【文章內容簡介】 作用的直觀性。VR技術的一項重大突破就是用手來代替鍵盤、鼠標，作為人與計算機交互的一種重要手段。借助各種專用的設備代替鍵盤、鼠標，作為人與計算機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)據手套數(shù)據手套（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)據手套是一種被廣泛使用的傳感設備，它是一種戴在用戶手上的虛擬的手，用于與VR系統(tǒng)進行交互，可在虛擬世界中進行物體抓取、移動、裝配、操縱、控制，并把手指伸屈時的各種姿勢轉換成數(shù)字信號送給計算機，計算機通過應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)行相應的操作。在實際應用中，數(shù)據手套還必須配有空間位置跟蹤定位設備，檢測手的實際位置和方向?，F(xiàn)在已經有多種傳感數(shù)據手套問世，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)據手套有以下幾種：① VPL數(shù)據手套,、重量輕，可方便地安裝在手套上。數(shù)據手套的標準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)據手套就裝有10個傳感器，用來測量手指主要關節(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計的。在手套上織有多個由兩片應變電阻片組成的傳感器，它在工作時檢測成對的應變片電阻變化。當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的電壓變化，再把此數(shù)據量送入到計算機中處理，從而檢測到各手指的彎曲狀態(tài)。③ DHM手套這是一金屬結構的傳感手套，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，在每次使用前需進行調整。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節(jié)處。DHM傳感手套響應速度快、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)據衣 數(shù)據衣是采用與數(shù)據手套同樣的原理制成的，數(shù)據衣是為了讓VR系統(tǒng)識別全身運動而設計的輸入裝置。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，以及各關節(jié)（如手腕、肘關節(jié)）彎曲的角度。它能對人體的大約50多個不同的關節(jié)進行測量，通過光電轉換，將身體的運動信息送入計算機進行圖像重建，如圖28所示，目前，這種設備正處于研發(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，但隨著科技的進步，此種設備必將有較大的發(fā)展。數(shù)據衣主要應用在一些復雜環(huán)境中，對物體進行的跟蹤和對人體運動的跟蹤與捕捉。圖28 數(shù)據衣（3）三維控制器 ①三維空間鼠標三維空間鼠標（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內部安裝超聲波或電磁發(fā)射器，利用配套的接收設備可檢測到鼠標在空間中的位置與方向。三維空間鼠標與其他設備相比其成本低，常駐應用于建筑設計等領域。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個相應的光接收器。當使用者用手對球的外層施加力或力矩時，根據彈簧形變的法則，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，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、擠壓、壓下、拉出、來回搖擺等操作，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)據轉化為3個平移運動和3個旋轉運動的值送入計算機中，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，在使用前一般要進行培訓與學習。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，是一種先進的三維模型建立設備，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)據進行數(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、文物保護等VR應用領域有廣闊的應用前景。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)據送入計算機中，再采用相應的軟件進行處理，得到與物體對應的三維模型。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備的感知信息、模型和數(shù)據，因此，建立一個以計算機為核心，將多種I/O交互設備協(xié)調組合在一起的硬件平臺，是VR系統(tǒng)集成的關鍵技術。計算機系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心，必須具有足夠強大的功能才能完成實時處理、數(shù)據輸入/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)調各種I/O交互設備之間的工作，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)的相關技術與軟件VR系統(tǒng)的目標是由計算機生成虛擬世界，用戶能與之進行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等全方位交互。要達到這種目標，除了需要有一些專業(yè)的硬件設備，還必須有較多的相關技術及軟件加以保證。如要達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。我們知道只有設備是遠遠不夠的，還必須有相應的壓縮算法等技術相支持，由此可見，實現(xiàn)VR系統(tǒng)除了需要功能強大的硬件設備支持以外，對其相關的軟件和技術也提出了較高要求。1．環(huán)境建模技術虛擬環(huán)境的建立是VR技術的核心內容，虛擬環(huán)境是建立在建?；A之上的，只有設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，并根據應用的需要，利用獲取的三維數(shù)據建立相應的虛擬環(huán)境模型。VR系統(tǒng)中環(huán)境的建模技術與其圖形建模技術相比，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，當用戶與物體進行交互時，物體必須以某種適當?shù)姆绞絹碜鞒龇磻?。