【文章內(nèi)容簡介】 作用的直觀性。VR技術(shù)的一項重大突破就是用手來代替鍵盤、鼠標(biāo)，作為人與計算機(jī)交互的一種重要手段。借助各種專用的設(shè)備代替鍵盤、鼠標(biāo)，作為人與計算機(jī)交互的一種重要手段，操作者不但可以獲得大范圍的基于手勢的交互操作，同時可以通過身體的各個部位的運動來感知，增加了人在虛擬空間中的自由度和靈活性。（1）數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套（Data Glove）是VPL公司在1987年推出的一種傳感手套的專有名稱。到現(xiàn)在，數(shù)據(jù)手套是一種被廣泛使用的傳感設(shè)備，它是一種戴在用戶手上的虛擬的手，用于與VR系統(tǒng)進(jìn)行交互，可在虛擬世界中進(jìn)行物體抓取、移動、裝配、操縱、控制，并把手指伸屈時的各種姿勢轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給計算機(jī)，計算機(jī)通過應(yīng)用程序來識別出用戶的手在虛擬世界中操作時的姿勢，執(zhí)行相應(yīng)的操作。在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)手套還必須配有空間位置跟蹤定位設(shè)備，檢測手的實際位置和方向。現(xiàn)在已經(jīng)有多種傳感數(shù)據(jù)手套問世，它們之間的區(qū)別主要在于采用的傳感器不同。目前典型的數(shù)據(jù)手套有以下幾種：① VPL數(shù)據(jù)手套,、重量輕，可方便地安裝在手套上。數(shù)據(jù)手套的標(biāo)準(zhǔn)配置是每個手指上有兩個傳感器控制裝在手指背面的兩條光纖環(huán)，一副數(shù)據(jù)手套就裝有10個傳感器，用來測量手指主要關(guān)節(jié)的彎曲程度。② 賽伯手套賽伯手套（Cyber Glove）是為把美國手語翻譯成英語所設(shè)計的。在手套上織有多個由兩片應(yīng)變電阻片組成的傳感器，它在工作時檢測成對的應(yīng)變片電阻變化。當(dāng)手指彎曲時一片受到擠壓，另一片受到拉伸，使兩個電阻片的電阻分別發(fā)生變化，通過電橋換算出相應(yīng)的電壓變化，再把此數(shù)據(jù)量送入到計算機(jī)中處理，從而檢測到各手指的彎曲狀態(tài)。③ DHM手套這是一金屬結(jié)構(gòu)的傳感手套，通常安裝在用戶的手臂上，其安裝及拆卸過程相對比較煩瑣，在每次使用前需進(jìn)行調(diào)整。在每個手指上安裝有4個位置傳感器，共采用20個霍爾傳感器安裝在手的每個關(guān)節(jié)處。DHM傳感手套響應(yīng)速度快、分辨率高、精度高，但價格較高。常用于精度要求較高的場合。（2）數(shù)據(jù)衣 數(shù)據(jù)衣是采用與數(shù)據(jù)手套同樣的原理制成的，數(shù)據(jù)衣是為了讓VR系統(tǒng)識別全身運動而設(shè)計的輸入裝置。它將大量的光纖安裝在一件緊身衣上，可以檢測人的四肢、腰部等部位的活動，以及各關(guān)節(jié)（如手腕、肘關(guān)節(jié)）彎曲的角度。它能對人體的大約50多個不同的關(guān)節(jié)進(jìn)行測量，通過光電轉(zhuǎn)換，將身體的運動信息送入計算機(jī)進(jìn)行圖像重建，如圖28所示，目前，這種設(shè)備正處于研發(fā)階段，因為每個人的身體差異較大，存在著如何協(xié)調(diào)大量傳感器之間實時同步性能等各種問題，但隨著科技的進(jìn)步，此種設(shè)備必將有較大的發(fā)展。數(shù)據(jù)衣主要應(yīng)用在一些復(fù)雜環(huán)境中，對物體進(jìn)行的跟蹤和對人體運動的跟蹤與捕捉。圖28 數(shù)據(jù)衣（3）三維控制器 ①三維空間鼠標(biāo)三維空間鼠標(biāo)（3D Mouse）可以完成虛擬空間中6自由度的操作，其工作原理是在鼠標(biāo)內(nèi)部安裝超聲波或電磁發(fā)射器，利用配套的接收設(shè)備可檢測到鼠標(biāo)在空間中的位置與方向。