【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 A（Autonomy）來(lái)評(píng)價(jià)VR系統(tǒng)的性能（見(jiàn)圖 33），其中P、I和A的值越大，表示 VR系統(tǒng)的性能越好。顯然，P、I和A的值均取最大時(shí)，VR系統(tǒng)的性能達(dá)到極限，即理想的。圖33 VR系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià) VR system performance evaluation 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成VR系統(tǒng)的組成如下：（1） 檢測(cè)輸入裝置；（2） 圖像生成和顯示系統(tǒng)；（3） 音頻系統(tǒng)；（4） 力、觸覺(jué)系統(tǒng)；使參與者沉浸于多維信息空間中，進(jìn)行仿真、建模，獲取知識(shí)和形成新概念。目標(biāo)：利用并集成高性能的計(jì)算機(jī)軟硬件及各類(lèi)先進(jìn)的傳感器，去構(gòu)建一個(gè)使參與者處于身臨其境的沉浸感、具有完善的交互作用、能幫助和啟發(fā)構(gòu)思的信息環(huán)境。技術(shù)支持：各種傳感器技術(shù)、三維顯示和音響器、虛擬環(huán)境產(chǎn)生器、程序設(shè)計(jì)工具集、計(jì)算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)和高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)。 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成用戶(hù)通過(guò)頭盔、手套和話筒等輸入設(shè)備為計(jì)算機(jī)提供輸入信號(hào)，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件收到輸入信號(hào)后加以解釋?zhuān)缓髮?duì)虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行必要更新，調(diào)整當(dāng)前虛擬環(huán)境視圖，并將這一新視圖及其它信息如聲音立即傳送給輸出設(shè)備，以便用戶(hù)及時(shí)看到效果。系統(tǒng)由輸入部分、輸出部分、虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件組成。（一）輸入部分虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過(guò)輸入部分接收來(lái)自用戶(hù)的信息。用戶(hù)基本輸入信號(hào)包括用戶(hù)的頭、手位置及方向、聲音等。其輸入設(shè)備主要有：（1）數(shù)據(jù)手套用來(lái)監(jiān)測(cè)手的姿態(tài)，將人手的自然動(dòng)作數(shù)字化。用戶(hù)手的位置與方向用來(lái)與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。如在使用交互手套時(shí)，手勢(shì)可用來(lái)啟動(dòng)或終止系統(tǒng)。類(lèi)似地，手套可用來(lái)拾起虛擬物體，并將物體移到別的位置。（2）三維球用于物體操作和飛行控制。（3）自由度鼠標(biāo)用于導(dǎo)航、選擇及與物體交互。（4）生物傳感器用來(lái)跟蹤眼球運(yùn)動(dòng)。（5）頭部跟蹤器通常裝在HMD頭盔上跟蹤頭部位置，以便使HMD顯示的圖像隨頭部運(yùn)動(dòng)而變化。用戶(hù)頭的位置及方向是系統(tǒng)重要的輸入信號(hào)，因?yàn)樗鼪Q定了從哪個(gè)視角對(duì)虛擬世界進(jìn)行渲染。（6）語(yǔ)音輸入設(shè)備通過(guò)話筒等聲音輸入設(shè)備將語(yǔ)音信息輸入，并利用語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)將語(yǔ)音信號(hào)變成數(shù)字化信號(hào)。（二）輸出系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)根據(jù)人的感覺(jué)器官的工作原理，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸出設(shè)備，使人對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的虛擬環(huán)境得到雖假猶真、身臨其境的感覺(jué)。主要是由三維圖像視覺(jué)效果、三維聲音效果和觸覺(jué) (力覺(jué))效果來(lái)實(shí)現(xiàn)的。（1）三維圖像生成與顯示利用圖形處理器、立體圖象顯示設(shè)備、高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)變成三維圖像。最簡(jiǎn)單的一種是計(jì)算機(jī)監(jiān)視器加上一副眼鏡，另一種就是頭盔顯示器。（2）三維聲音處理虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)聲音效果包括音響和語(yǔ)音效果。通過(guò)有關(guān)的聲音設(shè)備使電子信號(hào)變成立體聲，并提供識(shí)別立體聲聲源和判定其空間方位的功能。（3）觸覺(jué)、力覺(jué)反饋觸覺(jué)提供手握物體時(shí)獲得的豐富感覺(jué)信息，包括分辨表面材質(zhì)及溫度、濕度、厚度、張力等。用戶(hù)的手是與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然交互時(shí)的重要途徑。當(dāng)手與虛擬物體發(fā)生碰撞時(shí)，我們自然希望有接觸感和壓力感。（三）虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)作用：存放整個(gè)虛擬環(huán)境中所有物體的各方面信息（包括物體及其屬性如約束、物理性質(zhì)、行為、幾何、材質(zhì)等）。虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)由實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件管理。虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)只加載用戶(hù)可見(jiàn)部分，其余留在磁盤(pán)上，需要時(shí)導(dǎo)入內(nèi)存。（四）虛擬現(xiàn)實(shí)軟件任務(wù)：設(shè)計(jì)用戶(hù)在虛擬環(huán)境中遇到的景和物。構(gòu)建虛擬環(huán)境的過(guò)程：（1）三維物體的建模。典型的建模軟件：AutoCAD、Multigen、VRML等。（2）虛擬場(chǎng)景的建立及三維物體與虛擬場(chǎng)景的集成。典型的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件：Vega、OpenGVS、VRT、Vtree等。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類(lèi)，通常分為以下三類(lèi)：（1）桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(Desktop VR)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一套基于普通PC平臺(tái)的小型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。利用中低端圖形工作站及立體顯示器，產(chǎn)生虛擬場(chǎng)景，參與者使用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋器、三維鼠標(biāo)、或其它手控輸入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要技術(shù)特征：多感知性、沉浸感、交互性、真實(shí)性。在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的屏幕是參觀者觀察虛擬境界的一個(gè)窗口，在一些專(zhuān)業(yè)軟件的幫助下，參與者可以在仿真過(guò)程中設(shè)計(jì)各種環(huán)境。立體顯示器用來(lái)觀看計(jì)虛擬三維場(chǎng)景的立體效果，它所帶來(lái)的立體視覺(jué)能使參與著產(chǎn)生一定程度的投入感。交互設(shè)備用來(lái)駕馭虛擬境界。有時(shí)為了增強(qiáng)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的投入效果，如果需要，那么在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中還會(huì)借助于專(zhuān)業(yè)單通道立體投影顯示系統(tǒng)，達(dá)到增大屏幕范圍和團(tuán)體觀看的目的。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)雖然缺乏完全沉浸式效果，但是其應(yīng)用仍然比較普遍，因?yàn)樗某杀鞠鄬?duì)要低得多，而且它也具備了投入型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)要求。作為開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，從經(jīng)費(fèi)使用謹(jǐn)慎性的角度考慮，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)往往被認(rèn)為是初級(jí)的、剛剛從事虛擬現(xiàn)實(shí)研究工作的必經(jīng)階段。所以桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)比較適合于剛剛介入虛擬現(xiàn)實(shí)研究的單位和個(gè)人。統(tǒng)主要包括VR軟硬件兩部分。其中硬件部分可分為VR立體圖形顯示、效果觀察、人機(jī)交互等幾部分；軟件部分可分為VR環(huán)境開(kāi)發(fā)平臺(tái)(Virtools）、建模平臺(tái)（3D MAX等）和行業(yè)應(yīng)用程序?qū)嵗ㄔ创a及SDK開(kāi)發(fā)包）。主要特點(diǎn)為全面、小型、經(jīng)濟(jì)、適用，非常適合于VR工作者的教學(xué)、研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用。（2）沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用頭盔顯示器把用戶(hù)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯(cuò)覺(jué)。主要特點(diǎn)：虛擬環(huán)境可以是任意虛構(gòu)的、實(shí)際上不存在的世界。任何操作不對(duì)外界產(chǎn)生直接作用。一般用于娛樂(lè)或驗(yàn)證某一猜想假設(shè)、訓(xùn)練、模擬、預(yù)演、檢驗(yàn)、體驗(yàn)等。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)比較：1）沉浸度差異桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用CRT彩色顯示器和三維立體眼鏡增加身臨其境感覺(jué)，而沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則采用頭盔顯示器（HMD）增強(qiáng)身臨其境感覺(jué)2）交互裝置差異桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用的交互裝置是六自由度鼠標(biāo)器或三維操縱桿，而沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用的是數(shù)據(jù)手套和頭盔。由多通道投影組合成的虛擬仿真系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于訓(xùn)練、制造、娛樂(lè)等行業(yè)。通過(guò)將傳統(tǒng)的播放方式改變?yōu)橛谐两械慕换シ绞?，提供大?guī)模具有沉浸虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的手段，為復(fù)雜數(shù)據(jù)可視化的協(xié)同工作起到重要作用。