【正文】 大瞳孔反射低帶寬、精度高、對(duì)人無(wú)干擾、誤差小接觸鏡高帶寬、精度最高、對(duì)人干擾大、不舒適6．碰撞檢測(cè)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(yùn)動(dòng)，物體之間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)相碰的情況。為了保證虛擬世界的真實(shí)性，就需要VR系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測(cè)出這些碰撞，產(chǎn)生相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，并及時(shí)更新場(chǎng)景輸出，否則就會(huì)發(fā)生穿透現(xiàn)象。正是有了碰撞檢測(cè)，才可以避免諸如人穿墻而過(guò)等不真實(shí)情況的發(fā)生，影響虛擬世界的真實(shí)感。在虛擬世界中關(guān)于碰撞，首先要檢測(cè)到有碰撞的發(fā)生碰撞的位置，其次是計(jì)算出發(fā)生碰撞后的反應(yīng)，所以說(shuō)碰撞檢測(cè)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(cè)這些物體之間的碰撞是一個(gè)十分復(fù)雜性的事情，其檢測(cè)工作量較大，同時(shí)由于VR系統(tǒng)中有較高實(shí)時(shí)性的要求，要求碰撞檢測(cè)必須在很短的時(shí)間（如30ms～50ms）完成，因而碰撞檢測(cè)成了VR系統(tǒng)與其他實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的瓶頸，碰撞檢測(cè)是VR系統(tǒng)研究的一個(gè)重要技術(shù)。（1）碰撞檢測(cè)的要求這了保證虛擬世界的真實(shí)性，碰撞檢測(cè)必須有較高的實(shí)時(shí)性和精確性。所謂實(shí)時(shí)性，基于視覺顯示的要求，碰撞檢測(cè)的速度一般至少要達(dá)到24次/秒，而基于觸覺要求，碰撞檢測(cè)的速度至少要達(dá)到300次/秒才能維持觸覺交互系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只有達(dá)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(shí)際應(yīng)用中的要求，比如對(duì)于小區(qū)漫游系統(tǒng)，只要近似模擬碰撞情況，此時(shí)，若兩個(gè)物體之間的距離比較近，而不管是否實(shí)際有沒有發(fā)生碰撞，都可以將其當(dāng)做是發(fā)生了碰撞，并粗略計(jì)算其發(fā)生的碰撞位置。而對(duì)于如虛擬手術(shù)仿真、虛擬裝配等系統(tǒng)的應(yīng)用時(shí)，就必須精確地檢測(cè)碰撞是否發(fā)生，并實(shí)時(shí)地計(jì)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(cè)的實(shí)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(lái)檢測(cè)兩個(gè)物體的碰撞，計(jì)算量仍然過(guò)大。對(duì)兩物體間的精確碰撞檢測(cè)的加速實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有的碰撞檢測(cè)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(shí)工具軟件VR的軟件系統(tǒng)是實(shí)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(qiáng)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(dá)到這個(gè)功能。目前，在國(guó)內(nèi)與國(guó)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(guó)Sense8公司開發(fā)的虛擬環(huán)境應(yīng)用工具軟件。它是一種簡(jiǎn)潔的跨平臺(tái)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(shí)時(shí)的、綜合三維工程。WTK是具有很強(qiáng)的功能的終端用戶工具，它可用來(lái)建立和管理一個(gè)項(xiàng)目并使之商業(yè)化。一個(gè)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(jì)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(yùn)行、控制和適應(yīng)能力，它的特點(diǎn)是高效傳輸數(shù)據(jù)及細(xì)節(jié)分辨。WTK提供了強(qiáng)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(gè)組織的生產(chǎn)效率。WTK實(shí)質(zhì)是一個(gè)由1000多個(gè)C語(yǔ)言函數(shù)組成的函數(shù)庫(kù)。通過(guò)使用這些函數(shù)，用戶可以構(gòu)造出一個(gè)具有真實(shí)世界屬性和行為和虛擬世界。一個(gè)函數(shù)調(diào)用相當(dāng)于執(zhí)行1000行代碼，這將奇跡般地縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。WTK被規(guī)劃為包括The Universe在內(nèi)的20多個(gè)類，它們分別管理模擬系統(tǒng)、幾何對(duì)象、視點(diǎn)、傳感器、路徑、光源和其他項(xiàng)目。附加函數(shù)用于器件實(shí)例化、顯示設(shè)置、碰撞檢測(cè)、從文件裝入幾何對(duì)象、動(dòng)態(tài)幾何構(gòu)造、定義對(duì)象動(dòng)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(jī)、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(biāo)等。