三維空間鼠標(biāo)與其他設(shè)備相比其成本低，常駐應(yīng)用于建筑設(shè)計等領(lǐng)域。② 力矩球力矩球（Space Ball）的中心是固定的，并裝有6個發(fā)光二極管，球有一個活動的外層，也裝有6個相應(yīng)的光接收器。當(dāng)使用者用手對球的外層施加力或力矩時，根據(jù)彈簧形變的法則，6個光傳感器測出3個力和3個力矩的信息，并將信息傳送計算機(jī)，即可計算出虛擬空間中某物體的位置和方向等。力矩球通常被安裝在固定平臺上，可以用手作扭轉(zhuǎn)、擠壓、壓下、拉出、來回?fù)u擺等操作，它采用發(fā)光二極管和光接收器來測量力，通過安裝在球中心的幾個張力器來測量出手施加的力，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3個平移運動和3個旋轉(zhuǎn)運動的值送入計算機(jī)中，如圖29所示。力矩球的優(yōu)點是簡單而且耐用；缺點是可以操縱物體，但在選取物體時不夠直觀，在使用前一般要進(jìn)行培訓(xùn)與學(xué)習(xí)。圖29 力矩球（4）三維模型數(shù)字化儀三維模型數(shù)字化儀又稱三維掃描儀或三維掃描數(shù)字化儀，是一種先進(jìn)的三維模型建立設(shè)備，利用CCD成像、激光掃描等手段實現(xiàn)物體模型的取樣，同時通過配套的矢量化軟件對三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，如圖210所示。它特別適合于建立一些不規(guī)則三維物體模型，如人體器官和骨胳模型、出土文物、三維數(shù)字模型的建立等，在醫(yī)療、動植物研究、文物保護(hù)等VR應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。圖210 三維模型數(shù)字化儀掃描石膏像三維模型數(shù)字化儀的工作原理是：由三維模型數(shù)字化儀向被掃描的物體發(fā)射激光，通過攝像機(jī)從每個角度掃描并記錄下物體各個面的輪廓信息，安裝在其上的空間位置跟蹤定位設(shè)備也同步記錄下三維模型數(shù)字化儀的位置及方向的變換信息，將這些數(shù)據(jù)送入計算機(jī)中，再采用相應(yīng)的軟件進(jìn)行處理，得到與物體對應(yīng)的三維模型。4．VR硬件的系統(tǒng)集成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中通常包括大量需要處理來自各種設(shè)備的感知信息、模型和數(shù)據(jù)，因此，建立一個以計算機(jī)為核心，將多種I/O交互設(shè)備協(xié)調(diào)組合在一起的硬件平臺，是VR系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。計算機(jī)系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心，必須具有足夠強(qiáng)大的功能才能完成實時處理、數(shù)據(jù)輸入/輸出、虛擬境界的管理和生成等功能。它一方面要保障虛擬三維場景的實時計算和顯示，盡量減少延遲，另一方面還要協(xié)調(diào)各種I/O交互設(shè)備之間的工作，以確保系統(tǒng)整體運行的性能，見圖211。圖211 某一VR硬件集成系統(tǒng)的組成第三章 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)與軟件VR系統(tǒng)的目標(biāo)是由計算機(jī)生成虛擬世界，用戶能與之進(jìn)行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等全方位交互。