【文章內(nèi)容簡介】 A（Autonomy）來評價VR系統(tǒng)的性能（見圖 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，VR系統(tǒng)的性能達到極限，即理想的。圖33 VR系統(tǒng)的性能評價 VR system performance evaluation 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成VR系統(tǒng)的組成如下：（1） 檢測輸入裝置；（2） 圖像生成和顯示系統(tǒng)；（3） 音頻系統(tǒng)；（4） 力、觸覺系統(tǒng)；使參與者沉浸于多維信息空間中，進行仿真、建模，獲取知識和形成新概念。目標：利用并集成高性能的計算機軟硬件及各類先進的傳感器，去構建一個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)構思的信息環(huán)境。技術支持：各種傳感器技術、三維顯示和音響器、虛擬環(huán)境產(chǎn)生器、程序設計工具集、計算機高速網(wǎng)絡和高性能計算機平臺。 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成用戶通過頭盔、手套和話筒等輸入設備為計算機提供輸入信號，虛擬現(xiàn)實軟件收到輸入信號后加以解釋，然后對虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫進行必要更新，調整當前虛擬環(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備，以便用戶及時看到效果。系統(tǒng)由輸入部分、輸出部分、虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實軟件組成。（一）輸入部分虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過輸入部分接收來自用戶的信息。用戶基本輸入信號包括用戶的頭、手位置及方向、聲音等。其輸入設備主要有：（1）數(shù)據(jù)手套用來監(jiān)測手的姿態(tài)，將人手的自然動作數(shù)字化。用戶手的位置與方向用來與虛擬環(huán)境進行交互。如在使用交互手套時，手勢可用來啟動或終止系統(tǒng)。類似地，手套可用來拾起虛擬物體，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）自由度鼠標用于導航、選擇及與物體交互。（4）生物傳感器用來跟蹤眼球運動。（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動而變化。用戶頭的位置及方向是系統(tǒng)重要的輸入信號，因為它決定了從哪個視角對虛擬世界進行渲染。（6）語音輸入設備通過話筒等聲音輸入設備將語音信息輸入，并利用語音識別系統(tǒng)將語音信號變成數(shù)字化信號。（二）輸出系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)根據(jù)人的感覺器官的工作原理，通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出設備，使人對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的虛擬環(huán)境得到雖假猶真、身臨其境的感覺。主要是由三維圖像視覺效果、三維聲音效果和觸覺 (力覺)效果來實現(xiàn)的。（1）三維圖像生成與顯示利用圖形處理器、立體圖象顯示設備、高性能計算機系統(tǒng)將計算機數(shù)字信號變成三維圖像。最簡單的一種是計算機監(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)實系統(tǒng)聲音效果包括音響和語音效果。通過有關的聲音設備使電子信號變成立體聲，并提供識別立體聲聲源和判定其空間方位的功能。（3）觸覺、力覺反饋觸覺提供手握物體時獲得的豐富感覺信息，包括分辨表面材質及溫度、濕度、厚度、張力等。用戶的手是與虛擬環(huán)境進行自然交互時的重要途徑。當手與虛擬物體發(fā)生碰撞時，我們自然希望有接觸感和壓力感。（三）虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫作用：存放整個虛擬環(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、行為、幾何、材質等）。虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫由實時系統(tǒng)軟件管理。虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)只加載用戶可見部分，其余留在磁盤上，需要時導入內(nèi)存。（四）虛擬現(xiàn)實軟件任務：設計用戶在虛擬環(huán)境中遇到的景和物。構建虛擬環(huán)境的過程：（1）三維物體的建模。典型的建模軟件：AutoCAD、Multigen、VRML等。（2）虛擬場景的建立及三維物體與虛擬場景的集成。典型的虛擬現(xiàn)實軟件：Vega、OpenGVS、VRT、Vtree等。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按照不同的標準有不同的分類，通常分為以下三類：（1）桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(Desktop VR)桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一套基于普通PC平臺的小型虛擬現(xiàn)實系統(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、或其它手控輸入設備，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術的重要技術特征：多感知性、沉浸感、交互性、真實性。在桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，計算機的屏幕是參觀者觀察虛擬境界的一個窗口，在一些專業(yè)軟件的幫助下，參與者可以在仿真過程中設計各種環(huán)境。