【正文】 大瞳孔反射低帶寬、精度高、對人無干擾、誤差小接觸鏡高帶寬、精度最高、對人干擾大、不舒適6．碰撞檢測技術(shù) 在虛擬世界中，由于用戶與虛擬世界的交互及虛擬世界中物體的相互運動，物體之間經(jīng)常會出現(xiàn)相碰的情況。為了保證虛擬世界的真實性，就需要VR系統(tǒng)能夠及時檢測出這些碰撞，產(chǎn)生相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，并及時更新場景輸出，否則就會發(fā)生穿透現(xiàn)象。正是有了碰撞檢測，才可以避免諸如人穿墻而過等不真實情況的發(fā)生，影響虛擬世界的真實感。在虛擬世界中關(guān)于碰撞，首先要檢測到有碰撞的發(fā)生碰撞的位置，其次是計算出發(fā)生碰撞后的反應(yīng)，所以說碰撞檢測是VR系統(tǒng)中不可缺少的部分。在虛擬世界中通常有大量的物體，并且這些物體的形狀復(fù)雜，要檢測這些物體之間的碰撞是一個十分復(fù)雜性的事情，其檢測工作量較大，同時由于VR系統(tǒng)中有較高實時性的要求，要求碰撞檢測必須在很短的時間（如30ms～50ms）完成，因而碰撞檢測成了VR系統(tǒng)與其他實時仿真系統(tǒng)的瓶頸，碰撞檢測是VR系統(tǒng)研究的一個重要技術(shù)。（1）碰撞檢測的要求這了保證虛擬世界的真實性，碰撞檢測必須有較高的實時性和精確性。所謂實時性，基于視覺顯示的要求，碰撞檢測的速度一般至少要達到24次/秒，而基于觸覺要求，碰撞檢測的速度至少要達到300次/秒才能維持觸覺交互系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只有達到1000次/秒才能獲得平滑的效果。而精確性的要求則取決于VR系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的要求，比如對于小區(qū)漫游系統(tǒng)，只要近似模擬碰撞情況，此時，若兩個物體之間的距離比較近，而不管是否實際有沒有發(fā)生碰撞，都可以將其當做是發(fā)生了碰撞，并粗略計算其發(fā)生的碰撞位置。而對于如虛擬手術(shù)仿真、虛擬裝配等系統(tǒng)的應(yīng)用時，就必須精確地檢測碰撞是否發(fā)生，并實時地計算出碰撞發(fā)生的位置，并產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。（2）碰撞檢測的實現(xiàn)方法由于物體本身的模型可能很復(fù)雜，直接采用物體的原模型來檢測兩個物體的碰撞，計算量仍然過大。對兩物體間的精確碰撞檢測的加速實現(xiàn)，現(xiàn)有的碰撞檢測算法主要可劃分為兩大類；層次包圍盒法和空間分解法。7．虛擬現(xiàn)實工具軟件VR的軟件系統(tǒng)是實現(xiàn)VR技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。在VR系統(tǒng)應(yīng)用中，提供一種使用方便、功能強大的系統(tǒng)開發(fā)支撐軟件是十分重要的，VR系統(tǒng)工具就是要達到這個功能。目前，在國內(nèi)與國外已開發(fā)了很多VR系統(tǒng)軟件工具，如WTK（World Tool Kit）、MR(Minimal Reality Toolkit)、World Visions、FreeWRL、VRT(Virtual Reality Toolkit)、DVES(Distributed Virtual Enviroment System)等，其中WTK是應(yīng)用較多的一種。WTK（World Tool Kit）是由美國Sense8公司開發(fā)的虛擬環(huán)境應(yīng)用工具軟件。它是一種簡潔的跨平臺軟件開發(fā)系統(tǒng)，可用于科學(xué)和商業(yè)領(lǐng)域建立高性能的、實時的、綜合三維工程。WTK是具有很強的功能的終端用戶工具，它可用來建立和管理一個項目并使之商業(yè)化。一個高水平的應(yīng)用程序界面（API）應(yīng)該能讓用戶按需要快捷的建模、開發(fā)及重新構(gòu)造應(yīng)用程序。WTK算法設(shè)計使畫面高品質(zhì)得到根本的保障。這種高效的視覺數(shù)字顯示提高了運行、控制和適應(yīng)能力，它的特點是高效傳輸數(shù)據(jù)及細節(jié)分辨。WTK提供了強大的功能，它可以開發(fā)出最復(fù)雜的應(yīng)用程序，還能提高一個組織的生產(chǎn)效率。WTK實質(zhì)是一個由1000多個C語言函數(shù)組成的函數(shù)庫。通過使用這些函數(shù)，用戶可以構(gòu)造出一個具有真實世界屬性和行為和虛擬世界。