用戶應(yīng)根據(jù)對(duì)交互性的需要，選擇經(jīng)濟(jì)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(shí)質(zhì)是指集成了WTK函數(shù)庫(kù)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(shí)質(zhì)上是一個(gè)支持虛擬環(huán)境開發(fā)的子程序庫(kù)。它包括3個(gè)層次的庫(kù)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(gè)客戶/服務(wù)器對(duì)。其中，客戶部分是一組服務(wù)器接口庫(kù)函數(shù)，而服務(wù)器部分是一個(gè)連續(xù)采樣設(shè)備并完成諸如篩選等底層操作的進(jìn)程。服務(wù)器是一個(gè)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(qǐng)可能造成的延時(shí)問(wèn)題?？蛻?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(kù)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(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。對(duì)于數(shù)據(jù)手套，這一級(jí)的庫(kù)函數(shù)也負(fù)責(zé)完成手勢(shì)識(shí)別，并提供當(dāng)前數(shù)據(jù)手套狀態(tài)的可視化反饋。最高層的庫(kù)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(kù)函數(shù)不能處理用于產(chǎn)生雙眼立體顯示的一對(duì)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(wèn)題。8．Web3D技術(shù)與軟件 （1）Web3D技術(shù)特點(diǎn)Web3D稱為網(wǎng)絡(luò)3D，是一種網(wǎng)絡(luò)上帶有交互性能實(shí)時(shí)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)——VRML（X3D）1997年月12月VRML作為Web3D國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，1998年1月正式獲得國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO批準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱VRML97。,但它這意味著VRML已經(jīng)成為VR行業(yè)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn).② 互聯(lián)網(wǎng)3D圖形的關(guān)鍵技術(shù)——實(shí)時(shí)渲染在Web3D瀏覽中，一般來(lái)說(shuō)要下載相應(yīng)的插件，這些插件的作用就是進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，具體作用為解釋并翻譯場(chǎng)景模型文件的語(yǔ)法，實(shí)時(shí)渲染從服務(wù)器傳來(lái)的場(chǎng)景模型文件，在網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)者的客戶端逐幀、實(shí)時(shí)地顯示三維圖形。把實(shí)時(shí)渲染引擎做成一個(gè)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(dāng)然解決問(wèn)題的最好辦法是微軟等公司在其瀏覽器中預(yù)裝一個(gè)或幾個(gè)實(shí)時(shí)渲染插件，讓互聯(lián)網(wǎng)三維圖形的觀看者不必花費(fèi)時(shí)間去下載并安裝相應(yīng)的插件。顯然，實(shí)時(shí)渲染引擎是實(shí)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。現(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(dāng)然，渲染的圖像質(zhì)量就越好，功能就越強(qiáng)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(shí)時(shí)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(chǎng)景及其中三維對(duì)象的能力，如可以隨時(shí)改變?cè)谔摂M場(chǎng)景中漫游的方向和速度，可以操作虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象等。（2）Web3D應(yīng)用工具軟件常見的國(guó)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(shí)景物體和場(chǎng)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(yùn)用Java的Apple嵌入網(wǎng)頁(yè)，主要的代表公司是Apple和Mgi公司等。② VRML建模語(yǔ)言 VRML是采用文本信息描述三維場(chǎng)景，在Internet網(wǎng)上傳輸,在本地機(jī)上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場(chǎng)景,解釋生成的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范即是VRML規(guī)范。正是基于VRML的這種工作機(jī)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(jī)，從而減輕了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。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(gè)組件：Atmosphere Builder（專業(yè)的三維場(chǎng)景制作技術(shù)）、Atmosphere Player（可免費(fèi)下載的Web瀏覽器插件，也可以獨(dú)立運(yùn)行，用于瀏覽Atmosphere場(chǎng)景文件，支持三維場(chǎng)景聊天和功能）、Atmosphere Community Server（Atmosphere通迅服務(wù)器，是支持Atmosphere場(chǎng)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(duì)象，可以使用任何支持Viewpoint對(duì)象輸出三維設(shè)計(jì)軟件制作Atmophere場(chǎng)景。