立體顯示器用來觀看計虛擬三維場景的立體效果，它所帶來的立體視覺能使參與著產(chǎn)生一定程度的投入感。交互設備用來駕馭虛擬境界。有時為了增強桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的投入效果，如果需要，那么在桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中還會借助于專業(yè)單通道立體投影顯示系統(tǒng)，達到增大屏幕范圍和團體觀看的目的。桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)雖然缺乏完全沉浸式效果，但是其應用仍然比較普遍，因為它的成本相對要低得多，而且它也具備了投入型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術要求。作為開發(fā)者來說，從經(jīng)費使用謹慎性的角度考慮，桌面虛擬現(xiàn)實往往被認為是初級的、剛剛從事虛擬現(xiàn)實研究工作的必經(jīng)階段。所以桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)比較適合于剛剛介入虛擬現(xiàn)實研究的單位和個人。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、人機交互等幾部分；軟件部分可分為VR環(huán)境開發(fā)平臺(Virtools）、建模平臺（3D MAX等）和行業(yè)應用程序實例（源代碼及SDK開發(fā)包）。主要特點為全面、小型、經(jīng)濟、適用，非常適合于VR工作者的教學、研發(fā)和實際應用。（2）沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)利用頭盔顯示器把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯覺。主要特點：虛擬環(huán)境可以是任意虛構的、實際上不存在的世界。任何操作不對外界產(chǎn)生直接作用。一般用于娛樂或驗證某一猜想假設、訓練、模擬、預演、檢驗、體驗等。桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)比較：1）沉浸度差異桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用CRT彩色顯示器和三維立體眼鏡增加身臨其境感覺，而沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)則采用頭盔顯示器（HMD）增強身臨其境感覺2）交互裝置差異桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用的交互裝置是六自由度鼠標器或三維操縱桿，而沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(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)廣泛應用于訓練、制造、娛樂等行業(yè)。通過將傳統(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現(xiàn)實的手段，為復雜數(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)實系統(tǒng)（簡稱DVR）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一個基于網(wǎng)絡的可供異地多用戶同時參與的分布式虛擬環(huán)境。在這個環(huán)境中，位于不同物理環(huán)境位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡相連接，或者多個用戶同時參加一個虛擬現(xiàn)實環(huán)境，通過計算機與其他用戶進行交互，并共享信息。在分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，多個用戶可通過網(wǎng)絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協(xié)同工作的目的。1）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特征： ①共享的虛擬工作空間； ②偽實體的行為真實感； ③支持實時交互，共享時鐘； ④多個用戶以多種方式相互通信； ⑤資源信息共享以及允許用戶自然操作環(huán)境中對象。 2）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成： 分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有4個基本組成部件：圖形顯示器、通信和控制設備、處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。3）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的模型結構： 根據(jù)分布式系統(tǒng)環(huán)境下所運行的共享應用系統(tǒng)的個數(shù)，可把DVR系統(tǒng)分為集中式結構和復制式結構。集中式結構是只在中心服務器上運行一份共享應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以是會議代理或對話管理進程。中心服務器的作用是對多個參加者的輸入/輸出操縱進行管理，允許多個參加者信息共享。它的特點是結構簡單，容易實現(xiàn)，但對網(wǎng)絡通信帶寬有較高的要求，并且高度依賴于中心服務器。復制式結構是在每個參加者所在的機器上復制中心服務器，這樣每個參加者進程都有一份共享應用系統(tǒng)。服務器接收來自于其它工作站的輸入信息，并把信息傳送到運行在本地機上的應用系統(tǒng)中，由應用系統(tǒng)進行所需的計算并產(chǎn)生必要的輸出。它的優(yōu)點是所需網(wǎng)絡帶寬較小。