（3）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)DVR）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的可供異地多用戶(hù)同時(shí)參與的分布式虛擬環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，位于不同物理環(huán)境位置的多個(gè)用戶(hù)或多個(gè)虛擬環(huán)境通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連接，或者多個(gè)用戶(hù)同時(shí)參加一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，通過(guò)計(jì)算機(jī)與其他用戶(hù)進(jìn)行交互，并共享信息。在分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，多個(gè)用戶(hù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)同一虛擬世界進(jìn)行觀察和操作，以達(dá)到協(xié)同工作的目的。1）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征： ①共享的虛擬工作空間； ②偽實(shí)體的行為真實(shí)感； ③支持實(shí)時(shí)交互，共享時(shí)鐘； ④多個(gè)用戶(hù)以多種方式相互通信； ⑤資源信息共享以及允許用戶(hù)自然操作環(huán)境中對(duì)象。 2）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成： 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有4個(gè)基本組成部件：圖形顯示器、通信和控制設(shè)備、處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。3）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)： 根據(jù)分布式系統(tǒng)環(huán)境下所運(yùn)行的共享應(yīng)用系統(tǒng)的個(gè)數(shù)，可把DVR系統(tǒng)分為集中式結(jié)構(gòu)和復(fù)制式結(jié)構(gòu)。集中式結(jié)構(gòu)是只在中心服務(wù)器上運(yùn)行一份共享應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以是會(huì)議代理或?qū)υ捁芾磉M(jìn)程。中心服務(wù)器的作用是對(duì)多個(gè)參加者的輸入/輸出操縱進(jìn)行管理，允許多個(gè)參加者信息共享。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信帶寬有較高的要求，并且高度依賴(lài)于中心服務(wù)器。復(fù)制式結(jié)構(gòu)是在每個(gè)參加者所在的機(jī)器上復(fù)制中心服務(wù)器，這樣每個(gè)參加者進(jìn)程都有一份共享應(yīng)用系統(tǒng)。服務(wù)器接收來(lái)自于其它工作站的輸入信息，并把信息傳送到運(yùn)行在本地機(jī)上的應(yīng)用系統(tǒng)中，由應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行所需的計(jì)算并產(chǎn)生必要的輸出。它的優(yōu)點(diǎn)是所需網(wǎng)絡(luò)帶寬較小。另外，由于每個(gè)參加者只與應(yīng)用系統(tǒng)的局部備份進(jìn)行交互，所以，交互式響應(yīng)效果好。但它比集中式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在維護(hù)共享應(yīng)用系統(tǒng)中的多個(gè)備份的信息或狀態(tài)一致性方面比較困難。4）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用： 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在遠(yuǎn)程教育、工程技術(shù)、建筑、電子商務(wù)、交互式娛樂(lè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、大規(guī)模軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用前景。利用它可以創(chuàng)建多媒體通信、設(shè)計(jì)協(xié)作系統(tǒng)、實(shí)境式電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬社區(qū)全新的應(yīng)用系統(tǒng)。典型的應(yīng)用領(lǐng)域有：1）教育應(yīng)用：把分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用于建造人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等領(lǐng)域，由于數(shù)據(jù)更加逼真，大大提高了人們的想象力、激發(fā)了受教育者的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果十分顯著。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、心理學(xué)、教育學(xué)等多種學(xué)科的相互結(jié)合、促進(jìn)和發(fā)展，系統(tǒng)因此能夠提供更加協(xié)調(diào)的人機(jī)對(duì)話方式。2）工程應(yīng)用：當(dāng)前的工程很大程度上要依賴(lài)于圖形工具，以便直觀地顯示各種產(chǎn)品，目前，CAD/CAM已經(jīng)成為機(jī)械、建筑等領(lǐng)域必不可少的軟件工具。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用將使工程人員能通過(guò)全球網(wǎng)或局域網(wǎng)按協(xié)作方式進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)、交流和發(fā)布，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率并削減成本。