Atmosphere支持兩種不同的動(dòng)畫對(duì)象和wav與mp3聲音文件格式。Atmosphere支持多用戶聊天，當(dāng)發(fā)布Atmosphere三維場(chǎng)景的時(shí)候，場(chǎng)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(gè)插件，有著極為廣大的用戶群。2000年8月SIGGRAPH大會(huì)，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(wú)疑在交互能力上Shockwave3D具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。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(shí)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(guò)鼠標(biāo)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(duì)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(shí)現(xiàn)如播放音樂(lè)、語(yǔ)音解說(shuō)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(dòng)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(huì)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(duì)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(dāng)然，互聯(lián)網(wǎng)的需求是它發(fā)展的動(dòng)力?；ヂ?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(shì)來(lái)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(lái)展示商品，更能吸引客戶。在網(wǎng)站上開設(shè)虛擬商場(chǎng)，客戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在虛擬商場(chǎng)中漫游，挑選商品。許多Web3D圖形技術(shù)的軟件廠商是瞄準(zhǔn)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(gòu)買的商品。② 娛樂(lè)休閑與游戲在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行多用戶聯(lián)機(jī)三維游戲，如賽車或空中射擊游戲，同時(shí)娛樂(lè)休閑網(wǎng)站對(duì)Web3D技術(shù)有更多的需求，如城市校園或風(fēng)景點(diǎn)的虛擬旅游、虛擬博物館和虛擬展覽會(huì)等。③ 多用戶虛擬社區(qū)虛擬社區(qū)（VirtualCommunity）是建立一個(gè)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的、多用戶參與的、可由用戶自主擴(kuò)展的大型虛擬場(chǎng)景，在虛擬場(chǎng)景中的每個(gè)訪問(wèn)者都可以指定一個(gè)“替身”，通過(guò)“替身”在場(chǎng)景中漫游。在虛擬社區(qū)中，他們可以用語(yǔ)音、文字和視頻進(jìn)行通訊。虛擬社區(qū)可以是一個(gè)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(yuǎn)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(shí)技術(shù)的總結(jié)在硬件系統(tǒng)方面,交互性是實(shí)現(xiàn)人機(jī)和諧的關(guān)鍵，改進(jìn)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(wèn)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(wèn)題。其次，硬件品種仍然有待擴(kuò)展和精化?，F(xiàn)有的各種硬件設(shè)備，其性能和品種還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到VR所定義的那種要求，所以在改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備的同時(shí)，還需要研發(fā)新的設(shè)備，不斷擴(kuò)展和完善人類在虛擬世界中的“真實(shí)”感受。同時(shí)，還應(yīng)針對(duì)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(jià)總體上依舊過(guò)高，因此，VR系統(tǒng)應(yīng)該研制、改進(jìn)一些“價(jià)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(biāo)一樣的接受它們。現(xiàn)階段人們對(duì)VR的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，且多局限于國(guó)家的軍事和各種高科技研究領(lǐng)域。未來(lái)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(jiǎn)單、適用的生成工具。目前大多的VR軟件工具仍然存在語(yǔ)言專業(yè)性過(guò)強(qiáng)、欠缺通用性和易用性等問(wèn)題。其次，現(xiàn)階段的軟件開發(fā)費(fèi)用過(guò)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(shí)現(xiàn)的效果也不甚理想。從應(yīng)用系統(tǒng)的角度來(lái)看，VR的應(yīng)用領(lǐng)域尚有待大力拓展