要達(dá)到這種目標(biāo)，除了需要有一些專業(yè)的硬件設(shè)備，還必須有較多的相關(guān)技術(shù)及軟件加以保證。如要達(dá)到觀察一個三維場景，并且隨視角不同能實時顯示變化的場景圖像。我們知道只有設(shè)備是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須有相應(yīng)的壓縮算法等技術(shù)相支持，由此可見，實現(xiàn)VR系統(tǒng)除了需要功能強(qiáng)大的硬件設(shè)備支持以外，對其相關(guān)的軟件和技術(shù)也提出了較高要求。1．環(huán)境建模技術(shù)虛擬環(huán)境的建立是VR技術(shù)的核心內(nèi)容，虛擬環(huán)境是建立在建?；A(chǔ)之上的，只有設(shè)計出反映研究對象的真實有效的模型，VR系統(tǒng)才有可信度。虛擬環(huán)境建模的目的是獲取實際環(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，主要特點表現(xiàn)在以下3個方面：① 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。② 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，或是物體簡單的運動。③ 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，物體必須以某種適當(dāng)?shù)姆绞絹碜鞒龇磻?yīng)。VR系統(tǒng)包括三維視覺和三維聽覺建模等。在當(dāng)前應(yīng)用中，環(huán)境建模一般主要是三維視覺建模。三維視覺建模又是可分為幾何建模、物理建模、行為建模等。幾何建模是基于幾何信息來描述物體模型的建模方法，它處理對物體的幾何形狀的表示，研究圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本問題；物理建模是涉及物體的物理屬性；行為建模是反映研究對象的物理本質(zhì)及其內(nèi)在的工作機(jī)理。（1）幾何建模技術(shù)幾何建模技術(shù)主要研究對象是對物體幾何信息的表示與處理，它是涉及表示幾何信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及相關(guān)的構(gòu)造與操縱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法建模方法。幾何建模通常采用以下4種方法：① 利用VR工具軟件來進(jìn)行建模。如：OpenGL、Java3D、VRML等。② 直接從某些商品圖形庫中選購所需的幾何圖形，這樣可以避免直接用多邊形或三角形拼構(gòu)某個對象外形時煩瑣的過程，也可節(jié)省大量的時間。③ 利用常用建模軟件來進(jìn)行建模。如AutoCAD、3DSMAX、 Softimage、Pro/E等，用戶可交互式地創(chuàng)建某個對象的幾何圖形。④ 直接利用VR編輯器。如Dimension公司的VRT3和Division公司的Amaze等都具有這種功能。（2）物理建模技術(shù)建模技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物是物理建模，也就是在建模時要考慮對象的物理屬性。典型的物理建模技術(shù)有分形技術(shù)和粒子系統(tǒng)。① 分形技術(shù)分形技術(shù)是指可以描述具有自相似特征的數(shù)據(jù)集。自相似的典型例子是樹，若不考慮樹葉的區(qū)別，當(dāng)我們靠近樹梢時，樹的樹梢看起來也像一棵大樹，由相關(guān)的一組樹梢構(gòu)成的一根樹枝，從一定的距離觀察也像一棵大樹。當(dāng)然，由樹枝構(gòu)成的樹從適當(dāng)?shù)木嚯x看時自然也是棵樹。雖然，這種分析并不十分精確，但比較接近。這種結(jié)構(gòu)上的自相似稱為統(tǒng)計意義上的自相似。