VR系統(tǒng)包括三維視覺和三維聽覺建模等。在當前應用中，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)據結構的基本問題；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及其內在的工作機理。（1）幾何建模技術幾何建模技術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)據結構，以及相關的構造與操縱數(shù)據結構的算法建模方法。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）物理建模技術建模技術進一步發(fā)展的產物是物理建模，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有分形技術和粒子系統(tǒng)。① 分形技術分形技術是指可以描述具有自相似特征的數(shù)據集。自相似的典型例子是樹，若不考慮樹葉的區(qū)別，當我們靠近樹梢時，樹的樹梢看起來也像一棵大樹，由相關的一組樹梢構成的一根樹枝，從一定的距離觀察也像一棵大樹。當然，由樹枝構成的樹從適當?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。這種結構上的自相似稱為統(tǒng)計意義上的自相似。自相似結構可用于復雜的不規(guī)則外形物體的建模。該技術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，在每個中點隨機地賦予一個高度值，然后，遞歸上述過程。我們就可產生相當真實的山體。分形技術的優(yōu)點是用簡單的操作就可以完成復雜的不規(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雜的運動建模。所謂體素是用來構造物體的原子單位，體素的選取決定了建模系統(tǒng)所能構造的對象范圍。粒子系統(tǒng)由大量稱為粒子的簡單體素構成，每個粒子具有位置、速度、顏色和生命期等屬性，這些屬性可根據動力學計算和隨機過程得到。在VR系統(tǒng)中，粒子系統(tǒng)常用于描述火焰、水流、雨雪、旋風、噴泉等現(xiàn)象及動態(tài)的物體建模。（3）行為建模技術行為建模負責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，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，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才真正體現(xiàn)了VR的特征。行為建模技術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與動力學仿真方法。① 運動學方法運動學方法是通過幾何變換，如物體的平移或旋轉等來描述運動。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。首先設置幾個關鍵幀用來區(qū)分關鍵的動作，其他動作根據各關鍵幀可通過內插等方法來完成。由于運動學方法產生的運動是基于幾何變換的，復雜場景的建模將顯得比較困難。② 動力學仿真運動力學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。采用運動學方法與動力學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。運動學方法可以做得很真實和高效，但相對應用面不廣；而動力學仿真技術利用真實規(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，它有著廣泛的應用領域。2．實時三維圖形繪制技術 實時三維圖形繪制技術指利用計算機為用戶提供一個能從任意視點及方向實時觀察三維場的手段，它要求當用戶的視點改變時，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，而且虛擬場景越復雜，其數(shù)據量就越大。因此，當生成虛擬環(huán)境的視圖時，必須采用高性能的計算機及設計好的數(shù)據組織方式，從而達到實時性的要求，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外，還必須選擇合適的算法來降低場景的復雜度（即降低圖形系統(tǒng)處理的多邊形數(shù)目）。目前，用于降低場景的復雜度，以提高三維場景的動態(tài)顯示速度的常用方法有預測計算、脫機計算、場景分塊、可見消隱、細節(jié)層次模型等，其中細節(jié)層次模型應用較為普遍。① 預測計算根據物體的各種運動規(guī)律，如手的移動，可在下一幀畫面繪制之前用預測的方法推算出手的位置，從而減少由輸入設備所帶來的延遲。② 脫機計算由于VR系統(tǒng)是一個較為復雜的系統(tǒng)，在實際應用中可以盡可能將一些可預先計算好的數(shù)據進行預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與用戶處的場景位置有關，而可見消隱技術則與用戶的視點關系密切。使用這種方法，系統(tǒng)僅顯示用戶當前能“看見”的場景，當用戶僅能看到整個場景中很小部分時，由于系統(tǒng)僅顯示相應場景，此時可大大減少所需顯示的多邊形的數(shù)目。然而，當用戶“看見”的場景較復雜時，這種方法作用就不大。⑤ 細節(jié)層次模型所謂細節(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節(jié)的描述方法得到的一組模型。（2）基于圖像的繪制技術基于圖像的繪制技術（Image Based Rending,IBR）是采用一些預先生成的場景畫面,對接近于視點或視線議程的畫面進行交換、插值與變形，從而快速得到當前視點處的場景畫面。與基于幾何的傳統(tǒng)繪制技術相比，基于圖像的實時繪制技術的優(yōu)勢在于：① 圖形繪制技術與場景復雜性無關，僅與所要生成畫面的分辨率有關。② 預先存儲的圖像（或環(huán)境映照）既可以是計算機生成的，也可以是用相機實際拍攝的畫面，也可以兩者混合生成。它們都達到滿意的繪制質量。③ 對計算機的資源要求不高，可以在普通工作站和個人計算機上實現(xiàn)復雜場景的實時顯示。目前，基于圖像的繪制技術主要有以下兩種，此外，其他的還有基于分層表示及全視函數(shù)等方法。① 全景技術全景技術是指在一個場景中的一個觀察點用相機每旋轉一下角度拍攝得到一組照片，再在計算機采用各種工具軟件拼接成一個全景圖像。它所形成的數(shù)據較小，對計算機配置要求 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在上面所介紹的全景技術中，只能在指定的觀察點進行漫游?，F(xiàn)在，研究人員研究了根據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，采用插值或視圖變換的