另外，由于每個參加者只與應用系統(tǒng)的局部備份進行交互，所以，交互式響應效果好。但它比集中式結構復雜，在維護共享應用系統(tǒng)中的多個備份的信息或狀態(tài)一致性方面比較困難。4）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應用： 分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在遠程教育、工程技術、建筑、電子商務、交互式娛樂、遠程醫(yī)療、大規(guī)模軍事訓練等領域都有著極其廣泛的應用前景。利用它可以創(chuàng)建多媒體通信、設計協(xié)作系統(tǒng)、實境式電子商務、網(wǎng)絡游戲、虛擬社區(qū)全新的應用系統(tǒng)。典型的應用領域有：1）教育應用：把分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用于建造人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結構顯示等領域，由于數(shù)據(jù)更加逼真，大大提高了人們的想象力、激發(fā)了受教育者的學習興趣，學習效果十分顯著。同時，隨著計算機技術、心理學、教育學等多種學科的相互結合、促進和發(fā)展，系統(tǒng)因此能夠提供更加協(xié)調的人機對話方式。2）工程應用：當前的工程很大程度上要依賴于圖形工具，以便直觀地顯示各種產(chǎn)品，目前，CAD/CAM已經(jīng)成為機械、建筑等領域必不可少的軟件工具。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應用將使工程人員能通過全球網(wǎng)或局域網(wǎng)按協(xié)作方式進行三維模型的設計、交流和發(fā)布，從而進一步提高生產(chǎn)效率并削減成本。3）商業(yè)應用：對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上向客戶發(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)的應用有可能大幅度改善顧客購買商品的經(jīng)歷。例如，顧客可以訪問虛擬世界中的商店，在那里挑選商品，然后通過Internet辦理付款手續(xù)，商店則及時把商品送到顧客手中。3）娛樂應用：娛樂領域是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一個重要應用領域。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趣，帶來更好的娛樂感覺。（5）典型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)走向應用的時間還比較短，但與虛擬現(xiàn)實技術有關的研究已經(jīng)歷了數(shù)十年。在虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展過程中，產(chǎn)生了許多虛擬現(xiàn)實原形系統(tǒng)及應用系統(tǒng)。下面簡要地介紹幾個經(jīng)典的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。1）VIDEOPLACE系統(tǒng)VIDEOPLACE是Myron Krueger領導的Artificial Reality研究小組20年的研究成果。其實它是一個反應環(huán)境(Responsive Environment)，綜合地運用了計算機圖形學和手勢識別技術。以VIDEOPLACE為原型的VIDEODESK是一個桌面VR系統(tǒng)。用戶坐在桌邊并將手放在上面，旁邊有一架攝像機攝下用戶手的輪廓并傳送給不同地點的另一個用戶，兩個人可以相互用自然的手勢進行信息交流。同樣，用戶也可與計算機系統(tǒng)用手勢進行交互，計算機系統(tǒng)從用戶手的輪廓圖形中識別手勢的含義并加以解釋，以便進一步地控制。諸如打字、畫圖、菜單選擇等操作，均可以用手勢完成。VIDEOPLACE對于遠程通訊和遠程控制很有價值，如用手勢控制遠處的機器人等等。2）VIEW系統(tǒng)VIEW是虛擬交互環(huán)境工作站(Virtual Interactive Environment Workstation)的縮寫，是NASA下屬的Ames研究中心(Ames Research Center)1985年研制開發(fā)的。其目的是為NASA的其他有關研究項目提供一個通用、強大的VR系統(tǒng)平臺。VIEW可以說是集VR技術之大成。它以HP公司的HP900/835為主計算機，圖形處理采用ISG公司的圖形計算機或HP SRX圖形系統(tǒng)；配備了Polhemus空間跟蹤系統(tǒng)來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三維音頻輸出設備；VPL數(shù)據(jù)手套(DataGlove)用于識別使用者手勢；同時還配備了BOOM CRT顯示器及Fakd Space遠程攝像系統(tǒng)。VIEW是一個非常復雜的系統(tǒng)，它由一組由計算機控制的I/O子系統(tǒng)組成。這些子系統(tǒng)分別提供虛擬環(huán)境所需的各種感覺通道的識別和控制功能。使用者“置身”于這樣的VR環(huán)境，周圍是預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到變換視點的效果。同時,系統(tǒng)還跟蹤并識別使用者手及手指的空間移動所形成的手勢，來控制系統(tǒng)的行為。VIEW的聲音識別系統(tǒng)可讓使用者用語言或聲音向系統(tǒng)下達命令。3）SIMNET系統(tǒng)1983年美國國防部高級研究計劃局和美國陸軍共同制定SIMNET （SIMulator NETworking）研究計劃。該計劃將分散在不同地點的地面坦克、車輛仿真器通過計算機網(wǎng)絡聯(lián)合在一起，進行各種復雜任務的坦克訓練和作戰(zhàn)演練。研究動因：為了坦克訓練過程中減少訓練費用、提高安全性、減輕對環(huán)境的影響(爆炸和坦克履帶破壞訓練場地)等 。每個SIMNET模擬器是一個獨立的裝置，可以復現(xiàn)M1主戰(zhàn)坦克的內(nèi)部，包括導航設備、武器、傳感器