自相似結(jié)構(gòu)可用于復(fù)雜的不規(guī)則外形物體的建模。該技術(shù)首先被用于河流和山體的地理特征建模。舉個簡單的例子來說，我們可利用三角形來生成一個隨機(jī)高度的地形模型。取三角形三邊的中點并按順序連接起來，將三角形分割成4個三角形，在每個中點隨機(jī)地賦予一個高度值，然后，遞歸上述過程。我們就可產(chǎn)生相當(dāng)真實的山體。分形技術(shù)的優(yōu)點是用簡單的操作就可以完成復(fù)雜的不規(guī)則物體建模，缺點是計算量太大，不利于實時性。因此，在VR系統(tǒng)中一般僅用于靜態(tài)遠(yuǎn)景的建模。② 粒子系統(tǒng)粒子系統(tǒng)是一種典型的物理建模系統(tǒng)，粒子系統(tǒng)是用簡單的體素完成復(fù)雜的運動建模。所謂體素是用來構(gòu)造物體的原子單位，體素的選取決定了建模系統(tǒng)所能構(gòu)造的對象范圍。粒子系統(tǒng)由大量稱為粒子的簡單體素構(gòu)成，每個粒子具有位置、速度、顏色和生命期等屬性，這些屬性可根據(jù)動力學(xué)計算和隨機(jī)過程得到。在VR系統(tǒng)中，粒子系統(tǒng)常用于描述火焰、水流、雨雪、旋風(fēng)、噴泉等現(xiàn)象及動態(tài)的物體建模。（3）行為建模技術(shù)行為建模負(fù)責(zé)物體的運動和行為的描述。如果說幾何建模是VR建模的基礎(chǔ)，行為建模則真正體現(xiàn)出VR的特征。一個VR系統(tǒng)中的物體若沒有任何行為的反應(yīng)，則這個VR系統(tǒng)是靜止的、沒有生命的，對于VR用戶是沒有任何意義的，所以說行為建模技術(shù)才真正體現(xiàn)了VR的特征。行為建模技術(shù)主要研究的是物體運動的處理和對其行為的描述，體現(xiàn)了虛擬環(huán)境中建模的特征。也就是說行為建模就是在創(chuàng)建模型的同時，不僅賦予模型外形、質(zhì)感等表現(xiàn)特征，同時也賦予模型物理屬性和“與生俱來”的行為與反應(yīng)能力，并且服從一定的客觀規(guī)律。在虛擬環(huán)境行為建模中，建模方法主要有運動學(xué)與動力學(xué)仿真方法。① 運動學(xué)方法運動學(xué)方法是通過幾何變換，如物體的平移或旋轉(zhuǎn)等來描述運動。在運動控制中，無須知道物體的物理屬性。在關(guān)鍵幀動畫中，運動是通過顯示指定幾何變換來表現(xiàn)的。首先設(shè)置幾個關(guān)鍵幀用來區(qū)分關(guān)鍵的動作，其他動作根據(jù)各關(guān)鍵幀可通過內(nèi)插等方法來完成。由于運動學(xué)方法產(chǎn)生的運動是基于幾何變換的，復(fù)雜場景的建模將顯得比較困難。② 動力學(xué)仿真運動力學(xué)仿真運用物理定律而非幾何變換來描述物體的行為。在該方法中，運動是通過物體的質(zhì)量和慣性、力、和力矩以及其他的物理作用計算出來的。這種方法的優(yōu)點是對物體運動的描述更精確，運動更加自然。采用運動學(xué)方法與動力學(xué)仿真都可以模擬物體的運動行為，但各有其優(yōu)越性和局限性。運動學(xué)方法可以做得很真實和高效，但相對應(yīng)用面不廣；而動力學(xué)仿真技術(shù)利用真實規(guī)律精確描述物體的行為，比較注重物體間的相互作用，較適合物體間交互較多的環(huán)境建模，它有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。2．實時三維圖形繪制技術(shù) 實時三維圖形繪制技術(shù)指利用計算機(jī)為用戶提供一個能從任意視點及方向?qū)崟r觀察三維場的手段，它要求當(dāng)用戶的視點改變時，圖形顯示速度也必須跟上視點的改變速度，否則就會產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象。由于三維立體圖包含有比二維圖形多更多的信息，而且虛擬場景越復(fù)雜，其數(shù)據(jù)量就越大。