一個函數(shù)調(diào)用相當于執(zhí)行1000行代碼，這將奇跡般地縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。WTK被規(guī)劃為包括The Universe在內(nèi)的20多個類，它們分別管理模擬系統(tǒng)、幾何對象、視點、傳感器、路徑、光源和其他項目。附加函數(shù)用于器件實例化、顯示設(shè)置、碰撞檢測、從文件裝入幾何對象、動態(tài)幾何構(gòu)造、定義對象動作和控制繪制等。WTK開發(fā)系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：硬件部分和軟件部分。硬件部分包括主機、圖形加速卡、VR設(shè)備。只有選擇圖形加速卡，才能保證圖形的快速刷新和渲染，才能保證視覺效果的一致性。VR設(shè)備的種類很多，有HMD、數(shù)據(jù)手套、三維空間鼠標等。用戶應(yīng)根據(jù)對交互性的需要，選擇經(jīng)濟合理的虛擬設(shè)備。例如，用戶需要研究力反饋情況，才需要選用帶有力反饋功能的傳感器。軟件部分實質(zhì)是指集成了WTK函數(shù)庫的C編輯器，它可調(diào)用CAK軟件中的模型，完成虛擬環(huán)境中的幾何建模，也可調(diào)用各種圖像編輯器所編輯的二維圖像，形成虛擬環(huán)境中景物的表面紋理、圖片等。WTK采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞?，形成了幾十基類，如Wttuniverse、Wtgeometry、Wtnode等。圖34描述了WTK的事件流程圖。圖34 WTK 仿真循環(huán)程序流程圖（2）MR(Minimal Reality Toolkit) MR實質(zhì)上是一個支持虛擬環(huán)境開發(fā)的子程序庫。它包括3個層次的庫函數(shù)：底層包括一組設(shè)備支撐函數(shù)包，每一函數(shù)包支持一種設(shè)備，并稱為一個客戶/服務(wù)器對。其中，客戶部分是一組服務(wù)器接口庫函數(shù)，而服務(wù)器部分是一個連續(xù)采樣設(shè)備并完成諸如篩選等底層操作的進程。服務(wù)器是一個連續(xù)采樣設(shè)備，所以客戶函數(shù)可以很快地獲得最新數(shù)據(jù)，避免了由于樣本申請可能造成的延時問題。客戶/服務(wù)器模型還便于在系統(tǒng)中增加新的設(shè)備。第二層是一組處理從設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為程序員方便使用的格式的庫函數(shù)。這一層的函數(shù)還提供了諸如在工作站之間傳輸數(shù)據(jù)和工作空間映象等的標準服務(wù)。對于數(shù)據(jù)手套，這一級的庫函數(shù)也負責完成手勢識別，并提供當前數(shù)據(jù)手套狀態(tài)的可視化反饋。最高層的庫函數(shù)為程序員提供了一組打包的服務(wù)集，它們是基于一般虛擬環(huán)境系統(tǒng)要求的。這一層的庫函數(shù)不能處理用于產(chǎn)生雙眼立體顯示的一對工作站之間在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和顯示操作等方面的同步問題。8．Web3D技術(shù)與軟件 （1）Web3D技術(shù)特點Web3D稱為網(wǎng)絡(luò)3D，是一種網(wǎng)絡(luò)上帶有交互性能實時渲染的三維技術(shù)，它的本質(zhì)就是在網(wǎng)絡(luò)上如何表現(xiàn)3D圖形，是VR技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用。 ① Web3D的國際標準——VRML（X3D）1997年月12月VRML作為Web3D國際標準正式發(fā)布，1998年1月正式獲得國際標準化組織ISO批準，簡稱VRML97。,但它這意味著VRML已經(jīng)成為VR行業(yè)的國際標準.② 互聯(lián)網(wǎng)3D圖形的關(guān)鍵技術(shù)——實時渲染在Web3D瀏覽中，一般來說要下載相應(yīng)的插件，這些插件的作用就是進行實時渲染，具體作用為解釋并翻譯場景模型文件的語法，實時渲染從服務(wù)器傳來的場景模型文件，在網(wǎng)頁訪問者的客戶端逐幀、實時地顯示三維圖形。把實時渲染引擎做成一個插件，在觀看前先要下載并安裝在IE瀏覽器上，這是互聯(lián)網(wǎng)三維圖形軟件廠商目前通常的做法。當然解決問題的最好辦法是微軟等公司在其瀏覽器中預(yù)裝一個或幾個實時渲染插件，讓互聯(lián)網(wǎng)三維圖形的觀看者不必花費時間去下載并安裝相應(yīng)的插件。