3）商業(yè)應(yīng)用：對(duì)于那些期望與顧客建立直接聯(lián)系的公司，尤其是那些在他們的主頁(yè)上向客戶(hù)發(fā)送電子廣告的公司，Internet具有特別的吸引力。分布式虛擬系統(tǒng)的應(yīng)用有可能大幅度改善顧客購(gòu)買(mǎi)商品的經(jīng)歷。例如，顧客可以訪問(wèn)虛擬世界中的商店，在那里挑選商品，然后通過(guò)Internet辦理付款手續(xù)，商店則及時(shí)把商品送到顧客手中。3）娛樂(lè)應(yīng)用：娛樂(lè)領(lǐng)域是分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。它能夠提供更為逼真的虛擬環(huán)境，從而使人們能夠享受其中的樂(lè)趣，帶來(lái)更好的娛樂(lè)感覺(jué)。（5）典型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)走向應(yīng)用的時(shí)間還比較短，但與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有關(guān)的研究已經(jīng)歷了數(shù)十年。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，產(chǎn)生了許多虛擬現(xiàn)實(shí)原形系統(tǒng)及應(yīng)用系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)要地介紹幾個(gè)經(jīng)典的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。1）VIDEOPLACE系統(tǒng)VIDEOPLACE是Myron Krueger領(lǐng)導(dǎo)的Artificial Reality研究小組20年的研究成果。其實(shí)它是一個(gè)反應(yīng)環(huán)境(Responsive Environment)，綜合地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和手勢(shì)識(shí)別技術(shù)。以VIDEOPLACE為原型的VIDEODESK是一個(gè)桌面VR系統(tǒng)。用戶(hù)坐在桌邊并將手放在上面，旁邊有一架攝像機(jī)攝下用戶(hù)手的輪廓并傳送給不同地點(diǎn)的另一個(gè)用戶(hù)，兩個(gè)人可以相互用自然的手勢(shì)進(jìn)行信息交流。同樣，用戶(hù)也可與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用手勢(shì)進(jìn)行交互，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從用戶(hù)手的輪廓圖形中識(shí)別手勢(shì)的含義并加以解釋?zhuān)员氵M(jìn)一步地控制。諸如打字、畫(huà)圖、菜單選擇等操作，均可以用手勢(shì)完成。VIDEOPLACE對(duì)于遠(yuǎn)程通訊和遠(yuǎn)程控制很有價(jià)值，如用手勢(shì)控制遠(yuǎn)處的機(jī)器人等等。2）VIEW系統(tǒng)VIEW是虛擬交互環(huán)境工作站(Virtual Interactive Environment Workstation)的縮寫(xiě)，是NASA下屬的Ames研究中心(Ames Research Center)1985年研制開(kāi)發(fā)的。其目的是為NASA的其他有關(guān)研究項(xiàng)目提供一個(gè)通用、強(qiáng)大的VR系統(tǒng)平臺(tái)。VIEW可以說(shuō)是集VR技術(shù)之大成。它以HP公司的HP900/835為主計(jì)算機(jī)，圖形處理采用ISG公司的圖形計(jì)算機(jī)或HP SRX圖形系統(tǒng)；配備了Polhemus空間跟蹤系統(tǒng)來(lái)跟蹤使用者手和頭的位置；配備了LEEP廣角立體視景頭戴顯示器和單色液晶顯示器；Convolvotron三維音頻輸出設(shè)備；VPL數(shù)據(jù)手套(DataGlove)用于識(shí)別使用者手勢(shì)；同時(shí)還配備了BOOM CRT顯示器及Fakd Space遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)。VIEW是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它由一組由計(jì)算機(jī)控制的I/O子系統(tǒng)組成。這些子系統(tǒng)分別提供虛擬環(huán)境所需的各種感覺(jué)通道的識(shí)別和控制功能。使用者“置身”于這樣的VR環(huán)境，周?chē)穷A(yù)先定義的虛擬物體及三維空間的聲響效果。系統(tǒng)跟蹤使用者頭的位置和方向以達(dá)到變換視點(diǎn)的效果。同時(shí),系統(tǒng)還跟蹤并識(shí)別使用者手及手指的空間移動(dòng)所形成的手勢(shì)，來(lái)控制系統(tǒng)的行為。VIEW的聲音識(shí)別系統(tǒng)可讓使用者用語(yǔ)言或聲音向系統(tǒng)下達(dá)命令。3）SIMNET系統(tǒng)1983年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局和美國(guó)陸軍共同制定SIMNET （SIMulator NETworking）研究計(jì)劃。該計(jì)劃將分散在不同地點(diǎn)的地面坦克、車(chē)輛仿真器通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合在一起，進(jìn)行各種復(fù)雜任務(wù)的坦克訓(xùn)練和作戰(zhàn)演練。研究動(dòng)因：為了坦克訓(xùn)練過(guò)程中減少訓(xùn)練費(fèi)用、提高安全性、減輕對(duì)環(huán)境的影響(爆炸和坦克履帶破壞訓(xùn)練場(chǎng)地)等 。每個(gè)SIMNET模擬器是一個(gè)獨(dú)立的裝置，可以復(fù)現(xiàn)M1主戰(zhàn)坦克的內(nèi)部，包括導(dǎo)航設(shè)備、武器、傳感器