因此，當(dāng)生成虛擬環(huán)境的視圖時，必須采用高性能的計算機(jī)及設(shè)計好的數(shù)據(jù)組織方式，從而達(dá)到實時性的要求，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好是高于30幀/秒。（1）基于幾何圖形的實時繪制技術(shù)為了保證三維圖形的顯示能實現(xiàn)刷新頻率不低于30幀/秒。除了在硬件方面采用高性能的計算機(jī)外，還必須選擇合適的算法來降低場景的復(fù)雜度（即降低圖形系統(tǒng)處理的多邊形數(shù)目）。目前，用于降低場景的復(fù)雜度，以提高三維場景的動態(tài)顯示速度的常用方法有預(yù)測計算、脫機(jī)計算、場景分塊、可見消隱、細(xì)節(jié)層次模型等，其中細(xì)節(jié)層次模型應(yīng)用較為普遍。① 預(yù)測計算根據(jù)物體的各種運動規(guī)律，如手的移動，可在下一幀畫面繪制之前用預(yù)測的方法推算出手的位置，從而減少由輸入設(shè)備所帶來的延遲。② 脫機(jī)計算由于VR系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中可以盡可能將一些可預(yù)先計算好的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先計算并存儲在系統(tǒng)中，這樣可加快需要運行時的速度。③ 場景分塊將一個復(fù)雜的場景劃分成若干個子場景，各個子場景間幾乎不可見或完全不可見。④ 可見消隱場景分塊技術(shù)與用戶處的場景位置有關(guān)，而可見消隱技術(shù)則與用戶的視點關(guān)系密切。使用這種方法，系統(tǒng)僅顯示用戶當(dāng)前能“看見”的場景，當(dāng)用戶僅能看到整個場景中很小部分時，由于系統(tǒng)僅顯示相應(yīng)場景，此時可大大減少所需顯示的多邊形的數(shù)目。然而，當(dāng)用戶“看見”的場景較復(fù)雜時，這種方法作用就不大。⑤ 細(xì)節(jié)層次模型所謂細(xì)節(jié)層次模型(Level Of Detail,LOD),是對同一個場景或場景中的物體使用具有不同細(xì)節(jié)的描述方法得到的一組模型。（2）基于圖像的繪制技術(shù)基于圖像的繪制技術(shù)（Image Based Rending,IBR）是采用一些預(yù)先生成的場景畫面,對接近于視點或視線議程的畫面進(jìn)行交換、插值與變形，從而快速得到當(dāng)前視點處的場景畫面。與基于幾何的傳統(tǒng)繪制技術(shù)相比，基于圖像的實時繪制技術(shù)的優(yōu)勢在于：① 圖形繪制技術(shù)與場景復(fù)雜性無關(guān)，僅與所要生成畫面的分辨率有關(guān)。② 預(yù)先存儲的圖像（或環(huán)境映照）既可以是計算機(jī)生成的，也可以是用相機(jī)實際拍攝的畫面，也可以兩者混合生成。它們都達(dá)到滿意的繪制質(zhì)量。③ 對計算機(jī)的資源要求不高，可以在普通工作站和個人計算機(jī)上實現(xiàn)復(fù)雜場景的實時顯示。目前，基于圖像的繪制技術(shù)主要有以下兩種，此外，其他的還有基于分層表示及全視函數(shù)等方法。① 全景技術(shù)全景技術(shù)是指在一個場景中的一個觀察點用相機(jī)每旋轉(zhuǎn)一下角度拍攝得到一組照片，再在計算機(jī)采用各種工具軟件拼接成一個全景圖像。它所形成的數(shù)據(jù)較小，對計算機(jī)配置要求 低，適用于桌面式VR系統(tǒng)，建模速度快，但一般一個場景只有一個觀察點，因此交互性較差。② 圖像的插值及視圖變換技術(shù)在上面所介紹的全景技術(shù)中，只能在指定的觀察點進(jìn)行漫游?，F(xiàn)在，研究人員研究了根據(jù)在不同觀察點所拍攝的圖像，交互地給出或自動得到相鄰兩個圖像之間對應(yīng)，采用插值或視圖變換的