顯然，實時渲染引擎是實施互聯(lián)網(wǎng)三維圖形的關(guān)鍵技術(shù)，它的文件大小、圖形渲染質(zhì)量、渲染速度以及它能提供的交互性都直接反映其解決方案的優(yōu)劣?，F(xiàn)在每一種Web3D的解決方案都要下載各自不同的瀏覽插件，一般較大的有4M～5M，而最小的基于Java技術(shù)的只有58K。當然，渲染的圖像質(zhì)量就越好，功能就越強大。目前圖形質(zhì)量較好的渲染引擎應(yīng)該屬于Cult3D和Viewpoint，都使用各自專用的文件格式。③ 交互性交互性是Web3D的最大特色，只有實時渲染才能提供這種交互性，本地三維圖形的預(yù)渲染不能提供這種至關(guān)重要的靈活性。交互性是指三維圖形的觀看者控制和操縱虛擬場景及其中三維對象的能力，如可以隨時改變在虛擬場景中漫游的方向和速度，可以操作虛擬場景中的對象等。（2）Web3D應(yīng)用工具軟件常見的國內(nèi)外軟件有：Cult3D、Viewpoint、Java3D、GL4Java、Flatland、Fluid3D、Janet3D、Pulse3D、Shout3D、Sumea、Superscape、Vecta3D、Blaxunn3D、OpenWorlds等。① 全景技術(shù)利用Java技術(shù)拍攝的一組全景圖片，可以輕松地創(chuàng)建360176。實景物體和場景展示，并能模擬三維空間，Java技術(shù)產(chǎn)品可在瀏覽器上直接瀏覽，不需要任何插件，主要是運用Java的Apple嵌入網(wǎng)頁，主要的代表公司是Apple和Mgi公司等。② VRML建模語言 VRML是采用文本信息描述三維場景，在Internet網(wǎng)上傳輸,在本地機上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場景,解釋生成的標準規(guī)范即是VRML規(guī)范。正是基于VRML的這種工作機制，才使其可能在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸比圖形文件迅速，所以他們避開在網(wǎng)絡(luò)上直接傳輸圖形文件而改用傳圖形文件的文本描述信息，把復(fù)雜的處理任務(wù)交給本地機，從而減輕了網(wǎng)絡(luò)的負擔。③ AtmosphereAdobe Atmosphere是專業(yè)的VR解決方案，由Adobe公司基于Viewpoint技術(shù)開發(fā)。Adobe Atmosphere包括3個組件：Atmosphere Builder（專業(yè)的三維場景制作技術(shù)）、Atmosphere Player（可免費下載的Web瀏覽器插件，也可以獨立運行，用于瀏覽Atmosphere場景文件，支持三維場景聊天和功能）、Atmosphere Community Server（Atmosphere通迅服務(wù)器，是支持Atmosphere場景交互聊天的消息服務(wù)器軟件）。Atmosphere支持大多數(shù)的Web圖像格式,包括jpeg、gif、png格式。另外，Atmosphere支持Viewpoint對象，可以使用任何支持Viewpoint對象輸出三維設(shè)計軟件制作Atmophere場景。Atmosphere支持兩種不同的動畫對象和wav與mp3聲音文件格式。Atmosphere支持多用戶聊天，當發(fā)布Atmosphere三維場景的時候，場景文件可以放置在任何支持HTTP協(xié)議的服務(wù)器上。④ Shockwave3D技術(shù)這是Macromedia公司Flash的一個插件，有著極為廣大的用戶群。2000年8月SIGGRAPH大會，Intel和Macromedia聯(lián)合聲稱將把Intel的網(wǎng)上三維圖形技術(shù)應(yīng)用到Macromedia Shockwave播放器中。在現(xiàn)在推出的Macromedia Director Shockwavd ，加入了Shockwave3D引擎。Director為Shockwave3D加入了幾百條控制Lingo，結(jié)合Director本身功能，無疑在交互能力上Shockwave3D具有強大的優(yōu)勢。⑤ Cult3D技術(shù)Cult3D是瑞典Cycore公司的產(chǎn)品，它主要用于展示虛擬真實世界中的物體的形狀、顏色、功能、特效等屬性，是應(yīng)用于主流操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的交互三維渲染軟件。