術(shù)及及特點(diǎn)6.碰撞撞檢測(cè)技技術(shù)在虛擬世世界中關(guān)關(guān)于碰撞撞，首先先要檢測(cè)測(cè)到發(fā)生生碰撞的的位置，其次是是計(jì)算出出發(fā)生碰碰撞后的的反應(yīng)。（1）碰碰撞檢測(cè)測(cè)的要求求實(shí)時(shí)性性精確性性（2）碰

13、碰撞檢測(cè)測(cè)的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)方法層次包包圍盒法法空間分分解法。7.虛擬擬現(xiàn)實(shí)工工具軟件件VR的軟軟件系統(tǒng)統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)VR技技術(shù)應(yīng)用用的關(guān)鍵鍵。目前，在在國(guó)內(nèi)與與國(guó)外已已開(kāi)發(fā)了了很多VR系統(tǒng)統(tǒng)軟件工工具，如如WTK（World ToolKit）、MR(Minimal RealityToolkit)、WorldVisions、FreeWRL、VRT(VirtualReality Toolkit)、DVES(Distributed VirtualEnviromentSystem)等，其其中WTK是應(yīng)應(yīng)用較多多的一種種。（1）WTK（WorldToolKit）它是一種種簡(jiǎn)潔的的跨平臺(tái)臺(tái)軟件開(kāi)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)統(tǒng)，可用用于科

14、學(xué)學(xué)和商業(yè)業(yè)領(lǐng)域建建立高性性能的、實(shí)時(shí)的的、綜合合三維工工程。WTK開(kāi)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)統(tǒng)由兩部部分構(gòu)成成：硬件件部分和和軟件部部分。硬件部分分包括主主機(jī)、圖圖形加速速卡、VR設(shè)備備。軟件部分分實(shí)質(zhì)是是指集成成了WTK函數(shù)數(shù)庫(kù)的C編輯器器。WTK仿仿真循循環(huán)程序序流程圖圖（2）MR(MinimalReality Toolkit)MR實(shí)質(zhì)質(zhì)上是一一個(gè)支持持虛擬環(huán)環(huán)境開(kāi)發(fā)發(fā)的子程程序庫(kù)。它包括括3個(gè)層層次的庫(kù)庫(kù)函數(shù)：底層包括括一組設(shè)設(shè)備支撐撐函數(shù)包包，每一一函數(shù)包包支持一一種設(shè)備備，并稱稱為一個(gè)個(gè)客戶/服務(wù)器器對(duì)。第二層是是一組處處理從設(shè)設(shè)備獲得得的數(shù)據(jù)據(jù)并將其其轉(zhuǎn)換為為程序員員方便使使用的格格式的庫(kù)庫(kù)函數(shù)

15、。最高層的的庫(kù)函數(shù)數(shù)為程序序員提供供了一組組打包的的服務(wù)集集。8.Web3D技術(shù)與與軟件（1）Web3D技術(shù)術(shù)特點(diǎn)Web3D稱為為網(wǎng)絡(luò)3D，是是一種網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上帶帶有交互互性能實(shí)實(shí)時(shí)渲染染的三維維技術(shù)，它的本本質(zhì)就是是在網(wǎng)絡(luò)絡(luò)上如何何表現(xiàn)3D圖形形，是VR技術(shù)術(shù)在網(wǎng)絡(luò)絡(luò)上的應(yīng)應(yīng)用。Web3D的的國(guó)際標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)VRML（X3D）互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)3D圖圖形的關(guān)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)實(shí)實(shí)時(shí)渲染染交互性性（2）Web3D應(yīng)用用工具軟軟件常見(jiàn)的國(guó)國(guó)內(nèi)外軟軟件有：Cult3D、Viewpoint、Java3D、GL4Java、Flatland、Fluid3D、Janet3D、Pulse3D、Shout3D、Sumea、Supersc

16、ape、Vecta3D、Blaxunn3D、OpenWorlds等。全景技技術(shù)VRML建模模語(yǔ)言AtmosphereShockwave3D技技術(shù)Cult3D技術(shù)Viewpoint技術(shù)（3）Web3D應(yīng)用用與發(fā)展展Web3D技術(shù)術(shù)是針對(duì)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)上的最最新和最最具應(yīng)用用前景的的技術(shù)，今后幾幾年必將將在互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)上占占有重要要地位。從目前的的趨勢(shì)來(lái)來(lái)看Web3D圖形將將在互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)上的的應(yīng)用主主要有以以下方面面：企業(yè)產(chǎn)產(chǎn)品宣傳傳與電子子商務(wù)娛樂(lè)休休閑與游游戲多用戶戶虛擬社社區(qū)9.虛擬擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的總總結(jié)在硬件系系統(tǒng)方面面,交互互性是實(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)機(jī)和諧的的關(guān)鍵，改進(jìn)硬硬件設(shè)備備的性能能則是其其中的關(guān)關(guān)鍵，而而目目前前為VR制造的的大部分分專用設(shè)設(shè)備卻普普遍存在在使用不