使用Cult3D技術(shù)，用戶可以在線瀏覽、觀察可交互的三維產(chǎn)品模型，通過鼠標單擊，用戶即可以旋轉(zhuǎn)、縮放和平移Cult3D模型，從任何角度觀察它，單擊Cult3D對象中設(shè)置的交互區(qū)域，可以開啟或者關(guān)閉模型的部件，并可實現(xiàn)如播放音樂、語音解說等功能。⑥ Viewpoint技術(shù)Viewpoint技術(shù)是由真正的三維模型建立的,它具有完全的互動功,把復(fù)雜的三維信息壓縮成很小的數(shù)字格式,使用jpeg的壓縮格式,保證文件的貼圖不會使三維文件加大,并且它傳遞給用戶的方式像Flash、Quicktime、Realmedia等流行媒體一樣，使用了流媒體式播放方式，這就使用戶不用下載完所有的文件即可看到。（3）Web3D應(yīng)用與發(fā)展 Web3D技術(shù)是針對互聯(lián)網(wǎng)上的最新和最具應(yīng)用前景的技術(shù)，今后幾年必將在互聯(lián)網(wǎng)上占有重要地位。當然，互聯(lián)網(wǎng)的需求是它發(fā)展的動力。互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容提供商和商業(yè)網(wǎng)站不斷使用新的工具與技術(shù)使網(wǎng)站更具有吸引力，Web3D圖形將在互聯(lián)網(wǎng)上有廣泛的應(yīng)用，從目前的趨勢來看主要有以下方面：① 企業(yè)產(chǎn)品宣傳與電子商務(wù)采用VR技術(shù)來展示商品，更能吸引客戶。在網(wǎng)站上開設(shè)虛擬商場，客戶可以通過網(wǎng)絡(luò)在虛擬商場中漫游，挑選商品。許多Web3D圖形技術(shù)的軟件廠商是瞄準了電子商務(wù)的，典型的如Cult3D和Viewpoint等，其圖形技術(shù)主要是用于商品的三維展示，甚至可以在網(wǎng)上操作或使用要購買的商品。② 娛樂休閑與游戲在互聯(lián)網(wǎng)上進行多用戶聯(lián)機三維游戲，如賽車或空中射擊游戲，同時娛樂休閑網(wǎng)站對Web3D技術(shù)有更多的需求，如城市校園或風景點的虛擬旅游、虛擬博物館和虛擬展覽會等。③ 多用戶虛擬社區(qū)虛擬社區(qū)（VirtualCommunity）是建立一個通過網(wǎng)絡(luò)連接的、多用戶參與的、可由用戶自主擴展的大型虛擬場景，在虛擬場景中的每個訪問者都可以指定一個“替身”，通過“替身”在場景中漫游。在虛擬社區(qū)中，他們可以用語音、文字和視頻進行通訊。虛擬社區(qū)可以是一個城市、校園、建筑物，甚至還可以是一些想像的空間另外，Web3D在科技與工程的可視化、遠程教育、建筑漫游、室內(nèi)外裝修等方面的應(yīng)用也十分廣泛。9．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的總結(jié)在硬件系統(tǒng)方面,交互性是實現(xiàn)人機和諧的關(guān)鍵，改進硬件設(shè)備的性能則是其中的關(guān)鍵，而到目前為止，VR制造的大部分專用設(shè)備卻普遍存在使用不便、效果有限等問題。因此，提高現(xiàn)有硬件設(shè)備的性能是首先需要解決的問題。其次，硬件品種仍然有待擴展和精化?，F(xiàn)有的各種硬件設(shè)備，其性能和品種還遠遠不能達到VR所定義的那種要求，所以在改進現(xiàn)有設(shè)備的同時，還需要研發(fā)新的設(shè)備，不斷擴展和完善人類在虛擬世界中的“真實”感受。同時，還應(yīng)針對不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求，研制一些能滿足特殊需要的硬件設(shè)備。第三，目前VR系統(tǒng)的硬件設(shè)備的造價總體上依舊過高，因此，VR系統(tǒng)應(yīng)該研制、改進一些“價廉物美”、適于普及的桌面VR式操作設(shè)備，使人們能如同使用鼠標一樣的接受它們?，F(xiàn)階段人們對VR的應(yīng)用仍處于初級階段，且多局限于國家的軍事和各種高科技研究領(lǐng)域。未來的發(fā)展應(yīng)努力將VR的應(yīng)用向民用方面拓展，讓VR技術(shù)能在各種不同行業(yè)發(fā)揮更大的效用。在軟件系統(tǒng)方面，首先應(yīng)該為應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)提供一些更為簡單、適用的生成工具。目前大多的VR軟件工具仍然存在語言專業(yè)性過強、欠缺通用性和易用性等問題。其次，現(xiàn)階段的軟件開發(fā)費用過高，且效果不理想。另外，由于許多技術(shù)理論和算法尚不完善，使得目前VR軟件所能實現(xiàn)的效果也不甚理想。從應(yīng)用系統(tǒng)的角度來看，VR的應(yīng)用領(lǐng)域尚有待大力拓展